CN112260217A - 一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法，其特征在于，采用数字及模拟混合控制电路，其中：数字控制电路为基于DSP的最小系统，实现正常通断控制、通讯、输入过欠压、过温及I²t反时限保护；模拟控制电路采用高速运放和逻辑器件，实现硬件限流和短路故障时的快速分断控制。本发明具有以下优势：状态识别精准，故障响应迅速，可实现大电流冲击和短路工况的智能区分，并可在微秒级做出判断，从而避免集中式供电系统母线电压发生跌落；采用I²t反时限分段保护，有效兼顾了设备的过载能力要求；具备自检、参数在线编程、故障隔离、信息传输、远程控制及复位等优越性能。

Description

一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有限流功能的船用低压大功率直流智能配电控制策略，属于船用低压直流智能配电系统。

背景技术

随着船舶系统自动化程度的不断提高，其对供配电质量、可靠性和容错能力等要求也越来越高，因此，必须采取合理有效的配电设计和保护：一方面，在冲击性负载启动时快速限流，避免集中式供电系统母线电压发生大幅跌落或出现配电支路误跳闸；另一方面，在发生故障时及时切除故障支路，确保故障不扩散、不蔓延，从而确保非故障系统的供电连续性。

目前，我国船舶领域广泛采用的配电器件仍然是熔断器、断路器、机电式热保护继电器、接触器等。基于这些传统配电器件的配电系统故障响应速度慢，且不具备限流功能，在共源负载出现大电流冲击或配电支路发生短路故障时，母线电压会大幅跌落，从而导致敏感性负载失电。此外，传统配电器件不具备对外通讯功能，致使监控系统无法获取配电支路运行状态及故障信息，从而增加了故障隔离及定位难度，且故障解除后需要人工闭合或更换，大大增加了管理和维护工程量，已不能满足船舶配电系统对信息化、数字化和智能化的要求。

船舶负载特性复杂，负载大小、位置及电缆走线多样，为避免出现误保护或母线电压跌落，必须做到状态识别精准、故障响应迅速，其动作时间必须严格控制在微秒级，因此，制定准确可靠的控制策略是直流智能配电设备的重中之重。

发明内容

本发明的目的是：为直流智能配电设备制定准确可靠的控制策略。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法，其特征在于，采用数字及模拟混合控制电路，其中：

数字控制电路为基于DSP的最小系统，将负载电流I_f、直流智能配电设备输入电压V_in和输出电压V_out经调理后连接至数字控制电路的AD端口，其IO输入端口连接硬件故障反馈信号，IO输出端口连接正常通断控制电路，实现正常通断控制、通讯、输入过欠压、过温及I²t反时限保护；

模拟控制电路采用高速运放和逻辑器件，依据输入的直流智能配电设备的输出端电压V_out以及通过检测电阻测得的负载电流反馈信号V_if产生输出至功率MOSFET控制电压连接端的控制电压V_c，以实现硬件限流和短路故障时的快速分断控制。

优选地，当负载电流小于硬件限流阈值时，由数字控制电路结合直流智能配电设备过载能力要求及I²t反时限分段曲线制定保护策略，I²t反时限参数可以根据负载实际特性通过CAN总线进行在线整定；

当负载电流大于等于硬件限流阈值时，利用模拟控制电路执行硬件限流控制策略及大电流冲击性负载与短路工况的区分策略。

优选地，所述模拟控制电路采用滞环比较策略判断进入限流控制及退出限流控制，当负载电流大于3.5倍额定电流时，所述模拟控制电路在微秒级做出判断，限流控制信号生效，产生相应的控制电压V_c输出至功率MOSFET的控制电压连接端，利用功率MOSFET自身的特性，通过控制电压V_c将功率MOSFET的漏极电流I_D限制在设定值；

当负载电流小于1.5倍额定电流时，限流控制信号失效，退出限流模式。

优选地，所述大电流冲击性负载与短路工况的区分策略为：

所述模拟控制电路采用RC网络模拟阻容性冲击负载的充电曲线，并实时检测直流智能配电设备的输出端电压V_out；

在限流模式下，设定限流时长，对比输出端电压V_out与模拟充电曲线，若限流时间超过设定阈值时，输出端电压V_out仍然无法跟随模拟充电曲线，则判定后级负载超过直流智能配电设备阻容性冲击负载的带载能力或配电支路发生短路故障；若在设定时间内，输出端电压V_out跟随模拟充电曲线且负载电流逐渐减小，则退出限流模式，进入正常工作状态。

本发明相较于现有技术，具有以下优势：

(1)状态识别精准，故障响应迅速，可实现大电流冲击和短路工况的智能区分，并可在微秒级做出判断，从而避免集中式供电系统母线电压发生跌落；

(2)采用I²t反时限分段保护，有效兼顾了设备的过载能力要求；

(3)具备自检、参数在线编程、故障隔离、信息传输、远程控制及复位等优越性能。

将本发明应用于船舶领域，可以极大提高电力、动力等系统的供电保障能力，并为配电系统负载智能化管理奠定基础，具有非常广阔的应用前景。

附图说明

图1为限流控制电路及短路故障判断电路原理图；

图2为功率MOSFET的转移特性曲线示意图；

图3为阻容性负载充电曲线示意图；

图4为I²t反时限分段保护曲线；

图5为突加阻容性冲击负载的试验波形；

图6为配电支路短路时的试验波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样属于本申请所附权利要求书所限定的范围。

图1所示为本发明提出的限流控制电路及短路故障判断电路原理图。为保证大电流冲击工况下快速进入限流状态，采用比例调节电路。图中，V_if为检测电阻测得的电流反馈信号，U₁及R₁、R₂、R₃、R₄组成调理电路对电流反馈信号V_if进行放大处理。U₂及R₅、R₆、R₇、R₈组成比例调节电路，参考电压V_ref经分压后接至U₂的同相输入端，作为维持电流基准电压。U₂的输出即为限流控制电压。Q₁为固态开关，当限流控制信号有效时，Q₁导通，限流控制电压经选通二极管D₁输出至功率MOSFET的控制电压连接端。此时，U₂输出的限流控制电压作为控制电压V_c经驱动电路连接至功率MOSFET的栅极，控制功率MOSFET进入线性区，将负载电流限制在设定值。

维持电流基准电压依据功率MOSFET的转移特性曲线来选定。图2所示为功率MOSFET的转移特性曲线示意图，反映了漏极电流I_D与控制电压之间的关系，由图可知，当功率MOSFET处于线性区时，通过功率MOSFET的漏极电流I_D与控制电压V_GS线性相关，而与其漏源极电压V_DS无关。如此，当通过功率MOSFET的电流大于设定限流值时，经比例调节输出的控制电压V_c将变小，并最终稳定在转移特性曲线上与设定限流值相对应的某个点，控制电流维持在设定限流值，直至限流控制信号解除。

短路故障判断电路中，U₃及R₉、R₁₀、R₁₁组成电流反馈信号的二级调理电路。R₁₂与C₁组成RC网络，用于模拟阻容性负载的充电曲线，Q₂为固态开关。V_out为直流智能配电设备的输出端电压。U₄及R₁₃、R₁₄、R₁₅组成输出电压信号的调理电路。U₅为比较器。在短路工况下，U₅的反相输入端电压大于其同相输入端电压，输出为低电平，该低电平电压通过选通二极管D₂输出至功率MOSFET的控制电压连接端，控制功率MOSFET关断。

图3所示为阻容性负载充电曲线示意图，由此可知，当

(其中R_s为检测电阻)、且时间常数R₁₂C₁＝R_loadC_load时(其中R_load为阻容性负载电阻值、C_load为阻容性负载电容值)，R₁₂与C₁组成的RC网络可以准确模拟阻容性负载的充电曲线。

具体控制策略如表1所示。当负载电流硬件反馈值大于3.5倍额定电流时，若输出端电压不上升且接近于0，则判定为短路工况，立即封锁驱动信号；若输出端电压逐渐增大但无法跟随预设电压曲线，且限流持续时间大于设定阈值T_th，则判定此时设备后端负载超过其冲击性负载的最大带载能力，为避免功率MOSFET热损坏，立即封锁驱动信号；若输出端电压逐渐增大且能跟随预设电压曲线，限流持续时间小于设定阈值T_th，则判定负载能够正常启动，解除限流，此时负载电流将逐渐变小。

考虑设备可靠性，对限流工况增加软件冗余保护，当负载电流软件反馈值I_f大于等于限流设定值，且持续时间达到10ms(该持续时间设定值依功率器件的热特性曲线而定)，则判定为硬件限流功能失效，由软件发出关断命令，封锁驱动信号。

表1具体控制策略

图4所示为I²t反时限分段保护曲线。分段保护曲线的参数可通过上位机实现在线整定，大大提升了负载适应性。

图5为突加阻容性冲击负载的试验波形，由图可知，当发生阻容性冲击时，配电设备可在微秒级进入限流模式，将负载电流控制在设定值，母线电压基本稳定。图6为配电支路短路时的试验波形，由图可知，当出现短路时，配电设备同样可在微秒级进入限流模式，经判断后迅速切断故障支路。本发明提出的具有限流功能的船用低压直流智能配电控制策略可以快速、准确、可靠地识别负载状态，满足使用需求。

Claims (4)

1.一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法，其特征在于，采用数字及模拟混合控制电路，其中：

数字控制电路为基于DSP的最小系统，将负载电流I_f、直流智能配电设备输入电压V_in和输出电压V_out经调理后连接至数字控制电路的AD端口，其IO输入端口连接硬件故障反馈信号，IO输出端口连接正常通断控制电路，实现正常通断控制、通讯、输入过欠压、过温及I²t反时限保护；

模拟控制电路采用高速运放和逻辑器件，依据输入的直流智能配电设备的输出端电压V_out以及通过检测电阻测得的负载电流反馈信号V_if产生输出至功率MOSFET控制电压连接端的控制电压V_c，以实现硬件限流和短路故障时的快速分断控制。

2.如权利要求1所述的一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法，其特征在于，当负载电流小于硬件限流阈值时，由数字控制电路结合直流智能配电设备过载能力要求及I²t反时限分段曲线制定保护策略，I²t反时限参数可以根据负载实际特性通过CAN总线进行在线整定；

当负载电流大于等于硬件限流阈值时，利用模拟控制电路执行硬件限流控制策略及大电流冲击性负载与短路工况的区分策略。

3.如权利要求2所述的一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法，其特征在于，所述模拟控制电路采用滞环比较策略判断进入限流控制及退出限流控制，当负载电流大于3.5倍额定电流时，所述模拟控制电路在微秒级做出判断，限流控制信号生效，产生相应的控制电压V_c输出至功率MOSFET的控制电压连接端，利用功率MOSFET自身的特性，通过控制电压V_c将功率MOSFET的漏极电流I_D限制在设定值；

当负载电流小于1.5倍额定电流时，限流控制信号失效，退出限流模式。

4.如权利要求2所述的一种具有限流功能的船用低压直流智能配电控制方法，其特征在于，所述大电流冲击性负载与短路工况的区分策略为：

所述模拟控制电路采用RC网络模拟阻容性冲击负载的充电曲线，并实时检测直流智能配电设备的输出端电压V_out；

在限流模式下，设定限流时长，对比输出端电压V_out与模拟充电曲线，若限流时间超过设定阈值时，输出端电压V_out仍然无法跟随模拟充电曲线，则判定后级负载超过直流智能配电设备阻容性冲击负载的带载能力或配电支路发生短路故障；若在设定时间内，输出端电压V_out跟随模拟充电曲线且负载电流逐渐减小，则退出限流模式，进入正常工作状态。

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