CN115483667A - 用于保护电力推进系统的方法以及电力推进系统 - Google Patents

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尤金·V·索洛多夫尼克
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Abstract

本公开涉及用于保护电力推进系统的方法以及电力推进系统。用于检测和表征航空航天电力推进系统中的电弧故障，然后协调保护系统的各种元件的操作以执行故障清除序列的方法和设备。在基于电流的方法中，基于来自电流传感器的差分读数来检测和表征电弧。将保护区两端测得的电流之间的差值与差值阈值进行比较。在基于功率的方法中，基于来自电压和电流传感器的差分读数来检测和表征电弧。差分电压和电流读数被用来计算保护区两端的相应功率。在一段时间内对相应功率之间的差值进行积分，然后将积分后的差值与差值阈值进行比较。当超过差值阈值时，调用差分保护跳闸模式。

Description

用于保护电力推进系统的方法以及电力推进系统
技术领域
本公开总体上涉及电力转换系统，并且具体涉及用于将直流电(DC)转换成交流电(AC)的电力转换系统。具体地，本公开涉及用于在飞机电力推进系统中将DC电力转换成AC电力的方法和设备。
背景技术
具有电力推进系统的飞机(在下文中“电动飞机”)配备有将电力转换为机械动力的电动机。例如，电动机可使飞机上的一个或多个螺旋桨旋转以提供推力。更具体地，电动机在磁场中具有电线环(以下称为“定子绕组”)。当电流通过定子翼(stator wing)时，磁场在转子上施加转矩，这使得轴旋转。在该过程中，电能被转换成机械功。
电动飞机可以具有各种形式。例如，电动飞机可以是飞机、旋翼飞机、直升机、四螺旋桨直升机、无人驾驶飞行器、或者一些其他合适类型的飞机。对于电动飞机，电池较大并且被设计为提供用于推进目的的大量电力。在一个实施方式中，电池连接至高压直流(HVDC)总线，该总线也由发电机源供应。如在航空航天工业中和在本文中所使用的，在直流背景下的术语“高电压”是指高于500VDC的任何DC电压。在常规方案中，这种DC高电压通常源自三相230VAC电力的整流。
在HVDC系统中，可能发生不期望的电弧故障。电弧或电弧放电是产生延长的放电的气体的电击穿。通过通常不导电的介质(例如空气)的电流产生等离子体。现有技术系统通常依赖于过电流检测以防止HVDC配电系统中的电气故障。过电流保护使用电流的平方乘以时间(以下称为“i2t”)来触发以防止可能损坏电线和相邻结构的过电流。典型的过电流保护涉及无源解决方案(诸如保险丝)和/或有源解决方案(诸如配置控制器以响应于从电流传感器接收的过电流指示打开机电接触器)。
过电流保护是隔离故障的有效解决方案，但被认为是“缓慢”保护，因为负载电流需要显著超过(大于)有待检测的标称电流。在过电流故障期间释放的偶然能量的量可能不可接受地高。在典型的机载电气系统中，可以响应于检测到超过35Arms的电流来激活“快速”保护。例如，“快速”保护可以使用查看系统的特定区域中的泄漏电流的差分保护(DP)来实现。差分保护是指定区域或设备件的单元型保护。差分保护基于基尔霍夫电流定律的原理工作，基尔霍夫电流定律规定对于电路中的任何节点(结)，流入该节点的电流之和等于流出该节点的电流之和。
根据典型的差分保护实现方式，测量两个位置处的电流，计算两个电流测量之间的任何差值(指示电流泄漏)，并且如果差值超过预设阈值，则触发保护。差分保护的灵敏度实现比采用过电流保护时的情况快得多的触发，因为差分保护能够在负载电流不超过标称电流的情况下感测一个区域中的少量泄漏电流。对于高阻抗故障，在故障状态引起热失控之前，可在具有小泄漏电流的短路的早期阶段检测故障。
在高功率和电压潜在地超过1000VDC的情况下，电力推进系统将通过结合使用差分保护提供“快速保护”的能力而受益，从而限制在故障期间产生的附带能量。
发明内容
以下详细公开的主题涉及用于检测和表征航空航天电力推进系统中的电弧故障，然后协调保护系统的各个元件的操作以执行故障清除顺序的方法和设备。在高功率和电压潜在地超过1000VDC的情况下，电力推进系统将通过结合使用差分保护提供“快速”故障隔离的能力而受益，由此限制在故障期间产生的附带能量。根据一个提出的实施方式，电动机控制器基于在差分保护控制模块(控制器)中收集和处理的信息执行有源短路保护。差分保护控制模块接收在差分保护区上获取的传感器数据并且处理该传感器数据以检测电池组中的电弧的出现。根据基于电流的实施例，基于来自感测保护区两端处的电流的电流传感器的差分读数来检测和表征电弧。在基于电流的实施例中，将保护区的两端处的相应测量电流之间的差值与差值阈值进行比较。当超过差值阈值时，调用差分保护脱扣操作模式(tripmode of operation)。
根据基于电力的实施例，基于来自感测在保护区的两端处的电压和电流的电压传感器和电流传感器的差分读数来检测和表征电弧。在基于功率的实施例中，来自电压传感器和电流传感器的差分读数然后被用于计算在保护区的两端处的相应测量功率，对相应测量功率之间的差值在一段时间内进行积分，并且然后将该积分的差值与差值阈值进行比较。当差值阈值被超过时，调用差分保护脱扣操作模式。
与传统的飞行器电力系统的一个关键区别在于，电力推进电气系统是电浮置的，是隔离的或高阻抗接地的。因此，在线路接地故障期间没有短路电流。另一个因素是系统的操作电压。在高电压的情况下，不同类型的故障可发生在该系统中具有难以检测的串联和并联电弧故障的可能性。最后，电力推进系统包括高功率电动机，其在HVDC故障期间可再生成故障。对于系统来说，区分哪个负载已经发生故障并且隔离故障是重要的。健康电动机负载可能在故障期间再生，但是可能不需要而跳闸。
本文提出的保护方案为空中电力推进系统提供了“快速”保护。所提出的保护系统的能力包括：(a)检测高阻抗故障的小漏电流的能力；(b)检测电弧故障(串联和并联)的能力；(c)隔离故障区中的故障同时保持健康负载的操作的能力；以及(d)系统故障协调。
尽管以下将更详细地描述用于为电力推进系统提供差分保护的系统和方法的各种实施方式，但这些实施方式中的一个或多个可以由以下方面中的一个或多个方面表征。
以下详细公开的主题的一个方面是一种用于保护电力推进系统的方法，该方法包括：(a)感测在保护区的第一端处由电池组供应的第一电流，该保护区包括电源线的至少一部分，所述电源线被连接成接收来自电池组的电流并且将电流供应至电动机控制器；(b)感测在保护区的第二端处供应给电动机控制器的第二电流；(c)接收表示在步骤(a)中感测的第一电流的大小的传感器数据；(d)接收表示在步骤(b)中感测的第二电流的大小的传感器数据；(e)计算等于所述第一电流的大小和所述第二电流的大小之间的差值的电流差值；(f)确定电流差值超过指示保护区中的故障的差值阈值；(g)响应于步骤(f)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作；以及(h)以隔离故障的模式操作电力推进系统，其中步骤(c)至(g)由差分保护控制模块执行。
以下详细公开的主题的另一方面是一种电力推进系统，包括：电池组，包括电池模块的并联串；汇流条，连接成从电池组接收直流电力；电源线，连接成从所述汇流条接收直流电力；电动机控制器，连接成从电源线接收直流电力并且被配置为将直流电力转换为交流电力；交流电动机，连接成从电动机控制器接收交流电力；一个或多个第一电流传感器，连接成感测由电池组供应给包括电源线的至少一部分的保护区的第一端的第一电流，并且被配置为输出表示第一电流的大小的第一传感器数据；第二电流传感器，连接成感测在保护区的第二端处供应给电动机控制器的第二电流，并且被配置为输出表示所述第二电流的大小的第二传感器数据；以及差分保护控制模块，连接成接收第一传感器数据和第二传感器数据。差分保护控制模块被配置为执行包括以下的操作：(a)计算等于第一电流的大小与第二电流的大小之间的差值的电流差值；(b)确定电流差值超过指示保护区中的故障的差值阈值；以及(c)响应于操作(b)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作。
以下详细公开的主题的另一方面是一种用于保护电力推进系统的方法，该方法包括：(a)感测在保护区的第一端处由电池组供应的第一电流，该保护区包括电源线的至少一部分，该电源线被连接成接收来自电池组的电流并且将电流供应至电动机控制器；(b)感测在保护区的第二端处供应给该电动机控制器的第二电流；(c)感测在保护区的第一端处的第一电压；(d)感测在保护区的第二端处的第二电压；(e)接收表示在步骤(a)中感测的第一电流的大小的传感器数据；(f)接收表示在步骤(b)中感测的第二电流的大小的传感器数据；(g)接收表示在步骤(c)中感测的第一电压的大小的传感器数据；(h)接收表示在步骤(d)中感测的第二电压的大小的传感器数据；(i)基于在时间窗口期间在连续时刻在步骤(e)至(h)中接收的大小来计算积分功率差值，其中，通过对保护区的第一端处的第一功率与所述保护区的第二端处的第二功率之间的差进行积分来导出所述积分功率差值；(j)确定积分功率差值超过表示保护区中的故障的积分差值阈值；(k)响应于步骤(j)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作；以及(l)以隔离故障的模式操作电力推进系统，其中步骤(e)至(k)由差分保护控制模块执行。
以下详细公开的主题的又一方面是一种电力推进系统，包括：电池组，包括电池模块的并联串；汇流条，连接成从电池组接收直流电力；电源线，连接成从所述汇流条接收直流电力；电动机控制器，连接成从电源线接收直流电力并且被配置为将直流电力转换为交流电力；直流电动机，连接成从电动机控制器接收直流电力；第一电流传感器，连接成感测由电池组供应到包括电源线的至少一部分的保护区的第一端的第一电流，并且被配置为输出表示第一电流的大小的第一传感器数据；第一电压传感器，连接成感测保护区的第一端处的第一电压，并被配置为输出表示第一电压的大小的第二传感器数据；第二电流传感器，连接成感测在保护区的第二端处供应给电动机控制器的第二电流，并且被配置为输出表示第二电流的大小的第三传感器数据；第二电压传感器，连接成感测保护区电流的第二端处的第二电压，并且被配置为输出表示第二电压的大小的第四传感器数据；以及差分保护控制模块，连接成接收第一传感器数据至第四传感器数据。差分保护控制模块被配置成用于执行多个操作，这些操作包括：(a)基于在时间窗口期间的一系列时刻接收到的第一传感器数据至第四传感器数据计算积分功率差值，其中，积分功率差值通过对保护区的第一端处的第一功率与保护区的第二端处的第二功率之间的差值进行积分来导出；(b)确定积分功率差值超过表示保护区中的故障的积分差值阈值；以及(c)响应于操作(b)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作。
以下详细公开的主题的另一方面是一种用于保护电力推进系统的方法，该方法包括：(a)感测在保护区的第一端处由电池组供应的直流电流，该保护区包括电源线的至少一部分，该电源线连接成接收来自电池组的直流电流并且将直流电流供应至电动机控制器；(b)感测在保护区的第二端处由电动机控制器供应给交流电动机的交流电流；(c)感测在保护区的第一端处的直流电压；(d)感测在保护区的所述第二端处的交流电压；(e)接收表示在步骤(a)中感测的直流电流的大小的传感器数据；(f)接收表示在步骤(b)中感测的交流电流的大小的传感器数据；(g)接收表示在步骤(c)中感测的直流电压的幅值的传感器数据；(h)接收表示在步骤(d)中感测的交流电压的幅值的传感器数据；(i)基于在时间窗口期间的一系列时刻在步骤(e)至(h)中接收的大小以及电动机控制器内部的功率损耗的大小来计算积分功率差值，其中，通过对保护区的所述第一端处的第一功率与保护区的所述第二端处的第二功率之间的差减去功率损耗进行积分来得到积分功率差值；(j)确定积分功率差值超过表示保护区中的故障的积分差值阈值；(k)响应于步骤(j)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作；以及(l)以隔离故障的模式操作电力推进系统，其中步骤(e)至(k)由差分保护控制模块执行。
以下公开了用于为电力推进系统提供差分保护的系统和方法的其他方面。
附图说明
前述部分中讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合。为了说明上述和其他方面的目的，在下文中将参考附图描述各种实施方式。
图1是示出根据第一实施例的航空航天电力推进系统中的HVDC电力分配系统的两条DC电源线上的电弧故障的示图，所述航空航天电力推进系统包括监测DC保护区的直流DP控制模块。
图2是根据一个提出的实施方式的识别由图1所示的直流DP控制模块执行的算法的步骤的流程图。
图3是示出根据第二实施例的航空航天电力推进系统中的HVDC电力分配系统的两条DC电源线上的电弧故障的示图，所述航空航天电力推进系统包括监测DC电力保护区的功率DP控制模块。
图4是根据另一提出的实施方式的识别由图3中所示的功率DP控制模块执行的算法130的步骤的流程图。
图5A是表示功率DP控制模块沿HVDC汇流条的轨道检测高阻抗并行电弧的发生的情况的示图。
图5B是来自示波器的屏幕截图，示出了在图5A所示的DC电源保护区内发生高阻抗并行电弧期间的电流IA和1B以及电压VA和VB。
图5C是示出了根据用于监测图5A中描绘的DC电源保护区以检测并行电弧的一种方法由电源DP控制模块执行的检测算法的流程图。
图6A是表示功率DP控制模块沿HVDC汇流条的轨道检测串行电弧的发生的情况的示图。
图6B是来自示波器的屏幕截图，示出了在图6A中描绘的DC电源保护区内发生串行电弧期间的电流IA和1B以及电压VA和VB。
图6C是示出根据用于监控图6A所示的DC电源保护区以检测串行电弧的另一方法的由电源DP控制模块执行的检测算法的流程图。
图7为示出根据第三实施例的航空航天电力推进系统中的HVDC电力分配系统的两条DC电源线上的电弧故障的示图，所述航空航天电力推进系统包括监测DC/AC电力保护区的混合(DC/AC)功率DP控制模块。
图8是示出根据第四实施例的包括两个电动机和两个电动机控制器的航空航天电力推进系统中的两个DC电源线上的电弧故障的示图。
在下文中，将参考附图，其中，不同附图中的类似元件具有相同的参考标号。
具体实施方式
下文更详细地描述用于为电力推进系统提供差分保护的系统和方法的说明性实施例。然而，在本说明书中没有描述实际实现的所有特征。本领域技术人员将认识到，在任何这种实施例的开发中，必须做出许多实现方式特定的决定，以实现开发者的特定目标，例如，遵守与系统相关的和与商业相关的约束，这些约束将因实现方式而异。此外，应当理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说仍然是常规任务。
本文中公开的飞机电力推进系统包括驱动螺旋桨的旋转的电动机、被配置为将直流(DC)转换成交流(AC)的一个或多个电动机控制器、以及DC电源(例如，电池系统)。DC电源可包括例如DC-DC转换器，用于增加或升压低压DC电源的电压电平以形成高压DC(HVDC)电源。如本文所使用的，DC-DC转换器是用于改变DC电源的电压电平的电气或机电装置。然后可以将HVDC电力馈送至电动机控制器的一个或多个逆变器，以形成高压AC电源。
在高电力和电压潜在地超过1000VDC的情况下，电力推进系统将通过结合使用差分保护提供“快速”故障隔离的能力而受益，由此限制在故障期间产生的附带能量。与传统的飞行器电力系统的一个关键区别在于，电力推进电气系统是电浮置的，是隔离的或是高阻抗接地的。因此，在线路接地故障期间没有短路电流。另一个因素是系统的操作电压。在高电压的情况下，不同类型的故障可发生在该系统中具有难以检测的串行和并行电弧故障的可能性。最后，电力推进系统包括高功率电动机，其在HVDC故障期间可再生成故障。对于系统来说，区分哪个负载已经发生故障并且隔离故障是重要的。健康的电动机负载可在故障期间再生，但不应跳闸。
以下详细公开的电力推进系统包括至少一个DP控制模块，其配置为：(a)从具有限定保护区的源端和负载端的位置的电流和电压传感器接收传感器数据；(b)处理该传感器数据以导出电流和电压测量值；(c)检测何时测量值的差值指示保护区中故障的发生；以及(d)触发接触器和/或开关的状态的变化，这些接触器和/或开关通过隔离故障来保护电力推进系统的设备免于损坏。
本文提出的保护方案为空中电力推进系统提供“快速”保护。具体地，本文公开的DP控制模块具有以下能力中的一个或多个：(a)检测高阻抗故障的小漏电流的能力；(b)检测电弧故障(串行和并行)的能力；(c)在保留健康负载的操作的同时隔离故障区中的故障的能力；以及(d)系统故障协调。
图1是示出根据第一实施例的航空航天电力推进系统2的示图，该航空航天电力推进系统将DC电力转换为AC电力并且配备有直流差分保护控制模块20a(在下文中“DCDP控制模块20a”)。图1所示的DCDP控制模块20a被配置成隔离HVDC配电系统44的正HVDC电源线4a和负HVDC电源线4b之间的电弧故障3。
电力推进系统2包括将来自HVDC配电系统44的DC电力转换成AC电力的电动机控制器50。因此，如本文中使用的术语“电动机控制器”包括DC-AC转换器(图1中未示出)。电力推进系统还包括AC电动机30，其经由多组或多组AC电源线6从电动机控制器50接收AC电力。
图1中所示的电力推进系统2还包括螺旋桨32，螺旋桨32通过AC电动机30驱动旋转。螺旋桨32包括机械联接到AC电动机30的输出轴(图1中未示出)的螺旋桨轴34和多个螺旋桨桨叶36。此外，电力推进系统2包括调节器(governor)42，该调速器被配置为通过改变螺旋桨桨叶36的螺距来保持螺旋桨32的恒定转速。液压调节器通过使用液压阀54控制通过螺旋桨32中的液压机构的发动机油的流动来实现这一点。
在一些实施方式中，电动机控制器50具有用于将AC电流提供至AC电动机30中的各组定子绕组的多个通道。电动机控制器50的每个通道包括具有一组电源开关的相应逆变器(图1中未示出)和控制电源开关的状态的逆变器控制器(图1中未示出)。电源开关连接到AC电动机30的定子绕组。电动机控制器50进一步包括感测由逆变器输出的AC电力信号的电压和电流的多对传感器(图1中未示出)，该传感器数据被反馈至相应的逆变器控制器。逆变器的操作由逆变器控制器控制，逆变器控制器经由开关信号线(在图1中未示出)将开关控制信号发送至逆变器并且从逆变器接收开关状态信号。电动机控制器50的变换器将DC电力转换成用于AC电动机30的多相AC电力。逆变器和逆变器控制器组合形成作为电动机控制器50的一部分的DC-AC转换器。更确切地说，该逆变器控制器产生脉宽调制信号，这些脉宽调制信号用作参考电流和电压，这些参考电流和电压需要被供给该AC电动机30以便实现最佳的机械转矩输出。使用PWM产生函数调制这些参考信号，该PWM产生函数产生发送到由逆变器控制器控制的逆变器中的功率开关的栅极驱动器的命令。
在图1所示的实施例中，DC电源是电池组18。电池组18经由电池电力分配单元28(在下文中“BPDU 28”)连接到HVDC配电系统44。BPDU 28是包含监测、整流和控制由电池组18输出的DC电力所需的硬件的外壳。BPDU 28包括正汇流条38a和负汇流条38b(在下文中“汇流条38a和38b”)。电动机控制器50经由HVDC配电系统44从BPDU 28接收DC电力。
根据一些实施例，电池组18包括并联连接到汇流条38a和38b的多个独立电池串。每个电池串包括串联连接以产生具有所要求的可用电压/电势的电池串的多个电池模块24。在图1中描绘的示例中，每个电池串包括第一半串(例如，四个)串联连接的电池模块，该第一半串间接地(经由在图1中未示出的对应的中点电池断开单元)连接至第二半串(例如，四个)串联连接的电池模块。
BPDU 28还包括将电池串的一端连接到汇流条38a的第一多个串接触器8和将电池串的另一端连接到汇流条38b的第二多个串接触器8。(接触器是用于切换电源电路的电控开关。接触器被设计为直接连接至高电流负载设备)。高压DC配电系统44经由串接触器8从电池串接收DC电力信号，并将该DC电力供应至电动机控制器50。
BPDU 28还包括电池组管理系统22(以下称为“BPMS 22”)。电池组18的操作由BPMS22管理。多个并联电池串可在组内故障(例如，单串故障)的情况下提供冗余。BPMS 22可被配置为确保电池串的冗余保护、故障安全操作和选择性关闭。BPMS 22可被进一步配置为提供电池过充电保护或阻止可能导致电池热失控的其他事件或事件组合。更具体地，串接触器8的开关状态可由BPMS 22控制，以响应于在其中一个电池串中检测到故障状态(例如，短路)而断开。
流过正极汇流条38a的直流电流通过电流传感器16a来检测。电流传感器16a(以及本文中提及的其他电流传感器)被配置为输出表示感测的电流的大小的传感器数据。每个电池串包括串联连接的多个电池模块24。流过每个电池串的直流电流由相应的电流传感器(例如，图1所示的电流传感器16c和16d)感测。每个电池模块24是单个单元(图1中未示出)的并联/串联布置。每个电池模块24可以通过相关联的模块监测单元(图1中未示出)进行监测。每个模块监测单元包括用于独立地感测虚拟单元电压(跨多个并联的电池单元的电压)和单个单元温度的传感器。模块监测单元还包括平衡电路。结合在电池组18中的每个模块监测单元将表示虚拟单元电压和单个单元温度的传感器数据传送给BPMS 22。BPMS 22还从电流传感器16c和16d接收数据。
该系统进一步包括DC电压转换系统(图1中未示出)，该DC电压转换系统被配置为从电池组18接收低压DC电力并且将该低压DC电力转换成高压DC电力。图1中所示的HVDC配电系统44包括正HVDC电源线4a和负HVDC电源线4b，它们被连接成将高压DC电力从DC电压转换系统运送到电动机控制器50。例如，HVDC电源线4a和4b可连接到一对HVDC汇流条(图1中未示出)，这对HVDC汇流条进而连接为从DC电压转换系统接收HVDC电力。
直流电压转换系统(图中未示出)包括电压转换器和转换器控制器。转换器控制器根据具体的开关调制算法，例如脉冲宽度调制、相移调制、交错调制或者两种或三种的组合等生成控制信号。电压转换器由转换器控制器使用上述特定调制方法之一来控制，以将输入电压处的输入电流转换成输出电压处的输出电流，同时实现特定电气性能要求，例如，在效率改善、电流纹波减少、噪声最小化等方面。
如图1所示，系统进一步包括发动机控制单元10(ECU)。发动机控制单元10与电动机控制器50内部的逆变器控制器(图1中未示出)接合。电动机控制器50的逆变器控制器通信耦接为接收来自发动机控制单元10的控制信号并将反馈信号发送至发动机控制单元10。发动机控制单元10对所有逆变器控制器执行监督和协调的作用。
发动机控制单元10进一步通信耦接至电力推进控制器20(EPC)，该电力推进控制器20控制图1中描绘的飞机地哪里推进系统的整体操作。电力推进控制器12从推力控制杆和俯仰控制杆(图1中未示出)接收飞行员输入。电力推进控制器12经由第一控制器局域网(CAN1)与BPMS22通信，并且经由第二控制器局域网(CAN2)与发动机控制单元10通信。电力推进控制器12向调节器42发送模拟控制信号以控制螺旋桨32的顺桨(feathering)。电力推进控制器12经由以太网连接将用于显示的信息发送至飞行显示单元(图1中未示出)。
在正常操作中，电池组18向电动机控制器50提供HVDC电力。电动机控制器50将DC电力转换为AC电力并驱动AC电动机30的旋转。发动机控制单元10接收来自电力推进控制器12的运行/停止和转矩命令。电力推进控制器12监测飞行员输入和螺旋桨的速度。响应于飞行员输入要求推力，电力推进控制器12计算用于电动机控制器50的转矩命令。电动机控制器50通过将具有适当大小和相位的AC电流施加到AC电动机30来进行响应，这产生用于旋转螺旋桨32的转矩。调节器42通过改变螺旋桨桨叶36的螺距来调整螺旋桨32的转速。如果飞行员要求更多的推力，则电力推进控制器12命令更多的转矩到电动机控制器50。螺旋桨32趋于增加其速度，但是调节器42对速度增加作出反应并且进而增加桨叶螺距，这导致推力根据飞行员的命令而增加。因此，螺旋桨32的速度在整个操作中保持恒定，并且通过改变电动机转矩和螺旋桨螺距设置来改变螺旋桨推力。
图1所示的系统还包括过电流保护控制模块14，其配置成防止HVDC配电系统44中的故障。过电流保护控制模块14根据流过正HVDC电源线4a的电流是否过大(大于规定的阈值)来执行控制接触器8的状态的算法。流过正HVDC电源线4a的电流由电流传感器16a检测，电流传感器16a向过电流保护控制模块14输出表示该电流的大小的模拟信号。过电流保护使用电流的平方乘以时间(i2t)来触发，以防止潜在地损坏电线和飞机的过电流。
仍参照图1，电动机控制器50包括保护电路26，该保护电路被配置为响应于某些故障而使电动机控制器50在安全模式下操作。保护电路26是基于硬件的。保护电路26通常由模拟电路实现。保护电路系统26可以响应于从电力推进控制器12或从DCDP控制模块20a接收的命令，发出分别使逆变器中的功率开关闭合的开关控制信号，该命令进而响应于故障检测而发出。更具体地，保护电路26向电源开关的栅极驱动器发送低功率输入。
图1示出了在HVDC电源线4a和4b之间已经发生电弧故障3(例如，短路)的情况。在该示例中，HVDC电源线4a和4b可以供应1000-1600VDC的标称电压，并承载1000ADC的标称电流。在这种故障的情况下，电池组18可以供应高达7000ADC的大故障电流。如前所述，不仅电池组18馈送故障，而且AC电动机30通过电动机控制器50馈送故障。
然而，使用过电流保护来检测高阻抗故障是有问题的，因为电弧的间歇性质和在事件期间发射的相对低的能量。本公开提出了用于基于来自电压和电流传感器的差分读数来检测和表征电弧故障并且然后与保护元件协调以执行故障清除序列的方法。
根据图1所示的实施例，DCDP控制模块20a被配置为执行一种算法，在该算法中根据在一个位置处感测的输入电流和在另一个位置处感测的输出电流之间的差值是否大于规定的电流阈值来控制接触器8的状态。第一和第二位置限定DC保护区。根据一个实施例，DCDP控制模块20a从感测流出BPDU 28的电流IBPDU的电流传感器16a和从感测流入电动机控制器50的电流IMC的电流传感器16b接收模拟信号。根据一个提出的实施方式，电流传感器16a沿正汇流条38a定位，电流传感器16b沿将电动机控制器50内的电源开关连接到HVDC电源线4a的导体定位。DCDP控制模块20a被配置为计算电流差值IDP＝IBPDU-IMC，并且然后将IDP与差值阈值Ithr进行比较，该差值阈值可以等于因数与标称电流Innominal(例如，0.1×Innominal)的乘积。DCDP控制模块20a能够检测线路之间的小泄漏电流，然后将故障中的附带能量最小化。
在图1所示的示例性实施方式中，DCDP控制模块20a仅监测正HVDC电源线4a中的电流，而不测量负HVDC电源线4b中的电流。因此，图1所示的差分保护配置在两个电流传感器16a和16b之间形成覆盖正HVDC电源线4a的保护区。在该区域中线到线故障的情况下，DCDP控制模块20a将计算IDP并且感测该故障。
一旦在DC保护区中检测到故障，图1所示的DCDP控制模块20a将执行跳闸序列(trip sequence)，以利用故障能量的最小化来隔离故障。图2是根据一个提出的实施方式的识别由DCDP控制模块20a的控制逻辑执行的算法100的步骤的流程图。在有源模式(active mode，激活模式)102中，DCDP控制模块20a测量电流IBPDU和IMC，并计算电流差值IDP＝IBPDU-IMC(步骤110)。然后，DCDP控制模块20a确定电流差值IDP是否大于差值阈值Ithr(步骤112)。
如果在步骤112中确定电流差值IDP大于差值阈值Ithr，则DCDP控制模块20a调用(实施)操作的差分保护跳闸模式104(以下称为“DP跳闸模式104”)并且退出有源模式102。在DP跳闸模式104中，DCDP控制模块20a发出将电动机控制器50的逆变器置于安全模式中的命令(步骤116)。电力推进系统包括大电动机负载。在HVDC系统短路期间，逆变器将停止脉冲宽度调制，并且电动机将由于系统惯性而保持旋转。电动机/逆变器系统将再生成故障中的高电流。为了限制故障附带能量，重要的是限制和阻止电动机/逆变器电流反馈到故障中。保护逻辑将通过激活逆变器的有源短路(ASC)模式来使逆变器/电动机处于安全模式，逆变器的顶部和/或底部开关被命令打开，以使电动机短路并阻断再生电流。阻断电动机再生电流对于限制故障中的附带能量是至关重要的。
响应于检测到图1所示的电弧故障3，DCDP控制模块20a被配置为使保护电路系统26闭合逆变器中的所有电源开关并且使电池或总线接触器断开。更具体地，在电弧故障3发生之后，电源开关经受有源短路。使这些电源开关短路具有将再生电流从AC电动机30改向到电动机控制器50而不是电弧故障3的效果。再生的电流将在AC电动机30与电动机控制器50之间循环。更具体地，在交流电动机30中产生的电流通向电源开关并在电动机和电源开关之间循环。通常，电源开关是被设计为处理高电流的固态装置(例如，晶体管)。电源开关由液体冷却剂(油、水和丙二醇的混合物或任何其他介质)主动冷却，这是去除由流过电力装置的故障电流产生的热量的最有效的方式。AC电动机30也被类似的液体冷却剂主动冷却。电动机控制器50中的逆变器的ASC可以在毫秒内被非常快速地命令。因为AC电动机30和电动机控制器50仍然通过液体主动冷却，所以在AC电动机30和电动机控制器50之间循环的短路电流的加热效应由冷却系统主动管理。因此，通过AC电动机30产生的所有能量通过电动机和功率开关中的损耗消散，然后通过主动冷却系统去除。
再次参见图2，在逆变器已被置于安全模式之后，接触器8被命令打开，以便将故障区域与电池组18隔离(步骤118)。来自电池组18的短路电流可以相对较高(>2000ADC/串)，并且迅速将电弧故障3(见图1)与电池组18隔离对于使故障能量最小化是重要的。或者，也可以打开与HVDC电源线4a连接的专用的负载接触器(未示出)，将沟道隔离。故障检测和确认时间选择为大约10-15毫秒。接触器8的打开对于机电装置可以是在10毫秒时间范围内或对于固态开关快得多(<1毫秒)。总电池隔离时间将在20至30毫秒的范围内。
取决于系统设计，DP跳闸模式序列的最后步骤是与故障区域相关联的AC电动机30的任选的机械断开(步骤120)。在AC电动机30旋转并且逆变器处于安全模式的时间期间，电流在AC电动机30与逆变器之间流动，产生损耗和热量。停止电动机旋转将停止在AC电动机30与逆变器之间的电动机反EMF和反馈电流。如果需要，DCDP控制模块20a能够发送模拟控制信号，这些模拟控制信号通过改变螺旋桨桨叶36的螺距来命令调节器42使螺旋桨32顺桨，以减小螺旋桨32上的空气力并停止电动机旋转。更具体地，DCDP控制模块20a能够通过使螺旋桨32顺桨(或脱离电动机机械驱动器)来命令调节器泵(或另一个机械断开电路)停止电动机旋转。螺旋桨顺桨过程可花费长达10秒，在此期间，如果没有采取动作，那么AC电动机30大致充当恒定电流源并继续馈送故障。为了减少在螺旋桨顺桨期间馈送故障的电机再生电流的量，本文所提出的创新技术通过使电机控制器50中的电源开关短路来从故障转移电流，如前所述。
如果在步骤112中确定IDP不大于差值阈值Ithr，则DCDP控制模块20a确定HVDC电源线4a上的电压(VHVDC)是否小于电压极限Vlimit(步骤114)。DCDP控制模块20a将不会检测到DC保护区之外发生的故障。对于电池内部故障，此类故障将通过电池内部保护来隔离，诸如2020年10月9日提交的美国临时专利申请号为63/089，729中所公开的通过中间点电池断开子系统来提供。如果故障引起电压VHVDC足够下降，则电动机/逆变器系统将从电动机/逆变器再生并产生到故障的显著电流。
一方面，如果DCDP控制模块20a在步骤114中确定不满足条件VHVDC<Vlimit和IMC<0，则DCDP控制模块20a返回步骤110。另一方面，如果在步骤114中确定HVDC系统电压VHVDC小于Vlimit并且电流IMC小于零，则DCDP控制模块20a切换到待机模式106。在待机模式106中，DCDP控制模块20a发出将电动机控制器50的逆变器置于安全模式中以阻断再生电流的命令(步骤122)。该动作最小化来自外部故障的故障能量并限制电机/逆变器的贡献。
在逆变器处于安全模式时，DCDP控制模块20a进一步确定HVDC系统电压VHVDC是否大于常数Kv乘以AC电动机30的电动势(EMFmotor)的乘积(步骤124)。一方面，如果在步骤124中确定HVDC系统电压VHVDC不大于Kv×EMFmotor，则逆变器保持在安全模式。另一方面，如果在步骤124中确定HVDC系统电压VHVDC在故障清除之后大于Kv×EMFmotor，则电动机/逆变器将退出安全模式，并且DCDP控制模块20a返回到有源模式102。
常数Kv被称为电动机的电压常数。其值仅取决于电动机设计和构造。该常数使在电动机端子上看到的电压与由电动机产生的电动势(EMF)相关。仅适用于永磁电机。
DC保护区可以通过电流传感器的定位而尽可能加宽。可以通过使用安装在图1所示的各个电池串的中点处的电流传感器来扩展区域。图1所示的示例电池包括由串联连接的电池模块组成的两个电池串。每个电池具有在两个半串之间的中点。图1示出了一对电流传感器16c和16d，其分别感测流过两个电池串的中点的电流。从电流传感器16c和16d到DCDP控制模块20a的输出由图1中的虚线箭头指示。DCDP控制模块20a可以被配置成用于对所有电池串的感测电流进行求和以得到表示由电池组18输出的总电流的测量值，并且然后将来自该电池组的总电流与由电流传感器16b感测到的进入电动机控制器50的电流进行比较。通过这样做，DC保护区包括作为保护区的一部分的电池组18，并且任何电池内部故障将由DCDP控制模块20a检测并且然后被隔离。
电弧故障可作为串行或并行电弧发生。当与负载串联的导体断开时，可能发生串行电弧。然而，电弧电流不能大于负载电流。并行电弧可以在短路或接地故障时发生。短路电弧降低了分隔导体的绝缘体的介电强度，允许高阻抗、低电流电弧故障发展，其使导体的绝缘体碳化，进一步降低分隔导体的绝缘体的有效性。结果可以是增加的电流和快速增加的热能的释放。短路并行电弧故障中的电流流动受到系统阻抗和电弧故障的限制。
以上公开的DC差分保护算法能够以适当的数字滤波来检测线之间的并行电弧以隔离电弧特征(arcing signature)。然而，DC差分保护不能够检测串行电弧，因为在那种情况下不存在电流泄漏。
图3是示出了根据第二实施例的航空航天电力推进系统2的示图，该航空航天电力推进系统从电池组18接收DC电力并且配备有电力差分保护控制模块20b(在下文中“功率DP控制模块20b”)。功率DP控制模块20b被配置为隔离跨接HVDC电源线4a和4b的电弧故障3。
根据图3所示的实施例，功率DP控制模块20b被配置为执行算法，在该算法中根据第一位置处的输入功率和第二位置处的输出功率之间的差是否大于指定差值阈值来控制接触器8的状态。第一和第二位置限定DC电源保护区。
在图3所示的具体实例中，功率DP控制模块20b从感测流出BPDU 28的电流IBPDU的电流传感器16a以及从感测流入电动机控制器50的电流IMC的电流传感器16b接收模拟信号。此外，功率DP控制模块20b从感测电流IBPDU的位置处的电压VBPDU的第一电压传感器(图3中未示出)和感测电流IMC的位置处的电压VMC的第二电压传感器(图3中也未示出)接收模拟信号。然后计算并比较每个位置处的相应功率。
更具体地，计算DC电力保护区的输入处的输入功率PBPDU＝VBPDU*IBPDU和DC电力保护区的输出处的输出功率PMC＝VMC*IMC。然后，通过从输入功率PBPDU中减去输出功率PMC来计算功率差值PDP(PDP＝PBPDU-PMC)。可以使用另外的可选项利用乘积
Figure BDA0003675377790000201
以考虑进料器损耗。在没有故障的情况下，根据能量守恒定律，直流功率保护区的输入和输出之间的功率差值应等于0。功率DP控制模块20b被配置成用于计算功率差值PDP＝PBPDU-PMC，并且然后将PDP与差值阈值Pthr(例如，0.1×Pnominal)进行比较。在DC电力保护区中发生故障的情况下，PBPDU和PMC将不同，因为故障的能量将在PBPDU中看到，但在PMC中看不到。这种保护能够检测线路之间的小泄漏能量并且使故障中的附带能量最小化。
在图3所示的示例实施方式中，功率DP控制模块20b仅监测正HVDC电源线4a中的功率，而不测量负HVDC电源线4b中的功率。另外，测量BPDU 28的输出端处的电压VBPDU和电机控制器50的输入端处的电压VMC。因此，图3所示的差分保护配置在两个测量点之间形成覆盖正HVDC电源线4a的区域。在该区域中线到线故障的情况下，功率DP控制模块20b将计算PDP并感测该故障。
在功率差分保护算法中使用电压增加了保护的灵敏度。功率差分保护算法能够用适当的数字滤波来检测线路之间的并行电弧以隔离电弧特征。对于并行电弧，该算法依赖于感测用于计算PBPDU和PMC的相应电流之间的差值来检测故障。例如，如果电流泄漏是30ADC，在DC功率保护区的两端具有1000VDC的电压，根据电弧的并行或串行特性，功率差分PDP将在几十或百瓦特至几十千瓦的范围内。对于串行电弧放电，该算法依赖于感测用于计算PBPDU和PMC的相应电压之间的差值来检测故障。例如，如果电弧电压是30VDC并且电流是1000ADC，则功率差分PDP将等于30kW减去功率馈线中的损耗。由此，本文提出的功率差分保护技术能够检测并行和串行两种电弧放电。所提出的解决方案使用HVDC线到线(轨到轨)电压监测和单轨电流监测。
一旦在保护区中检测到故障，图3中描绘的功率DP控制模块20b将执行跳闸序列，以隔离故障，使故障能量的最小化。图4是根据一个提出的实施方式的识别由功率DP控制模块20b的控制逻辑执行的算法130的步骤的流程图。在有源模式132中，功率DP控制模块20b首先计算功率PBPDU和PMC，并且然后计算差分保护功率PDP＝PBPDU-PMC(步骤134)。然后，功率DP控制模块20b确定差分保护功率PDP是否大于差分阈值Pthr(步骤136)。
如果在步骤136中确定差分保护功率PDP大于差分阈值Pthr，则功率DP控制模块20b从有源模式132改变到先前描述的DP跳闸模式104。在DP跳闸模式104中，DCDP控制模块20a发出将电动机控制器50的逆变器置于安全模式中的命令(步骤116)。在逆变器被置于安全模式之后，接触器8被命令打开，以便将故障区与电池组18隔离(步骤118)。取决于系统设计，DP跳闸模式序列的最后步骤是与故障区相关联的AC电动机30的任选的机械断开(步骤120)。
如果在步骤136中确定差分保护功率PDP不大于差分阈值Pthr，则功率DP控制模块20b确定HVDC电源线上的电压(VHVDC)是否小于电压极限(Vlimit)并且电流IMC是否小于零(步骤138)。功率DP控制模块20b将不会检测到在保护区之外发生的故障。如前所述，如果故障引起电压VHVDC足够下降，则电动机/逆变器系统将再生并产生从电动机/逆变器到故障的显著电流。
一方面，如果功率DP控制模块20b在步骤138中确定不满足条件VHVDC<Vlimit并且IMC<0，则功率DP控制模块20b返回至步骤132。另一方面，如果在步骤138中确定HVDC系统电压VHVDC小于Vlimit并且电流IMC小于零，则功率DP控制模块20b切换至待机模式106并且以之前参照图2描述的方式执行步骤122和124。
根据图3所示的提出的实施方式，基于在BPDU 28内的位置和电动机控制器50内的位置获取的电流和电压信息计算功率。然而，可以在比电流传感器16a和16b的位置更远的位置处测量电流和电压，以便扩展DC电力保护区的长度。
基于功率的差分保护可以以各种方式实现。功率检测电路可用于处理数据以得出关于电力推进系统的状态是正常还是异常的结论。寻求的异常包括但不限于由于硬故障引起的过电流、高阻抗并行电弧和串行电弧。可以如前所述通过使用电流传感器监测电源和负载处的电流，并且然后确定是否满足过电流条件(例如，如果感测到的电流高于标称电流>50％(硬故障))来容易地检测过电流。
如本文所使用的，术语“硬故障”是指引起系统结构突然改变的故障，其导致从标称操作模式到故障模式的不受控制的转换。软故障引起某些系统结构参数随时间的连续变化，这导致未知的附加干扰。
图5A是表示功率DP控制模块20b在包括电源线4的至少一部分的DC电力保护区5中检测高阻抗并行电弧发生的情况的示图。在图5A所示的情况中，在保护区5的源端A，输入电流IA等于1030A。在此实例中，高阻抗并行电弧产生泄漏电流IC＝30A(由箭头指示)，这导致在DC电力保护区5的负载端B处或附近电流IB＝1000A。源端A和负载端B定义DC电源保护区5，该DC电源保护区5由功率DP控制模块20b监测。根据一个提出的实施方式，保护区5的源端A沿着图1所示的正汇流条38a定位，并且负载端B定位在电动机控制器50内部且在逆变器之前(例如，沿着将电力开关连接到HVDC电源线4a的总线)。
根据图5A所示的实施例，功率DP控制模块20b从电流传感器16a和16b接收分别指示电流IA和1B的大小的传感器数据。此外，功率DP控制模块20b从电压传感器40a和40b接收传感器数据，该传感器数据可被处理以分别测量电源端A和负载端B处或附近的电压VA和VB的大小。
图5B是来自示波器的屏幕截图，示出了在图5A所示的DC电源保护区内发生高阻抗并行电弧期间的电流IA和1B以及电压VA和VB。图5C是示出了根据用于监测图5A中描绘的DC电源保护区5以检测并行电弧的一种方法由功率DP控制模块20b执行的检测算法60的流程图。
根据图5C所示的所提出的实施方式，功率DP控制模块20b包括第一乘法器62，该第一乘法器接收电流IA和电压VA，通过将电流IA乘以电压VA来计算乘积(即，功率PA)，并且然后将功率PA输出至积分器66。功率DP控制模块20b还包括第二乘法器64，其接收电流IB和电压VB，通过将电流IB与电压VB相乘来计算乘积(即，功率PB)，然后将功率PB输出至积分器66。然而，来自第二乘法器64的输出在输入到积分器66之前被反相。然后，积分器66对功率PA和反相的功率PB求和以计算在连续的时刻的功率差值PDP(PDP＝PB-PA)。功率值在一段时间(窗口)上进行积分。积分器66将积分的功率差值∑PDP输出到判定逻辑68。判定逻辑68判定积分功率差∑PDP是否大于指示故障发生的积分功率差值阈值(以下称为“故障阈值Pf”)。故障阈值Pf值的值还基于在一段时间上对功率差进行积分。故障阈值Pf被选择成使得故障阈值Pf的超出量指示存在并行电弧。
一方面，如果判定逻辑68确定积分功率差值∑PDP不大于故障阈值Pf，则判定逻辑68发出指示电源线4的状态为正常的状态信号。另一方面，如果判定逻辑68确定积分功率差值∑PDP大于故障阈值Pf，则判定逻辑68判定存在并行电弧故障并且发出控制信号，该控制信号将功率DP控制模块20b从有源模式132切换至DP跳闸模式104(见图4)。
在图5A描述的场景中，漏电流IC从正常电流路径流动，并且因此，与由电流传感器16a感测的电流相比，电流传感器16b感测成比例地更小的电流。存在由科学文献确认的强假设：取决于在其间泄漏电流的导体的材料，跨DC电弧的电压降可以高于20V。因此，例如，如果漏电流是10A或更高，则在电弧中耗散的功率可以是200W或更高(一些文献揭示出，在汽车工业中，例如，可测量的电弧能量可以高于约50W，而更现实的期望是，用于高电压系统的电弧的功率将高于600W)。功率损失的另一个来源是由电线产生的焦耳热。(焦耳加热是通过其流过导体的电流产生热量的过程。)实际上，由于与较高规格金属丝相关的重量增加，不能消除焦耳加热。因此，假定线电阻在10-100mΩ的范围内是合理的。对于全电力推进应用，负载电流值通常为几百安培。因此，损耗将达到数百瓦。可以合理地假定功率损耗大于300W。
因此，功率DP控制模块20b可被配置为寻找在900W及以上的范围内的作为电压和电流的乘积测量的源端与负载端之间的功率差，包括由于泄漏和电线中的组合损耗。故障阈值Pf的值(超过该值指示并行电弧)可以被设定为等于900W或类似值。为了解决并行电弧(以及串行电弧)的间歇性，功率差值PDP在一段时间上积分以减轻系统的电容和电感效应。为了使功率差值最大化，应当基于在正常操作期间来自电流传感器16b的读数来计算电缆中耗散的功率，因为功率差值PDP本质上是电缆中的功率损耗，而在电弧放电期间，电弧中存在附加功率损耗。
图6A是表示其中功率DP控制模块20b正在检测包括电源线4的至少一部分的DC电力保护区5中发生串行电弧的情况的示图。在图6A所示的情况中，DC电源保护区5的源端A处的输入电流IA＝10A，DC电源保护区5的负载端B处的输出电流IB＝10A。在这个实例中，串行电弧7产生-30V的电压损失。再次，源端A和负载端B定义DC电源保护区5，该DC电源保护区5由功率DP控制模块20b监测。根据一个提出的实施方式，保护区5的源端A沿着图1所示的正汇流条38a定位，并且负载端B定位在电动机控制器50内部且在逆变器之前(例如，沿着将电力开关连接到HVDC电源线4a的总线)。
根据图6A所示的实施例，功率DP控制模块20b从电流传感器16a和16b接收指示电流IA和电流IB的大小的传感器数据。此外，功率DP控制模块20b从电压传感器40a和40b接收传感器数据，该传感器数据分别指示电源端A和负载端B处或附近的电压VA和VB的大小。
图6B是来自示波器的屏幕截图，示出了在图6A中描绘的DC电力保护区内发生串行电弧7期间的电流IA和1B以及电压VA和VB。所包围的片段对应于串行弧的相同实例。VA和VB迹线在不同的时间刻度捕获。图6C是示出由功率DP控制模块20b根据用于监测图6A所示的DC电源保护区以检测串联电弧7的一种方法执行的检测算法70的流程图。
根据图6C中所示的提出的实施方式，功率DP控制模块20b包括第一乘法器62，该第一乘法器接收电流IA和电压VA，通过将电流IA乘以电压VA来计算乘积(即，功率PA)，并且然后将功率PA输出至积分器66。功率DP控制模块20b还包括第二乘法器64，其接收电流IB和电压VB，通过将电流IB与电压VB相乘来计算乘积(即，功率PB)，然后将功率PB输出至积分器66。然而，来自第二乘法器64的输出在输入到积分器66之前被反相。积分器66然后对功率PA和反相的功率PB求和并且在连续的时刻计算功率差值PDP(PDP＝PB-PA)。功率差值在一时间段(窗口)上积分。积分器66将积分的功率差值输出到判定逻辑69。判定逻辑69判定积分功率差值是否大于差值阈值Pthr。差值阈值Pthr值还基于在一段时间上对功率积分，这足以得出关于串行电弧的可持续性会引起对绝缘的损害的结论。超过差值阈值Pthr表明存在系列电弧7。
一方面，如果判定逻辑69确定积分功率差值∑PDP不大于差值阈值Pthr，则判定逻辑69发出指示电源线4的状态为正常的状态信号。另一方面，如果判定逻辑69确定积分功率差值∑PDP大于差值阈值Pthr，则判定逻辑69判定存在串行电弧故障并且发出控制信号，该控制信号将功率DP控制模块20b从有源模式132切换至DP跳闸式104(见图4)。
用于串行电弧7的检测算法70类似于用于检测并行电弧的检测算法60，其中主要差别是在负载端B的在线电压中的较高下降导致功率差分值PDP的值的较大变化。此外，由于电流在源端A和负载端B相同，功率差分值PDP的值的改变的主要贡献者是跨串行电弧的电压降。然而，积分过程允许功率DP控制模块20b包括由电弧产生的低阶或高阶谐波的效应。
在图1和3所示的实施例中，由HVDC配电系统44承载的DC功率由DP控制模块20a监测。图7是示出根据第三实施例的跨航天电力推进系统中的正HVDC电源线4a和负HVDC电源线4b的电弧故障3的示图，所述航天电力推进系统包括监测DC/AC电力保护区的混合功率DP控制模块20c。第三实施例使用功率差分概念在电力保护区中包括功率逆变器(在电动机控制器50中)和可选的电动机绕组(在AC电动机30中)。功率差分概念使得能够实现混合功率DP控制模块20c，该混合功率DP控制模块20c通过使用能量守恒定律在两个电力系统之间建立关系来监测DC/AC电力保护区，该DC/AC电力保护区包含DC电力系统和AC电力系统两者的部分。
根据第三实施例，混合功率DP控制模块20c被配置为执行计算电池DC功率PDC和逆变器/电动机AC功率PAC两者的混合功率差分保护算法。使用从逆变器控制器接收的正交和直流电压Vq和Vd以及分别来自电流传感器16e的正交和直流电流Id和Iq的测量值来计算逆变器/电动机AC功率PAC。然后，混合功率差分保护算法计算AC功率PAC(PAC＝Vd*Id+Vq*Iq)。参数PAC是由逆变器传送至AC电动机30的电功率。
再次参考图7，混合电力差分保护算法还使用电池端子处的电压Vbat和电流Ibat(PDC＝Vbat*Ibat)计算电池组18处的DC功率PDC(是DC/AC电力保护区的输入电力)。混合功率差分保护算法使用计算出的AC功率PAC和计算出的逆变器功率损耗Pinv来将其与计算出的DC功率PDC进行比较。可以使用另外的可选项利用乘积
Figure BDA0003675377790000281
以考虑进料器损耗。在不存在故障的情况下，基于能量守恒定律，DC/AC电力保护区的输入和输出处的功率(PDP)的差值应等于零(PDP＝PAC-PDC＝0)。在DC/AC电力保护区中故障的情况下，PDC和PAC将不同，因为故障的能量将在PDC中看到，而不是在PAC中看到。这种保护能够检测电动机控制器50或AC电动机30内部的相到相之间的小泄漏能量并使故障中的附带能量最小化。
由于系统是浮置的并且相地故障(phase-to-ground fault)不产生任何短路电流，所以混合功率DP控制模块20c仅监测正(或负)轨中的电流并且不需要测量正轨电流和负轨电流，如在接地系统中的情况。用BPDU28(VBPDU)中的一个电压传感器来监测DC电压。对于AC功率PAC，直接使用来自控制回路的正交和直流电压Vq和Vd(用于脉冲宽度调制)而不添加任何电压传感器。从控制回路测量中重新使用正交和直流电流Iq和Id的大小。因此，图7所示的第三实施例产生DC/AC电力保护区，该DC/AC电力保护区在两个测量点之间覆盖HVDC配电系统44和电动机控制器50内的逆变器。在该区域中发生故障的情况下，混合DP保护逻辑将检测PDP并感测该故障。例如，混合功率DP控制模块20c可以被配置成执行图4所示的步骤136，然后如果差分保护功率PDP大于差分阈值Pthr，则按顺序执行步骤116、118和120。
混合式差分保护能够检测小的泄漏电流并随后最小化故障中的附带能量。所提出的概念使得跨逆变器的保护区的延伸能够覆盖一个区中的DC和AC系统两者。相对照地，现有技术的解决方案分别为DC和AC系统实施单独的保护区。使用多个保护带需要大量硬件和控制以实现DC-AC电力转换元件(诸如逆变器)并且使DC-AC电力转换元件不受保护。混合功率DP控制模块20c覆盖DC和AC区两者，包括逆变器，而不在电池中或在逆变器/电动机系统中添加任何重要的硬件(传感器或控制器)。
功率计算算法的使用增加了差分保护的灵敏度。本文所公开的混合功率差分保护算法能够以合适的数字滤波来检测并行电弧和串行电弧以隔离电弧特征。保护方法通过从计算的AC功率PAC中减去计算的DC功率PDC来测量电弧(并行或串行)所产生的能量。基于所测量的具有数字滤波和积分的电弧能量，混合功率DP控制模块20c可以检测重复电弧并将其隔离。对于串行和并行电弧保护，这些特征(signature)可以是不同的并且可以使用不同的滤波算法。
高功率电力推进单元可包括耦接在一起的多个AC电动机和电动机控制器。此外，每个电动机控制器可包括多个逆变器，每个逆变器包括多个功率开关。切换各逆变器的功率开关，向电动机供给三相交流电力。
图8是示出根据第四实施例的包括两个AC电动机30a和30b、两个电动机控制器50a和50b以及HVDC配电系统44的电力推进系统2’中的两个HVDC电源线4a和4b上的电弧故障3的示图。HVDC配电系统44包括HVDC总线52，该HVDC总线52由正和负HVDC汇流条52a和52b组成。HVDC配电系统44还包括将电动机控制器50a和50b连接到HVDC总线52的以下电源线：(a)将电动机控制器50a连接到正HVDC汇流条52a的HVDC电源线4a；(b)将电动机控制器50a连接到负HVDC汇流条52b的HVDC电源线4b；(c)将电动机控制器50b连接到正HVDC汇流条52a的HVDC电源线4c；以及(d)将电动机控制器50b连接到负HVDC汇流条52b的HVDC电源线4d。HVDC电源线4a的源端经由总线接触器8a连接至正HVDC汇流条52a，HVDC电源线4c的源端经由总线接触器8b连接至正HVDC汇流条52a。从正HVDC汇流条52a流入HVDC电源线4a的直流电流由电流传感器16a检测，从正HVDC汇流条52a流入HVDC电源线4c的直流电流由电流传感器16b检测。
图8中所示的电力推进系统2’进一步包括DC/AC电力差分保护系统，该DC/AC电力差分保护系统包括分别连接至电动机控制器50a和50b的一对混合功率DP控制模块20c。此外，一个混合功率DP控制模块20c从电流传感器16a接收电流数据，而另一个混合功率DP控制模块20c从电流传感器16a接收电流数据。过电流保护控制模块14还分别从电流传感器16a和16b接收电流数据。
图8描绘了电弧故障3跨越HVDC电源线4a和4c的场景，HVDC电源线4a和4c两者都连接到电动机控制器50a。混合功率DP控制模块20c被配置为协调以隔离故障电机/逆变器系统(例如，AC电机30a/电机控制器50a)而不使从相同的HVDC总线52馈送的健康电机/逆变器系统(例如，AC电机30b/电机控制器50b)跳闸。在一个分支中的电弧故障3期间，电池组(图8中未示出)将提供显著的短路电流。在HVDC系统短路期间，电压电平会显著下降。如果电压变低(VHVDC<Vlimit)，电动机控制器50a的逆变器内部的脉冲宽度调制过程将停止，并且AC电动机30a将由于系统惯性而保持旋转。电动机/逆变器系统(AC电动机30a/电动机控制器50a)将再生进入电弧故障的大电流。随着电动机转子和相关螺旋桨的惯性，逆变器/电动机可以再生几秒钟，产生显著的短路能量和潜在的损坏。与电动机控制器50a相关联的混合功率DP控制模块20c被配置为使用之前针对图7中所示的实施方式描述的控制逻辑来隔离故障分支。
此外，在短路硬故障期间，由于电压下降(VHVDC<Vlimit)，健康AC电动机30b也可跳入欠电压并且再生为故障。如果故障导致HV系统足够下降，则健康的电动机/逆变器系统(AC电动机30b/电动机控制器50b)将再生并产生从电动机/逆变器到电弧故障3中的显著电流。来自健康电动机的再生电流将有助于在短路中消散的能量并且导致潜在的附加损坏。因为在健康支路中没有泄漏能量，所以差分保护将不激活。为了限制故障附带能量，重要的是限制和阻断健康电机/逆变器电流反馈到故障中。为了最小化外部故障的故障能量并限制电机/逆变器的贡献，如果没有检测到DP跳闸条件并且满足条件VHVDC<Vlimit以及IMC<0，则电机/逆变器将进入安全模式以阻断再生电流。作为安全模式的一部分，逆变器切换到有源短路(ASC)模式。在ASC模式中，发出ASC命令，其使逆变器的顶部和/或底部功率开关组闭合，以便使电动机自身短路并阻断再生电流。电动机再生电流将被阻断。这对于限制故障中的附带能量至关重要。为了限制附带能量，健康电动机控制器将进入安全模式，同时故障被清除。然而，一旦故障被清除，电动机将保持在待机模式并且准备好重新启动。
本文提出的保护逻辑将监测总线电压并且将其与电动机反EMF(使用速度来观察)进行比较。当总线电压重新建立到保证健康电动机不会再生(故障清除)的电压电平时，差分保护逻辑将清除安全模式并重新建立电动机/逆变器的正常操作。一旦故障被清除并且HVDC系统电压VHVDC大于Kv×EMFmotor，则电动机/逆变器将返回到有源模式
虽然已经参考各种实施例描述了用于为电力推进系统提供差分保护的系统和方法，但是本领域技术人员将理解，在不背离本文教导的范围的情况下，可以做出各种改变并且等同物可以替代其元件。此外，在不背离其范围的情况下，可以做出许多修改以使本文中的教导适配于特定情况。因此，意在权利要求不限于本文公开的特定实施例。
本文公开的电力推进控制器、发动机控制单元(也称为发动机控制器)、逆变器控制器和DP控制模块可使用硬件或硬件与软件组合来实现。例如，可使用可配置硬件、可编程装置或两者来实施控制器或控制模块。可配置硬件可包括可配置以执行控制器的一个或多个功能的硬件。可编程装置可以包括可编程以实现控制器的一个或多个功能的任何装置。例如但不限于，可编程装置可包括中央处理单元、微处理器或数字信号处理器。可编程装置可以被配置为以程序指令的形式运行软件或固件，以实现控制器的一个或多个功能。程序指令可以存储在任何适当的非临时性有形计算机可读存储介质中，用于由可编程装置执行或转移到可编程装置。
具体地，本文公开的DP控制模块根据控制逻辑来配置，所述控制逻辑包括用于提供本文公开的差分保护的算法中的一个或多个。控制模块可以是可以软件、硬件或其组合实现的不同功能的单元。当控制模块的功能通过软件在任何部分中执行时，模块可包括非暂态有形计算机可读存储介质。以上公开的方法可以采用流式(或即时)计算，在这种情况下，被配置为执行那些计算的控制模块适合于FPGA或ASIC或其他基于硬件的实现。
本文中描述和要求保护的方法可包括被编码为在非暂时性有形计算机可读存储介质(包括但不限于存储设备和/或存储器设备)中体现的可执行指令的步骤。这样的指令，当由处理或计算系统执行时，使得系统装置执行本文描述的方法的至少一部分。
在所附的方法权利要求中，步骤的任何字母顺序仅仅是为了使随后的对先行步骤的短手引用成为可能，而不是为了将权利要求的范围限制为要求按照字母顺序来执行方法步骤。
注意：以下项描述了本公开的进一步方面。
A1.一种电力推进系统，包括：
电池组，包括并联的电池模块串；
汇流条，连接成从电池组接收DC电力；
电源线，连接成从汇流条接收DC电力；
电动机控制器，连接成从电源线接收DC电力，并被配置成将DC电力转换成AC电力；
AC电动机，连接成从电动机控制器接收AC电力；
第一电流传感器，连接成感测由电池组供应到包括电源线的至少一部分的保护区的第一端的第一电流，并被配置为输出表示第一电流的大小的第一传感器数据；
第一电压传感器，连接成感测保护区电流的第一端处的第一电压，并被配置为输出表示第一电压的大小的第二传感器数据；
第二电流传感器，连接成感测在保护区的第二端处提供给电动机控制器的第二电流，并且被配置为输出表示第二电流的大小的第三传感器数据；
第二电压传感器，连接成感测保护区电流的所述第二端处的第二电压，并且被配置为输出表示第二电压的大小的第四传感器数据；以及
差分保护控制模块，连接成接收第一传感器数据至第四传感器数据，其中，差分保护控制模块被配置为执行包括以下的操作：
(a)基于在时间窗口期间的一系列时刻接收到的第一传感器数据至第四传感器数据计算积分功率差值，其中，积分功率差值通过对保护区的第一端处的第一功率与保护区的第二端处的第二功率之间的差值进行积分来导出；
(b)确定积分功率差值超过指示保护区中的故障的积分差值阈值；以及
(c)响应于操作(b)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作。
A2.根据项A1所述的电力推进系统，其中，保护区的第一端沿汇流条定位。
A3.根据项A1所述的电力推进系统，其中，保护区的第二端位于电机控制器的内部。
A4.一种用于保护电力推进系统的方法，所述方法包括：
(a)感测在保护区的第一端处由电池组供应的DC电流，该保护区包括电源线的至少一部分，该电源线被连接成接收来自该电池组的DC电流并且将DC电流供应至电动机控制器；
(b)感测由电动机控制器在保护区的第二端处供应给交流电动机的交流电流；
(c)感测保护区的第一端处的DC电压；
(d)感测保护区的第二端处的AC电压；
(e)接收表示在步骤(a)中感测的DC电流的大小的传感器数据；
(f)接收表示在步骤(b)中感测的AC电流的大小的传感器数据；
(g)接收表示在步骤(c)中感测的DC电压的大小的传感器数据；
(h)接收表示在步骤(d)中感测的AC电压的大小的传感器数据；
(i)基于在时间窗口期间的一系列时刻在步骤(e)至(h)中接收到的大小以及该电动机控制器内部的功率损耗大小来计算积分功率差值，其中，该积分功率差值是通过对在保护区的第一端处的第一功率与保护区的第二端处的第二功率之间的差值减去功率损耗进行积分而得到的；
(j)确定积分功率差值超过指示保护区中的故障的积分差值阈值；
(k)响应于步骤(j)命令电力推进系统在隔离故障的模式下操作；并且
(l)在隔离故障的模式下操作电力推进系统，
其中，步骤(e)至(k)由差分保护控制模块执行。

Claims (15)

1.一种用于保护电力推进系统的方法，所述方法包括：
(a)感测在保护区的第一端处由电池组供应的第一电流，所述保护区包括电源线的至少一部分，所述电源线被连接成接收来自所述电池组的电流并且将电流供应至电动机控制器；
(b)感测在所述保护区的第二端处供应给所述电动机控制器的第二电流；
(c)接收表示在步骤(a)中感测的所述第一电流的大小的传感器数据；
(d)接收表示在步骤(b)中感测的所述第二电流的大小的传感器数据；
(e)计算等于所述第一电流的大小和所述第二电流的大小之间的差值的电流差值；
(f)确定所述电流差值超过指示所述保护区中的故障的差值阈值；
(g)响应于步骤(f)命令所述电力推进系统在隔离所述故障的模式下操作；并且
(h)以隔离所述故障的模式操作所述电力推进系统，
其中，步骤(c)至(g)由差分保护控制模块执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括使用电流传感器感测由所述电池组供应的电流，所述电流传感器沿着连接到所述电池组的汇流条定位。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括使用分别沿着所述电池组的多个电池串定位的多个电流传感器感测由所述电池组供应的电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(h)包括改变所述电动机控制器中的电源开关的状态，以使连接至所述电动机控制器的交流电动机短路，从而阻断由所述交流电动机再生的电流到达所述电源线。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，步骤(h)进一步包括打开设置在所述保护区的所述第一端与所述电池组之间的接触器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，步骤(h)进一步包括将所述保护区的所述第二端与所述交流电动机机械地断开。
7.一种电力推进系统，包括：
电池组，包括多个电池模块串；
汇流条，连接成从所述电池组接收直流电力；
电源线，连接成从所述汇流条接收直流电力；
电动机控制器，连接成从所述电源线接收直流电力，并被配置成将所述直流电力转换成交流电力；
交流电动机，连接成从所述电动机控制器接收所述交流电力；
一个或多个第一电流传感器，连接成感测由所述电池组供应给包括所述电源线的至少一部分的保护区的第一端的第一电流，并被配置为输出表示所述第一电流的大小的第一传感器数据；
第二电流传感器，连接成感测在所述保护区的第二端处供应给所述电动机控制器的第二电流，并且被配置为输出表示所述第二电流的大小的第二传感器数据；以及
差分保护控制模块，连接成接收所述第一传感器数据和所述第二传感器数据，其中，所述差分保护控制模块被配置为执行包括以下的操作：
(a)计算等于所述第一电流的大小和所述第二电流的大小之间的差值的电流差值；
(b)确定所述电流差值超过指示所述保护区中的故障的差值阈值；并且
(c)响应于操作(b)命令所述电力推进系统在隔离故障的模式下操作。
8.根据权利要求7所述的电力推进系统，进一步包括机械地耦接至所述交流电动机的螺旋桨。
9.根据权利要求7所述的电力推进系统，其中，所述第一电流传感器沿着所述汇流条定位。
10.根据权利要求7所述的电力推进系统，其中，多个所述第一电流传感器分别沿着所述多个电池模块串定位。
11.一种用于保护电力推进系统的方法，所述方法包括：
(a)感测在保护区的第一端处由电池组供应的第一电流，所述保护区包括电源线的至少一部分，所述电源线被连接成接收来自所述电池组的电流并且将电流供应至电动机控制器；
(b)感测在该保护区的第二端处供应给所述电动机控制器的第二电流；
(c)感测所述保护区的所述第一端处的第一电压；
(d)感测所述保护区的所述第二端处的第二电压；
(e)接收表示在步骤(a)中感测的所述第一电流的大小的传感器数据；
(f)接收表示在步骤(b)中感测的所述第二电流的大小的传感器数据；
(g)接收表示在步骤(c)中感测的所述第一电压的大小的传感器数据；
(h)接收表示在步骤(d)中感测的所述第二电压的大小的传感器数据；
(i)基于在时间窗口期间在连续时刻在步骤(e)至(h)中接收的大小来计算积分功率差值，其中，通过对所述保护区的第一端处的第一功率与所述保护区的第二端处的第二功率之间的差值进行积分来导出所述积分功率差值；
(j)确定所述积分功率差值超过指示所述保护区中的故障的积分差值阈值；
(k)响应于步骤(j)命令所述电力推进系统在隔离所述故障的模式下操作；并且
(l)在隔离所述故障的模式下操作所述电力推进系统，
其中，步骤(e)至(k)由差分保护控制模块执行。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，步骤(I)包括改变所述电动机控制器中的电源开关的状态以使连接至所述电动机控制器的交流电动机短路，从而阻断由所述交流电动机再生的电流到达所述电源线。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(I)进一步包括打开设置在所述保护区的所述第一端与所述电池组之间的接触器，并且将所述交流电机与所述保护区的所述第二端机械地断开。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述保护区的所述第一端沿着连接到所述电池组的电池模块的多个并联串的汇流条定位。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述保护区的所述第二端位于所述电机控制器的内部。
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