CN108808839A - 高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，属于船舰电源控制技术领域。包括以下步骤：采样隔离型直流变换器母线电容两端的电压，确定该电压所处的等级，采样电源交流供电侧输入电压及电流，随后根据电压等级及输入电压大小得到电源需要处于的供电状态，同时根据输入电流判定整流器是否发生故障。优点：当电源直流供电侧发生故障时，蓄电池供电侧能快速工作，实现负载侧不间断供电的目的；在切换过程中经历的中间状态，对蓄电池侧的升压变换器电流限幅，达到保护元器件的目的。

Description

高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法

技术领域

本发明属于船舰电源控制技术领域，具体涉及一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法。

背景技术

为了保证舰用直流电源的为负载供电的可靠性，要求电源输入侧在交流供电转换到蓄电池供电时的快速切换过程中保证电源为负载的供电不间断。图1示意了一种高频隔离电源，其输入侧供电策略是，当三相交流供电侧发生故障时，控制交流供电侧电磁开关电磁开关断开，在交流供电侧电磁开关断开后，控制蓄电池供电侧的电磁开关闭合。在实际应用中发现，在上述切换过程中，由于中间母线电压跌落，直流电源输出电压也会相应跌落，因而无法满足供电的可靠性。

中国发明专利授权公告号CN105305599B介绍的“一种舰用UPS电源设备”，其保证电源进行不间断供电的策略是在主电源回路和旁路电源回路均安装手动开关和静态开关这两种开关，由静态开关实现主电源回路到旁路电源回路的快速切换，以此达到电源不间断供电的目的。但在该方案中，开关使用频繁，折旧厉害，并且电源体积较大，功率密度较低。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，可以保证直流电源不间断供电。

本发明的目的是这样来达到的，一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)采样直流电源三相交流供电侧输入电压V_{in_AC}及三相输入电流I_{in_AC}，经锁相环获取电流相角θ_i，采样隔离型直流变换器母线电容电压V_bus；

S2)对电源隔离型直流变换器母线电容电压V_bus按大小设定若干等级，监测实时母线电容电压V_bus，并确定母线电容电压V_bus所处的电压等级；

S3)根据直流电源交流供电侧输入电压V_{in_AC}的大小、输入电流I_{in_AC}的大小及两次采样周期获得的电流相角的差值Δθ_i，来确定电源需要处于的供电状态。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的步骤S1)又包括如下步骤：

S11)采样直流电源交流供电侧的三相输入电压V_{in_AC}，将采样数据送到数字信号处理器，由数字信号处理器判定三相输入电压V_{in_AC}幅值是否在直流电源正常运行时所允许的电压幅值范围内，如果任意一相输入电压V_{in_AC}小于允许的最低电压，则表示交流供电侧输入电压V_{in_AC}异常，如果输入电压V_{in_AC}在允许电压范围内，则表示交流供电侧输入电压V_{in_AC}正常；

S12)采样直流电源交流供电侧的三相输入电流I_{in_AC}，经锁相环获取电流相角θ_i，将电流幅值及电流相角θ_i送入数字信号处理器，由数字信号处理器根据预先设定好的程序判定输入电流I_{in_AC}是否大于直流电源所允许的最大输入电流I_{in_AC,max}，如果任意一相输入电流I_{in_AC}大于最大输入电流I_{in_AC,max}，则数字信号处理器判定此时直流电源发生短路，数字信号处理器立即执行短路保护，同时，数字信号处理器将两采样周期电流相角θ_i之差Δθ_i与预先设定的阈值Th进行比较，如果Δθ_i大于Th，则说明直流电源正常，反之，则说明直流电源三相供电侧的整流器发生开路故障。

在本发明的另一个具体的实施例中，在所述的步骤S2)中，将确保负载侧电源输出电压为额定电压时的电源隔离型直流变换器母线电容电压V_bus的正常电压设为V_bus,N，最低电压设为V_bus,min，在正常电压V_bus,N与最低电压V_bus,min之间取两个中间值，该两个中间值分别定义为V_m1和V_m2，且V_m1>V_m2，为使V_m1与V_m2差值明显，可直接将V_bus,N与V_bus,min进行三等分，中间两个值即为V_m1和V_m2，所述的电容电压由V_{bus_N}、V_m1、V_m2以及V_bus,min划分为三个等级，实时采样母线电容电压V_bus并由数字信号处理器根据所采样获得的电容电压与预先设定的V_{bus_N}、V_m1、V_m2以及V_bus,min比较，判定此时母线电容电压V_bus所处的电压等级。

在本发明的又一个具体的实施例中，在所述的步骤S3)又包括如下步骤：

S31)当电源初始状态处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_bus<V_m1，则电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态；如果V_bus>V_m1，则电源仍工作于整流器正常运行状态；

S32)当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_{in_AC}恢复正常且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态；如果判定V_{in_AC}异常且V_bus<V_m2，或者判定V_{in_AC}正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行阶段，同时整流器退出；

S33)当电源处于升压变换器独立运行状态时，如果数字信号处理器判定V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压变压器并联运行状态；如果判定V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压变压器独立运行阶段。

在本发明的再一个具体的实施例中，在所述的步骤S31)中，在交流供电侧正常供电时，控制交流供电侧以及蓄电池供电侧的电磁开关闭合，控制升压变换器的功率开关器件关断，此时母线电容电压V_bus大于蓄电池电压，升压变换器二极管处于截止状态，蓄电池不为后一级的隔离直流-直流变换器供电。

在本发明的还有一个具体的实施例中，在步骤S31)中，当V_m1<V_bus<V_bus,N,数字信号处理器控制整流器运行而升压变换器不运行，若数字信号处理器判定整流器发生故障，则数字信号处理器控制整流器所有功率开关器件关断，同时控制升压变换器立即运行。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的整流器与升压变换器并联运行状态是指，无论交流供电侧是否失电，隔离型直流变换器和升压变换器的控制回路均正常工作。

在本发明的进而一个具体的实施例中，在所述的整流器与升压变换器并联运行状态下，在升压变换器开关管的控制模块中进行对电流限幅，用于防止升压变换器瞬间过流。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，在所述的步骤S33)中，在升压变换器独立运行阶段，当母线电容电压V_bus<V_m2时，数字信号处理器控制整流器所有功率开关器件和整流器电磁开关关断，并控制升压变换器立即运行，同时升压变换器的控制模块撤销对升压变换器的电流限幅，使蓄电池独立为负载供电，达到输出电压不间断的目的。

本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：当电源交流供电侧发生故障时，蓄电池供电侧能快速工作，达到负载侧电压不间断的目的；而在切换过程中经历的中间状态，通过对蓄电池侧的升压变换器进行电流限幅以达到保护元器件的目的。

附图说明

图1为现有高频隔离直流电源电路的结构示意图。

图2为本发明的协调控制策略的流程示意图。

图3为本发明所述的隔离型直流变换器母线电容电压的等级示意图。

图4为本发明处于整流器与升压变换器并联运行状态下的电路示意图以及升压变换器控制框图。

图5为本发明在升压变换器独立运行状态下的电路示意图以及升压变换器的控制框图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，图1示意了现有高频隔离直流电源电路的结构示意图。主要包括整流器、隔离型直流变换器以及升压变换器，所述的整流器的输入侧连接三相交流供电侧，所述的升压变压器的输入侧连接蓄电池供电侧，整流器的输出侧及升压变压器的输出侧以并联的方式共同连接隔离型直流变换器的输入侧，隔离型直流变换器在两输入端的母线之间跨接有电容，隔离型直流变换器的输出端连接负载。上述结构中，主电源为三相交流电，经整流器转换为直流电，旁路供电侧由蓄电池经升压变换器构成。供电侧后接隔离型直流变换器，隔离型直流变换器母线上的电容是本发明所要研究的对象。本发明所述的协调控制策略能够在不改变图1的电路拓扑的基础上实现***输出电压不间断的目的。

本发明涉及一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，包括如下步骤：

S1)采样直流电源三相交流供电侧输入电压V_{in_AC}及三相输入电流I_{in_AC}，经锁相环获取电流相角θ_i，采样隔离型直流变换器母线电容电压V_bus；

S2)对电源隔离型直流变换器母线电容电压V_bus按大小设定若干等级，监测实时母线电容电压V_bus，并确定母线电容电压V_bus所处的电压等级；

S3)根据直流电源交流供电侧输入电压V_{in_AC}的大小、输入电流I_{in_AC}的大小及两次采样周期获得的电流相角的差值Δθ_i，来确定电源需要处于的供电状态。

进一步地，所述的步骤S1)又包括如下步骤：

S11)采样电源交流供电侧的三相输入电压V_{in_AC}，将采样数据送到数字信号处理器，由数字信号处理器判定三相输入电压V_{in_AC}幅值是否在直流电源正常运行时所允许的电压幅值范围内，如果任意一相输入电压V_{in_AC}小于允许的最低电压，则表示交流供电侧输入电压V_{in_AC}异常，如果输入电压V_{in_AC}在允许电压范围内，则表示交流供电侧输入电压V_{in_AC}正常；

S12)采样直流电源交流供电侧的三相输入电流I_{in_AC}，经锁相环获取电流相角θ_i，将电流幅值及电流相角θ_i送入数字信号处理器，由数字信号处理器根据预先设定好的程序判定输入电流I_{in_AC}是否大于直流电源所允许的最大输入电流I_{in_AC,max}，如果任意一相输入电流I_{in_AC}大于最大输入电流I_{in_AC,max}，则数字信号处理器判定此时直流电源发生短路，数字信号处理器立即执行短路保护，另一方面，数字信号处理器将两采样周期电流相角θ_i之差Δθ_i与预先设定的阈值Th进行比较，如果Δθ_i大于Th，则说明直流电源正常，反之，直流电源三相供电侧的整流器发生开路故障。以上的短路故障和开路故障在此统称为整流器异常。

进一步地，所述的步骤S12)中，采样获得的三相输入电流i_a、i_b、i_c经坐标变换到两相静止坐标系中，有：

那么，电流相角θ_i可通过以下公式(2)获得：

当整流器正常运行时，输入电流矢量的幅值不变，而相角从0～2π变化，那么在每个采样周期，可取工频周期的十二分之一，设频率为f_S，那么相角差Δθ_i为：

由上述公式(3)可知，在整流器正常运行时，Δθ_i是不变的。当整流器开关管存在开路时，必然存在因开关管开路而输入电流为零的时间段，显然此时Δθ_i＝0。那么，预先设定阈值Th为Th＝0.3Δθ_i,normal，其中Δθ_i,normal为正常运行时的相角差，则当Δθ_i降低到小于阈值Th时，即可判定整流器存在开路故障，整流器异常。该方法称为Park矢量法，是判断整流器开路异常使用最广泛的方法之一。

进一步地，所述的步骤S2)中，将确保负载侧电源输出电压为额定电压时的电源隔离型直流变换器母线电容电压V_bus的正常电压设为V_bus,N，最低电压设为V_bus,min，在正常电压V_bus,N与最低电压V_bus,min之间取两个中间值，该两个中间值分别定义为V_m1和V_m2，且V_m1>V_m2，为使V_m1与V_m2差值明显，可直接将V_bus,N与V_bus,min进行三等分，中间两个值即为V_m1和V_m2，所述的电容电压由V_{bus_N}、V_m1、V_m2以及V_bus,min划分为三个等级，实时采样母线电容电压V_bus并由数字信号处理器根据所采样获得的电容电压与预先设定的V_{bus_N}、V_m1、V_m2以及V_bus,min比较，判定此时母线电容电压V_bus所处的电压等级。

进一步地，在所述的步骤S3)又包括如下步骤：

S31)当电源初始状态处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_bus<V_m1，则三相交流供电侧与蓄电池侧的控制模块同时工作发出PWM波以控制开关管的开通与关断，使电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态，交流供电侧与蓄电池侧同时为后一级的直流-直流变换器供电；如果V_bus>V_m1，则电源仍工作于整流器正常运行状态，即升压变换器开关管控制模块输出低电平，开关管关断；

S32)当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_{in_AC}恢复正常且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态，此时升压变换器开关管控制模块输出低电平，开关管关断；如果判定V_{in_AC}异常且V_bus<V_m2，或者判定V_{in_AC}正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行阶段，升压变换器的控制模块发出PWM波以控制开关管的开通与关断，蓄电池向后一级电路供电，同时整流器控制模块发出低电平使开关管均关断而使整流器退出运行；

S33)当电源处于升压变换器独立运行状态时，如果数字信号处理器判定V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压电路并联运行状态；如果判定V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压电路独立运行阶段。

其中，所述的整流器与升压变换器并联运行状态是指，无论交流供电侧是否失电，隔离型直流变换器和升压变换器的控制回路均正常工作。

进一步地，在整流器与升压变换器并联运行状态下，为了尽快使母线电容电压V_bus恢复到正常值，需要瞬间给升压变换器开关管一个比较大的占空比，即升压变换器的控制模块发出占空比较大的PWM波。此外，为了防止升压变换器瞬间过流，需要在升压变换器开关管的控制模块中实现电流限幅。

进一步地，在所述的步骤S31)中，在交流供电侧正常供电时，控制交流供电侧以及蓄电池供电侧的电磁开关闭合，控制升压变换器的所有功率开关器件关断，此时母线电容电压V_bus大于蓄电池电压，升压变换器二极管处于截止状态，蓄电池不为后一级的隔离直流-直流变换器供电，并且当母线电容电压V_bus处于V_m1～V_bus,N之间的电压跌落阶段，即V_m1<V_bus<V_bus,N时,允许仅整流器运行而升压变换器不运行，即此时整流器控制模块仍按照预定程序正常发出PWM波控制开关管实现整流，并且升压变换器的控制模块输出低电平而使开关管保持关断。

进一步地，在所述的步骤S33)中，在升压变换器独立运行阶段，当母线电容电压V_bus<V_m2时，控制整流器所有功率开关器件关断，并关断整流器交流供电侧电磁开关，同时放开升压变换器的电流限幅，使蓄电池独立为负载供电，达到输出电压不间断的目的。

以下，结合附图对本发明做进一步说明。

请参阅图2和图3，假定电源初始状态为处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电，如果数字信号处理器通过分析采样得到的母线电容电压，发现母线电容电压V_bus<V_m1，则电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态；如果V_bus>V_m1，则电源仍工作于整流器正常运行状态。当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态，如果数字信号处理器通过分析采样得到的输入电压及输入电流，检测到输入电压V_{in_AC}恢复正常，并且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态；如果检测到输入电压V_{in_AC}异常，母线电容电压V_bus下降，出现V_bus<V_m2，或输入电压V_{in_AC}恢复正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行阶段，整流器退出；如果检测到输入电压V_{in_AC}异常，母线电容电压V_bus处于V_m1～V_m2之间，则电源仍处于整流器与升压变换器并联运行状态。当电源处于升压变换器独立运行状态，如果检测到输入电压V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压变换器并联运行状态；如果检测到输入电压V_{in_AC}异常，电源仍处于升压变换器独立运行阶段。

请参阅图4，当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，交流供电侧及蓄电池供电侧控制模块输出高电平控制电磁开关的供电回路使电磁开关得电而均保持闭合，整流器及升压变换器控制回路均保持正常工作。其中，在升压变换器回路中，控制模块需要对电流进行限幅，用于防止升压变换器电路以一个较大的占空比启动时瞬时出现过大的电流，从而能够有效保护电路中的元器件。

请参阅图5，当电源处于升压变换器独立运行状态时，当数字信号处理器确定交流输入电压或输入电流异常、并且母线电容电压V_bus下降到V_m2以下，此时要放开对升压变换器电流的限幅，同时交流供电侧控制回路发出低电平信号使电磁开关失电而跳开，整流桥驱动闭锁，实现蓄电池独立为负载供电。

Claims (9)

1.一种高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)采样直流电源三相交流供电侧输入电压V_{in_AC}及三相输入电流I_{in_AC}，经锁相环获取电流相角θ_i，采样隔离型直流变换器母线电容电压V_bus；

S2)对电源隔离型直流变换器母线电容电压V_bus按大小设定若干等级，监测实时母线电容电压V_bus，并确定母线电容电压V_bus所处的电压等级；

S3)根据直流电源交流供电侧输入电压V_{in_AC}的大小、输入电流I_{in_AC}的大小及两次采样周期获得的电流相角的差值Δθ_i，来确定电源需要处于的供电状态。

2.根据权利要求1所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于所述的步骤S1)又包括如下步骤：

S11)采样直流电源交流供电侧的三相输入电压V_{in_AC}，将采样数据送到数字信号处理器，由数字信号处理器判定三相输入电压V_{in_AC}幅值是否在直流电源正常运行时所允许的电压幅值范围内，如果任意一相输入电压V_{in_AC}小于允许的最低电压，则表示交流供电侧输入电压V_{in_AC}异常，如果输入电压V_{in_AC}在允许电压范围内，则表示交流供电侧输入电压V_{in_AC}正常；

S12)采样直流电源交流供电侧的三相输入电流I_{in_AC}，经锁相环获取电流相角θ_i，将电流幅值及电流相角θ_i送入数字信号处理器，由数字信号处理器根据预先设定好的程序判定输入电流I_{in_AC}是否大于直流电源所允许的最大输入电流I_{in_AC,max}，如果任意一相输入电流I_{in_AC}大于最大输入电流I_{in_AC,max}，则数字信号处理器判定此时直流电源发生短路，数字信号处理器立即执行短路保护，同时，数字信号处理器将两采样周期电流相角θ_i之差Δθ_i与预先设定的阈值Th进行比较，如果Δθ_i大于Th，则说明直流电源正常，反之，则说明直流电源三相供电侧的整流器发生开路故障。

3.根据权利要求1所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S2)中，将确保负载侧电源输出电压为额定电压时的电源隔离型直流变换器母线电容电压V_bus的正常电压设为V_bus,N，最低电压设为V_bus,min，在正常电压V_bus,N与最低电压V_bus,min之间取两个中间值，该两个中间值分别定义为V_m1和V_m2，且V_m1>V_m2，实时采样母线电容电压V_bus并由数字信号处理器根据所采样获得的电容电压与预先设定的V_{bus_N}、V_m1、V_m2以及V_bus,min比较，判定此时母线电容电压V_bus所处的电压等级。

4.根据权利要求3所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S3)又包括如下步骤：

S31)当电源初始状态处于整流器正常工作状态，即仅由交流供电侧供电时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_bus<V_m1，则电源将进入整流器与升压变换器并联运行状态；如果V_bus>V_m1，则电源仍工作于整流器正常运行状态；

S32)当电源处于整流器与升压变换器并联运行状态时，如果数字信号处理器通过分析输入电压采样值判定V_{in_AC}恢复正常且整流器正常，则电源返回整流器正常运行状态；如果判定V_{in_AC}异常且V_bus<V_m2，或者判定V_{in_AC}正常而整流器异常，则电源将进入升压变换器独立运行阶段，同时整流器退出；

S33)当电源处于升压变换器独立运行状态时，如果数字信号处理器判定V_{in_AC}恢复正常，则电源返回整流器与升压变压器并联运行状态；如果判定V_{in_AC}异常，则电源仍处于升压变压器独立运行阶段。

5.根据权利要求4所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S31)中，在交流供电侧正常供电时，控制交流供电侧以及蓄电池供电侧的电磁开关闭合，控制升压变换器的功率开关器件关断，此时母线电容电压V_bus大于蓄电池电压，升压变换器二极管处于截止状态，蓄电池不为后一级的隔离直流-直流变换器供电。

6.根据权利要求4所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在步骤S31)中，当V_m1<V_bus<V_bus,N,数字信号处理器控制整流器运行而升压变换器不运行，若数字信号处理器判定整流器发生故障，则数字信号处理器控制整流器所有功率开关器件关断，同时控制升压变换器立即运行。

7.根据权利要求4所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于所述的整流器与升压变换器并联运行状态是指，无论交流供电侧是否失电，隔离型直流变换器和升压变换器的控制回路均正常工作。

8.根据权利要求4所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的整流器与升压变换器并联运行状态下，在升压变换器开关管的控制模块中进行对电流限幅，用于防止升压变换器瞬间过流。

9.根据权利要求4所述的高频隔离舰用直流电源的多功率模块协调控制方法，其特征在于在所述的步骤S33)中，在升压变换器独立运行阶段，当母线电容电压V_bus<V_m2时，数字信号处理器控制整流器所有功率开关器件和整流器电磁开关关断，并控制升压变换器立即运行，同时升压变换器的控制模块撤销对升压变换器的电流限幅，使蓄电池独立为负载供电，达到输出电压不间断的目的。