專利名稱：用于功率質(zhì)量保護(hù)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子設(shè)備領(lǐng)域，且更具體地涉及用于電功率質(zhì)量保護(hù)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
功率質(zhì)量在現(xiàn)代航天/軍用工業(yè)中扮演重要的角色。在用于飛行器和航天器的更加電氣化的架構(gòu)(more electric architecture, MEA)的領(lǐng)域中尤其如此。商用飛行器行業(yè)正朝著具有電氣無引氣環(huán)境控制系統(tǒng)(environmental control system, ECS)、電氣可變頻率(variable-frequency, VF)配電系統(tǒng)、以及電氣作動 (actuation)發(fā)展。典型的示例是現(xiàn)有的波音787平臺。而且，空中客車A350飛機(jī)將并入大量的MEA元件。將來，下一代波音飛機(jī)(737的替代者)和下一代空中客車飛機(jī)(A320的替代者)將很可能使用MEA。一些軍用飛行器已經(jīng)利用MEA，除了其它功能以外，以用于主要和輔助飛行控制。軍用地面交通工具已經(jīng)朝著混合電氣技術(shù)遷移，其中主要的推動力由電驅(qū)動來執(zhí)行。因此，這些領(lǐng)域中出現(xiàn)了對于增長的電力電子設(shè)備的相當(dāng)大的需求。未來的空間交通工具將需要電功率生成系統(tǒng)，以用于推力矢量和飛行控制作動。 這些系統(tǒng)必須更加魯棒，并且與許多現(xiàn)有的空間穿梭機(jī)功率系統(tǒng)相比提供了安全性以及極大地減少的操作成本。這些新的MEA航天和軍用趨勢顯著增加了所安裝的電源和負(fù)載，連同使電氣設(shè)備適應(yīng)新的平臺的挑戰(zhàn)。這已經(jīng)導(dǎo)致增加的操作電壓以及減少系統(tǒng)損耗、重量和體積的努力。 已經(jīng)創(chuàng)建了一組新的電功率質(zhì)量要求來滿足系統(tǒng)性能。傳統(tǒng)上，需要源(發(fā)電機(jī))來維持一定的功率質(zhì)量要求，并且它們的負(fù)載要能夠在這些要求下操作。而且，需要所述負(fù)載在配電總線上不產(chǎn)生一定級別之上的功率質(zhì)量干擾。另外，由于大量的安裝的電氣設(shè)備以及它們復(fù)雜的相互作用的原因，增加了功率質(zhì)量問題的可能性。需要功率質(zhì)量允許在相同的配電總線上安裝的源和負(fù)載之間的兼容性。典型的飛行器電功率系統(tǒng)由主電源、應(yīng)急電源、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備、控制/保護(hù)設(shè)備、以及互連網(wǎng)絡(luò)(即， 線、電纜和連接器)組成。主電源包括主發(fā)電機(jī)，其由飛行器推進(jìn)力引擎驅(qū)動。應(yīng)急功率從飛行器電池、獨(dú)立于飛行器的輔助功率單元(Auxiliary power unit, APU)、以及飛行器沖壓空氣或者液壓驅(qū)動的發(fā)電機(jī)引出。針對AC電氣設(shè)備的功率質(zhì)量要求由大量參數(shù)組成。這些參數(shù)中的一些包括電流失真、突入電流、電壓失真、電壓調(diào)制、功率因子、相位平衡和DC含量。由AC諧波構(gòu)成的電流失真是電氣設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)驅(qū)動因素。對于電流諧波、分諧波以及間諧波的要求將可允許的失真指定為設(shè)備輸入電壓的基頻的倍數(shù)的函數(shù)。典型的AC電流諧波包括高達(dá)39的所有奇次諧波，其限度是從最大電流基頻的百分之十到百分之0.25。電流失真要求是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)驅(qū)動因素，這是因?yàn)槠渫ǔｏ@著地影響設(shè)備重量。電流失真也被指定為設(shè)備的額定功率的函數(shù)，這是因?yàn)楦吖β试O(shè)備對電源總線具有更大影響。針對功率質(zhì)量的廣泛使用的規(guī)范是MIL-STD-704-A到F的空中客車 ABDO100 和波音 TBD。對于MEA飛行器而言功率質(zhì)量是主要關(guān)心要素，這是因?yàn)榇罅康碾姽β氏到y(tǒng)和設(shè)備安裝在相同的電氣總線上。這些系統(tǒng)和設(shè)備的功率質(zhì)量具有嚴(yán)格的要求，以確保所有功率供應(yīng)/利用設(shè)備一起適當(dāng)?shù)仄鹱饔?。對于電源設(shè)備，實(shí)施額外的監(jiān)視特征來對可能經(jīng)受功率質(zhì)量問題的設(shè)備或者設(shè)備組進(jìn)行檢測和隔離。此隔離能力是用來保護(hù)其它的工作的功率供應(yīng)和利用設(shè)備。對于功率利用設(shè)備，施加嚴(yán)格的功率質(zhì)量要求。針對所述要求的至少一些原因如下(a)對功率質(zhì)量問題產(chǎn)生影響的設(shè)備導(dǎo)致其它設(shè)備故障；(b)設(shè)備由于該源的功率質(zhì)量下降而阻止達(dá)到其設(shè)計(jì)性能或者可靠性；(c)或許為了滿足期望的最小重量，被設(shè)計(jì)為不具有功率裕量的設(shè)備趨于更易受功率質(zhì)量問題的影響；以及(d)被設(shè)計(jì)為使重量最小化的設(shè)備趨于產(chǎn)生功率質(zhì)量問題。在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平的電力系統(tǒng)中，功率利用設(shè)備不具有功率質(zhì)量保護(hù)，或者其僅限于過電壓和欠電壓保護(hù)。存在在其中單個(gè)設(shè)備故障可能傳播并且產(chǎn)生總線功率質(zhì)量不符合(non-compliance)的情景，這導(dǎo)致潛在的額外故障。例如，單個(gè)電源故障可能無法隔離功率質(zhì)量缺陷，并且可能損害利用設(shè)備或者其它電源。單個(gè)利用設(shè)備故障可能產(chǎn)生不符合的功率質(zhì)量總線，并且導(dǎo)致其它的利用設(shè)備故障和/或電源故障。利用設(shè)備可能由于其自己的功率質(zhì)量不符合而經(jīng)受破壞性的故障，則利用設(shè)備可能失效而與在總線上功率質(zhì)量不符合的源無關(guān)。如可以看到的，存在對于功率利用設(shè)備的改進(jìn)的功率質(zhì)量保護(hù)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一種功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)包括用于AC功率信號的輸入； 在AC功率信號的每個(gè)支路上的斷路器；多個(gè)傳感器，用于測量電氣和非電氣參數(shù)；以及控制和處理邏輯，其被用代碼編程以計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)、比較所計(jì)算的參數(shù)的值與最大允許值以及激活保護(hù)機(jī)制。在本發(fā)明的另一方面中，一種功率質(zhì)量保護(hù)方法包括測量電驅(qū)動系統(tǒng)的電氣和非電氣參數(shù)；計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)；比較所計(jì)算的參數(shù)的值與最大允許值；和激活保護(hù)機(jī)制，用來轉(zhuǎn)變到安全模式或者將該電驅(qū)動系統(tǒng)與電源總線隔離。在本發(fā)明的又一方面中，數(shù)字處理器可讀介質(zhì)包含用于實(shí)施一方法的可編程代碼，所述方法包括感測電驅(qū)動系統(tǒng)的電氣和非電氣參數(shù)；計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)； 比較所計(jì)算的參數(shù)的值與最大允許值；和激活保護(hù)機(jī)制，用來轉(zhuǎn)變到安全模式或者將該電驅(qū)動系統(tǒng)與電源總線隔離，其中所計(jì)算的參數(shù)中的至少一個(gè)包括高頻諧波。參照以下附圖、說明以及權(quán)利要求書，將可以更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)的框圖；以及
圖2是標(biāo)識在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率質(zhì)量保護(hù)的方法期間的事件序列的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說明是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的目前最佳的預(yù)期模式。該說明不在限制的意義上進(jìn)行，而是僅僅為了舉例說明本發(fā)明的一般原理的目的而做出，這是因?yàn)楸景l(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求最佳地限定。下文描述了本發(fā)明的各種創(chuàng)造性特征，這些特征均可以彼此獨(dú)立地使用或者與其他特征相組合地使用。為了理解功率質(zhì)量，下面列出一些功率質(zhì)量術(shù)語和定義。 正常操作-系統(tǒng)如預(yù)期地操作； 電啟動操作包括
-主推進(jìn)力引擎的電啟動；以及 -APU的電池啟動； 異常操作包括 -發(fā)生功率事故或者故障； -功率維持在所指定的異常操作的限度內(nèi)；以及 -功率利用設(shè)備將不遭受損壞和/或引起不安全狀況； 功率故障-功率損失將不導(dǎo)致不安全狀況或損壞利用設(shè)備； 應(yīng)急操作-在主發(fā)電機(jī)損失之后發(fā)生；
調(diào)整點(diǎn)(Point of Regulation, POR)-電源在此位置感測和調(diào)整系統(tǒng)電壓； 穩(wěn)定狀態(tài)-維持在正常操作的限度內(nèi)的功率狀況； 瞬態(tài)-維持在正常瞬態(tài)操作的限度內(nèi)的功率狀況； 過電壓和欠電壓包括其中， -電壓超過針對正常操作的瞬態(tài)限度；或者 -電壓受保護(hù)設(shè)備的動作限制； 對于AC系統(tǒng)的過頻率和欠頻率包括其中， -頻率超過針對正常操作的瞬態(tài)限度；或者 -頻率受保護(hù)設(shè)備的動作限制； 頻率調(diào)制(穩(wěn)定性)-頻率變化發(fā)生在1分鐘內(nèi)； 負(fù)載不平衡-在三相系統(tǒng)的線之間的最高和最低負(fù)載之間的差； 失真-AC波形專有基頻或者DC的均方根(rms)值； -因子-均方根/基頻或者均方根/DC ； -譜-AC或DC失真，所有頻率、幅度和相位；以及 脈動-穩(wěn)態(tài)與瞬時(shí)DC電壓之間的差的最大絕對值。廣泛地，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用于功率質(zhì)量保護(hù)的系統(tǒng)和方法。所述用于功率質(zhì)量保護(hù)的方法可以包括測量電氣和非電氣參數(shù)，計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)，比較所計(jì)算的參數(shù)的值與根據(jù)功率質(zhì)量觀點(diǎn)的最大允許值，以及激活用于轉(zhuǎn)變到安全模式或者用于與總線隔離的保護(hù)機(jī)制。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以當(dāng)在配電總線中出現(xiàn)規(guī)范外的功率質(zhì)量時(shí)防止設(shè)備故障，并且可以保護(hù)配電總線免于被強(qiáng)加由于設(shè)備故障而引起的功率質(zhì)量問題。由于本發(fā)明的系統(tǒng)中的大多數(shù)傳感器已經(jīng)被用于其它控制和保護(hù)目的，因此可能不存在可靠性下降。大多數(shù)計(jì)算和控制邏輯可以數(shù)字地予以執(zhí)行，以改進(jìn)修改算法的可靠性和靈活性。功率質(zhì)量保護(hù)算法可以包括測量電氣和非電氣參數(shù)(數(shù)據(jù)獲取)；計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)(數(shù)據(jù)處理)；比較所計(jì)算的參數(shù)的值與根據(jù)功率質(zhì)量觀點(diǎn)的最大允許值(故障檢測邏輯)；以及激活用于轉(zhuǎn)變到安全模式或者與總線隔離的保護(hù)機(jī)制(故障檢測邏輯和故障隔離邏輯)。圖1示出了電驅(qū)動系統(tǒng)10的示例框圖。輸入功率信號12例如可以是三相AC功率信號?？梢詫斎牍β市盘?2和來自功率拓?fù)浣M件16的功率信號輸出使用各種傳感器 14。這些傳感器14例如可以檢測AC輸入電壓、AC輸入電流、阻抗、電阻、自耦變壓器整流器單元(autotransformer rectifier unit, ATRU)輸出電流、DC鏈路電壓、以及DC鏈路電流。溫度傳感器18可以用于測量各種組件的溫度?？梢詫斎牍β市盘?2采用斷路器 19，以中斷輸入功率信號12的任何支路或者所有支路中的電流。在一些實(shí)施例中，斷路器 19可以是遠(yuǎn)程控制的?？刂七壿?7可以從傳感器14接收測量的參數(shù)，并且可以控制斷路器19。電流和電壓的簡單測量可能不能夠直接檢測一些功率質(zhì)量屬性。這對于高頻諧波尤其有效。為了檢測這些諧波，將需要具有高速的獲取的非常高分辨率測量。這可能導(dǎo)致對于高速、復(fù)雜的模擬電子設(shè)備和高速數(shù)字處理(其對于大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用來說可能是負(fù)擔(dān)不起的)的需要。因此，可能需要對諧波含量(諸如組件溫度)的間接測量?？梢灶A(yù)先確定 一些組件故障將產(chǎn)生諧波不符合。檢測組件故障可以給出增加的諧波含量的指示，并且可以激活保護(hù)防備。組件的一定故障可能不是可容易地檢測的。因此，也可以使用過溫度檢測。與將增加響應(yīng)時(shí)間的電流和電壓傳感器相比，溫度傳感器典型地更慢。圖2是標(biāo)識根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率質(zhì)量保護(hù)方法20中執(zhí)行的事件序列的流程圖。在步驟22中，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。此數(shù)據(jù)獲取可以是連續(xù)的，并且可以監(jiān)視諸如AC 輸入電壓、AC輸入電流、ATRU輸出電流、DC鏈路電壓、DC鏈路電流以及各種溫度(諸如電機(jī)控制器溫度)之類的各種參數(shù)。在步驟M中，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此數(shù)據(jù)處理可以包括計(jì)算峰值電壓和電流，計(jì)算均方根電壓和電流，計(jì)算電壓和電流諧波含量，以及計(jì)算溫度(在不通過數(shù)據(jù)獲取步驟直接測量時(shí))。在步驟沈中，故障檢測邏輯可以使用所測量的和所處理的數(shù)據(jù)來檢測以下故障中的一個(gè)或多個(gè)過電壓、欠電壓、失相、電壓不平衡、電壓感測自測設(shè)備(BITE)、過電流、電流不平衡、電流傳感器自測設(shè)備、接地故障、過溫度、溫度傳感器自測設(shè)備、以及諧波符合。這些故障在表1中更詳細(xì)地描述。在步驟觀中，一旦在步驟沈中檢測到故障，就可以隔離該故障。此步驟可以包括檢測系統(tǒng)故障，檢測硬件故障(諸如電機(jī)控制器硬件)，以及故障報(bào)告。在步驟30中，可以包括邏輯以適應(yīng)該故障。這可以包括漏電斷路器(residual current circuit breaker, RCCB)控制、功率電平管理、故障恢復(fù)、以及重試策略。
下面描述了用于電氣控制器的功率質(zhì)量檢測和保護(hù)方法的示例。用于此電氣控制器的功率質(zhì)量保護(hù)方法使用3相輸入電壓測量、3相輸入電流測量、3相電流測量的一個(gè)和、 DC總線電壓測量、以及各種溫度測量。AC測量的瞬時(shí)和所計(jì)算的均方根值兩者每100微秒進(jìn)行更新，并且用于各種功率質(zhì)量故障檢測算法。DC總線電壓脈動也可被包括在內(nèi)。檢測技術(shù)在表1中予以概述。表1.功率質(zhì)量檢測和保護(hù)的示例
權(quán)利要求
1.一種功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)(10)，其包括用于AC功率信號的輸入(12);在所述AC功率信號的每個(gè)支路上的斷路器(19)；用于轉(zhuǎn)換所述輸入AC功率信號的功率拓?fù)浣M件(16)；多個(gè)傳感器(14)，其用于測量電氣和非電氣參數(shù)；以及控制和處理邏輯(17)，其被用代碼編程以計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)、比較所計(jì)算的參數(shù)的值與最大允許值以及激活保護(hù)機(jī)制。
2.如權(quán)利要求1所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所述斷路器是由所述控制和處理邏輯控制的遠(yuǎn)程控制斷路器。
3.如權(quán)利要求1或2所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所測量的電氣和非電氣參數(shù)包括 AC輸入電壓、AC輸入電流、自耦變壓器整流器單元輸出電流、DC鏈路電壓、DC鏈路電流以及組件溫度。
4.如權(quán)利要求3所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所述組件溫度是電機(jī)控制器溫度。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所計(jì)算的參數(shù)包括峰值電壓、峰值電流、均方根電壓、均方根電流、電壓諧波含量、電流諧波含量以及溫度。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，還包括故障檢測邏輯。
7.如權(quán)利要求6所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所述故障檢測邏輯被適配成用以檢測過電壓、欠電壓、失相、電壓不平衡、電壓感測自測設(shè)備、過電流、電流不平衡、電流傳感器自測設(shè)備、接地故障、過溫度、溫度傳感器自測設(shè)備、以及諧波符合中的至少一個(gè)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，還包括故障隔離邏輯，其被適配成用以檢測系統(tǒng)故障、檢測硬件故障和報(bào)告檢測到的故障。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所述保護(hù)機(jī)制執(zhí)行將所述系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到安全模式，或者把所述系統(tǒng)與電源總線隔離。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的功率質(zhì)量保護(hù)系統(tǒng)，其中所述保護(hù)機(jī)制被適配成用來控制斷路器、管理功率電平、或者從故障中恢復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于功率質(zhì)量保護(hù)的方法和系統(tǒng)。一種用于功率質(zhì)量保護(hù)的方法包括測量電氣和非電氣參數(shù)；計(jì)算額外的電氣和非電氣參數(shù)；比較所計(jì)算的參數(shù)的值與根據(jù)功率質(zhì)量觀點(diǎn)的最大允許值；和激活保護(hù)機(jī)制，用來轉(zhuǎn)變到安全模式或者與電源總線隔離。所述系統(tǒng)和方法當(dāng)在配電總線中出現(xiàn)規(guī)范外的功率質(zhì)量時(shí)可以防止設(shè)備故障，并且可以保護(hù)配電總線免被強(qiáng)加由于設(shè)備故障而引起的功率質(zhì)量問題。由于本發(fā)明的系統(tǒng)中的大多數(shù)傳感器已經(jīng)被用于其它控制和保護(hù)目的，因此可能不存在可靠性下降?？梢詳?shù)字地執(zhí)行大多數(shù)計(jì)算和控制邏輯，以用于改進(jìn)修改算法的可靠性和靈活性。
文檔編號H02H7/22GK102340130SQ20111019837
公開日2012年2月1日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者阮 C., 加尼夫 E., 沃爾 W. 申請人:霍尼韋爾國際公司