专利名称：用于功率质量保护的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力电子设备领域，且更具体地涉及用于电功率质量保护的方法和系统。
背景技术：
功率质量在现代航天/军用工业中扮演重要的角色。在用于飞行器和航天器的更加电气化的架构(more electric architecture, MEA)的领域中尤其如此。商用飞行器行业正朝着具有电气无引气环境控制系统(environmental control system, ECS)、电气可变频率(variable-frequency, VF)配电系统、以及电气作动 (actuation)发展。典型的示例是现有的波音787平台。而且，空中客车A350飞机将并入大量的MEA元件。将来，下一代波音飞机(737的替代者)和下一代空中客车飞机(A320的替代者)将很可能使用MEA。一些军用飞行器已经利用MEA，除了其它功能以外，以用于主要和辅助飞行控制。军用地面交通工具已经朝着混合电气技术迁移，其中主要的推动力由电驱动来执行。因此，这些领域中出现了对于增长的电力电子设备的相当大的需求。未来的空间交通工具将需要电功率生成系统，以用于推力矢量和飞行控制作动。 这些系统必须更加鲁棒，并且与许多现有的空间穿梭机功率系统相比提供了安全性以及极大地减少的操作成本。这些新的MEA航天和军用趋势显著增加了所安装的电源和负载，连同使电气设备适应新的平台的挑战。这已经导致增加的操作电压以及减少系统损耗、重量和体积的努力。 已经创建了一组新的电功率质量要求来满足系统性能。传统上，需要源(发电机)来维持一定的功率质量要求，并且它们的负载要能够在这些要求下操作。而且，需要所述负载在配电总线上不产生一定级别之上的功率质量干扰。另外，由于大量的安装的电气设备以及它们复杂的相互作用的原因，增加了功率质量问题的可能性。需要功率质量允许在相同的配电总线上安装的源和负载之间的兼容性。典型的飞行器电功率系统由主电源、应急电源、功率转换设备、控制/保护设备、以及互连网络(即， 线、电缆和连接器)组成。主电源包括主发电机，其由飞行器推进力引擎驱动。应急功率从飞行器电池、独立于飞行器的辅助功率单元(Auxiliary power unit, APU)、以及飞行器冲压空气或者液压驱动的发电机引出。针对AC电气设备的功率质量要求由大量参数组成。这些参数中的一些包括电流失真、突入电流、电压失真、电压调制、功率因子、相位平衡和DC含量。由AC谐波构成的电流失真是电气设备的关键设计驱动因素。对于电流谐波、分谐波以及间谐波的要求将可允许的失真指定为设备输入电压的基频的倍数的函数。典型的AC电流谐波包括高达39的所有奇次谐波，其限度是从最大电流基频的百分之十到百分之0.25。电流失真要求是关键的设计驱动因素，这是因为其通常显著地影响设备重量。电流失真也被指定为设备的额定功率的函数，这是因为更高功率设备对电源总线具有更大影响。针对功率质量的广泛使用的规范是MIL-STD-704-A到F的空中客车 ABDO100 和波音 TBD。对于MEA飞行器而言功率质量是主要关心要素，这是因为大量的电功率系统和设备安装在相同的电气总线上。这些系统和设备的功率质量具有严格的要求，以确保所有功率供应/利用设备一起适当地起作用。对于电源设备，实施额外的监视特征来对可能经受功率质量问题的设备或者设备组进行检测和隔离。此隔离能力是用来保护其它的工作的功率供应和利用设备。对于功率利用设备，施加严格的功率质量要求。针对所述要求的至少一些原因如下(a)对功率质量问题产生影响的设备导致其它设备故障；(b)设备由于该源的功率质量下降而阻止达到其设计性能或者可靠性；(c)或许为了满足期望的最小重量，被设计为不具有功率裕量的设备趋于更易受功率质量问题的影响；以及(d)被设计为使重量最小化的设备趋于产生功率质量问题。在现有技术发展水平的电力系统中，功率利用设备不具有功率质量保护，或者其仅限于过电压和欠电压保护。存在在其中单个设备故障可能传播并且产生总线功率质量不符合(non-compliance)的情景，这导致潜在的额外故障。例如，单个电源故障可能无法隔离功率质量缺陷，并且可能损害利用设备或者其它电源。单个利用设备故障可能产生不符合的功率质量总线，并且导致其它的利用设备故障和/或电源故障。利用设备可能由于其自己的功率质量不符合而经受破坏性的故障，则利用设备可能失效而与在总线上功率质量不符合的源无关。如可以看到的，存在对于功率利用设备的改进的功率质量保护的需要。
发明内容
在本发明的一个方面中，一种功率质量保护系统包括用于AC功率信号的输入； 在AC功率信号的每个支路上的断路器；多个传感器，用于测量电气和非电气参数；以及控制和处理逻辑，其被用代码编程以计算额外的电气和非电气参数、比较所计算的参数的值与最大允许值以及激活保护机制。在本发明的另一方面中，一种功率质量保护方法包括测量电驱动系统的电气和非电气参数；计算额外的电气和非电气参数；比较所计算的参数的值与最大允许值；和激活保护机制，用来转变到安全模式或者将该电驱动系统与电源总线隔离。在本发明的又一方面中，数字处理器可读介质包含用于实施一方法的可编程代码，所述方法包括感测电驱动系统的电气和非电气参数；计算额外的电气和非电气参数； 比较所计算的参数的值与最大允许值；和激活保护机制，用来转变到安全模式或者将该电驱动系统与电源总线隔离，其中所计算的参数中的至少一个包括高频谐波。参照以下附图、说明以及权利要求书，将可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
图1是根据本发明的实施例的功率质量保护系统的框图；以及
图2是标识在根据本发明的实施例的功率质量保护的方法期间的事件序列的流程图。
具体实施例方式以下详细说明是实现本发明的示例性实施例的目前最佳的预期模式。该说明不在限制的意义上进行，而是仅仅为了举例说明本发明的一般原理的目的而做出，这是因为本发明的范围由所附权利要求最佳地限定。下文描述了本发明的各种创造性特征，这些特征均可以彼此独立地使用或者与其他特征相组合地使用。为了理解功率质量，下面列出一些功率质量术语和定义。 正常操作-系统如预期地操作； 电启动操作包括
-主推进力引擎的电启动；以及 -APU的电池启动； 异常操作包括 -发生功率事故或者故障； -功率维持在所指定的异常操作的限度内；以及 -功率利用设备将不遭受损坏和/或引起不安全状况； 功率故障-功率损失将不导致不安全状况或损坏利用设备； 应急操作-在主发电机损失之后发生；
调整点(Point of Regulation, POR)-电源在此位置感测和调整系统电压； 稳定状态-维持在正常操作的限度内的功率状况； 瞬态-维持在正常瞬态操作的限度内的功率状况； 过电压和欠电压包括其中， -电压超过针对正常操作的瞬态限度；或者 -电压受保护设备的动作限制； 对于AC系统的过频率和欠频率包括其中， -频率超过针对正常操作的瞬态限度；或者 -频率受保护设备的动作限制； 频率调制(稳定性)-频率变化发生在1分钟内； 负载不平衡-在三相系统的线之间的最高和最低负载之间的差； 失真-AC波形专有基频或者DC的均方根(rms)值； -因子-均方根/基频或者均方根/DC ； -谱-AC或DC失真，所有频率、幅度和相位；以及 脉动-稳态与瞬时DC电压之间的差的最大绝对值。广泛地，本发明的实施例提供了一种用于功率质量保护的系统和方法。所述用于功率质量保护的方法可以包括测量电气和非电气参数，计算额外的电气和非电气参数，比较所计算的参数的值与根据功率质量观点的最大允许值，以及激活用于转变到安全模式或者用于与总线隔离的保护机制。本发明的系统和方法可以当在配电总线中出现规范外的功率质量时防止设备故障，并且可以保护配电总线免于被强加由于设备故障而引起的功率质量问题。由于本发明的系统中的大多数传感器已经被用于其它控制和保护目的，因此可能不存在可靠性下降。大多数计算和控制逻辑可以数字地予以执行，以改进修改算法的可靠性和灵活性。功率质量保护算法可以包括测量电气和非电气参数(数据获取)；计算额外的电气和非电气参数(数据处理)；比较所计算的参数的值与根据功率质量观点的最大允许值(故障检测逻辑)；以及激活用于转变到安全模式或者与总线隔离的保护机制(故障检测逻辑和故障隔离逻辑)。图1示出了电驱动系统10的示例框图。输入功率信号12例如可以是三相AC功率信号。可以对输入功率信号12和来自功率拓扑组件16的功率信号输出使用各种传感器 14。这些传感器14例如可以检测AC输入电压、AC输入电流、阻抗、电阻、自耦变压器整流器单元(autotransformer rectifier unit, ATRU)输出电流、DC链路电压、以及DC链路电流。温度传感器18可以用于测量各种组件的温度。可以对输入功率信号12采用断路器 19，以中断输入功率信号12的任何支路或者所有支路中的电流。在一些实施例中，断路器 19可以是远程控制的。控制逻辑17可以从传感器14接收测量的参数，并且可以控制断路器19。电流和电压的简单测量可能不能够直接检测一些功率质量属性。这对于高频谐波尤其有效。为了检测这些谐波，将需要具有高速的获取的非常高分辨率测量。这可能导致对于高速、复杂的模拟电子设备和高速数字处理(其对于大多数工业应用来说可能是负担不起的)的需要。因此，可能需要对谐波含量(诸如组件温度)的间接测量。可以预先确定 一些组件故障将产生谐波不符合。检测组件故障可以给出增加的谐波含量的指示，并且可以激活保护防备。组件的一定故障可能不是可容易地检测的。因此，也可以使用过温度检测。与将增加响应时间的电流和电压传感器相比，温度传感器典型地更慢。图2是标识根据本发明的实施例的功率质量保护方法20中执行的事件序列的流程图。在步骤22中，可以进行数据获取。此数据获取可以是连续的，并且可以监视诸如AC 输入电压、AC输入电流、ATRU输出电流、DC链路电压、DC链路电流以及各种温度(诸如电机控制器温度)之类的各种参数。在步骤M中，可以进行数据处理。此数据处理可以包括计算峰值电压和电流，计算均方根电压和电流，计算电压和电流谐波含量，以及计算温度(在不通过数据获取步骤直接测量时)。在步骤沈中，故障检测逻辑可以使用所测量的和所处理的数据来检测以下故障中的一个或多个过电压、欠电压、失相、电压不平衡、电压感测自测设备(BITE)、过电流、电流不平衡、电流传感器自测设备、接地故障、过温度、温度传感器自测设备、以及谐波符合。这些故障在表1中更详细地描述。在步骤观中，一旦在步骤沈中检测到故障，就可以隔离该故障。此步骤可以包括检测系统故障，检测硬件故障(诸如电机控制器硬件)，以及故障报告。在步骤30中，可以包括逻辑以适应该故障。这可以包括漏电断路器(residual current circuit breaker, RCCB)控制、功率电平管理、故障恢复、以及重试策略。
下面描述了用于电气控制器的功率质量检测和保护方法的示例。用于此电气控制器的功率质量保护方法使用3相输入电压测量、3相输入电流测量、3相电流测量的一个和、 DC总线电压测量、以及各种温度测量。AC测量的瞬时和所计算的均方根值两者每100微秒进行更新，并且用于各种功率质量故障检测算法。DC总线电压脉动也可被包括在内。检测技术在表1中予以概述。表1.功率质量检测和保护的示例
权利要求
1.一种功率质量保护系统(10)，其包括用于AC功率信号的输入(12);在所述AC功率信号的每个支路上的断路器(19)；用于转换所述输入AC功率信号的功率拓扑组件(16)；多个传感器(14)，其用于测量电气和非电气参数；以及控制和处理逻辑(17)，其被用代码编程以计算额外的电气和非电气参数、比较所计算的参数的值与最大允许值以及激活保护机制。
2.如权利要求1所述的功率质量保护系统，其中所述断路器是由所述控制和处理逻辑控制的远程控制断路器。
3.如权利要求1或2所述的功率质量保护系统，其中所测量的电气和非电气参数包括 AC输入电压、AC输入电流、自耦变压器整流器单元输出电流、DC链路电压、DC链路电流以及组件温度。
4.如权利要求3所述的功率质量保护系统，其中所述组件温度是电机控制器温度。
5.如权利要求1-4中任一项所述的功率质量保护系统，其中所计算的参数包括峰值电压、峰值电流、均方根电压、均方根电流、电压谐波含量、电流谐波含量以及温度。
6.如权利要求1-5中任一项所述的功率质量保护系统，还包括故障检测逻辑。
7.如权利要求6所述的功率质量保护系统，其中所述故障检测逻辑被适配成用以检测过电压、欠电压、失相、电压不平衡、电压感测自测设备、过电流、电流不平衡、电流传感器自测设备、接地故障、过温度、温度传感器自测设备、以及谐波符合中的至少一个。
8.如权利要求1-7中任一项所述的功率质量保护系统，还包括故障隔离逻辑，其被适配成用以检测系统故障、检测硬件故障和报告检测到的故障。
9.如权利要求1-8中任一项所述的功率质量保护系统，其中所述保护机制执行将所述系统转变到安全模式，或者把所述系统与电源总线隔离。
10.如权利要求1-9中任一项所述的功率质量保护系统，其中所述保护机制被适配成用来控制断路器、管理功率电平、或者从故障中恢复。
全文摘要
本发明公开了一种用于功率质量保护的方法和系统。一种用于功率质量保护的方法包括测量电气和非电气参数；计算额外的电气和非电气参数；比较所计算的参数的值与根据功率质量观点的最大允许值；和激活保护机制，用来转变到安全模式或者与电源总线隔离。所述系统和方法当在配电总线中出现规范外的功率质量时可以防止设备故障，并且可以保护配电总线免被强加由于设备故障而引起的功率质量问题。由于本发明的系统中的大多数传感器已经被用于其它控制和保护目的，因此可能不存在可靠性下降。可以数字地执行大多数计算和控制逻辑，以用于改进修改算法的可靠性和灵活性。
文档编号H02H7/22GK102340130SQ20111019837
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月15日 优先权日2010年7月16日
发明者阮 C., 加尼夫 E., 沃尔 W. 申请人:霍尼韦尔国际公司