适用于短路保护的异步发电机整流供电系统的制作方法

本发明涉及直流电网配电系统，尤其涉及一种异步发电机供电系统。

背景技术：

随着电子技术发展迅速，船舶行业越来越关注直流电网在船舶上的应用，交流发电机整流供电系统由交流发电机组、整流装置、直流母线组成，此类系统具有稳定性好、体积小、易布置、控制调整方便、发电机易维护等特点，逐渐成为大型独立供电系统的发展方向。随着系统功率的增大，短路冲击电流已经超过了现有断路器的极限接通和分断能力，同时也超过了构成整流装置的电力电子器件（例如igbt）正常工作电流的数倍，一旦发生直流母线短路故障，有可能会导致交流发电机组停止工作，造成全面停电。因此如何解决母线短路时的选择性保护及电力电子设备的脆弱性之间的矛盾，成为该系统发展的瓶颈问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种适用于短路保护的异步发电机整流供电系统，其解决了直流配电系统中，直流母线短路时的选择性保护及电力电子设备的脆弱性之间的矛盾，在不影响发电机整流性能的基础上，可以实现短路时直流配电系统的选择性和快速恢复性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

适用于短路保护的异步发电机整流供电系统，包括异步发电机组、主功率整流装置、励磁装置、滤波装置和控制器；异步发电机组的定子绕组与主功率整流装置的输入端连接，主功率整流装置用于向外部负载提供直流电源；励磁装置的交流侧与滤波装置的一端相连，滤波装置的另一端分别与异步发电机组的定子绕组和主功率整流装置的输入端连接；控制器用于获取主功率整流装置的输出电压udc和输出电流idc、异步发电机组的输出电压和输出电流以及励磁装置的直流侧电压udc1，基于所获取的值以及主功率整流装置的输出电流idc与预设的短路电流阈值i阈之间的比较结果对励磁装置进行相应的控制，以使得在idc＜i阈时，励磁装置的输出电压udc1稳定在预设的第一电压，主功率整流装置的输出电压udc稳定在预设的第二电压，在idc≥i阈时，励磁装置的输出电压udc1稳定在预设的第一电压，主功率整流装置的输出电流idc稳定在预设的电流值，所述预设的电流值小于所述短路电流阈值。

本发明至少具有以下技术效果：

1、本发明的异步发电机组的励磁部分与主功率部分分离，使得主功率部分具备短时间内耐短路电流特性，同时励磁部分具备快速调整短路特性的功能。当系统发生短路故障时，励磁装置通过监控主功率整流装置的输出电流，判断出现短路故障，将不再维持主功率装置的直流电压稳定，而是输出预设的电流值，以供系统实现选择性保护；瞬间的大电流只会流经耐电流能力更强的主功率整流装置，而不会破坏励磁装置，从而保证系统的安全性和快速恢复性；

2、本发明的励磁装置只需提供异步发电机组励磁所需要的能量，不需承担所有负载功率，因此励磁装置的功率等级大大低于主功率需求，从而减少了系统的成本；

3、本发明的异步发电机组只用一组绕组就可以实现励磁与主功率输出的分离，而无需专门定制多组绕组。

附图说明

图1示出了根据本发明一实施例的适用于短路保护的异步发电机整流供电系统的整体原理框图。

图2示出了本发明适用于短路保护的异步发电机整流供电系统的一个具体应用例的原理图。

图3示出了根据本发明一实施例的控制器的控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1。根据本发明一实施例的适用于短路保护的异步发电机整流供电系统包括异步发电机组1、主功率整流装置2、励磁装置3、滤波装置4和控制器6。

异步发电机组1的定子绕组121与主功率整流装置2的输入端连接，主功率整流装置2用于向外部负载提供直流电源。

在本实施例中，异步发电机组1包括变速运行的原动机11和异步发电机12，原动机11用于驱动异步发电机12的转子转动。原动机11具备变速运行特征，可以实现不同功率下，通过调整转速，使得原动机11始终运行在最佳油耗点，从而达到节能减排的效果。原动机11例如可采用变速运行的内燃机。异步发电机12的转子采用鼠笼式或者绕线式。主功率整流装置2的输出端通过直流开关7与直流母线5连接。该主功率整流装置为不控整流装置或者半控整流装置，由整流桥和并联在整流桥输出端的稳压电容组成。主功率整流装置2采用不控整流装置或者半控整流装置，二极管或晶闸管的成本更低，耐大电流能力更强，更适合大功率运行。直流开关7采用具有主动分断和闭合能力的直流开关，如直流断路器或者电子开关等，直流开关7受系统综合故障保护装置控制或者其他类似设备的控制，连接在主功率整流装置2与直流配电系统的直流母线5之间。

励磁装置3的交流侧与滤波装置4的一端相连，滤波装置4的另一端分别与异步发电机组1的定子绕组121和主功率整流装置2的输入端连接。在本实施例中，励磁装置3包括全控整流桥31、储能电容c2以及预励磁电源33。全控整流桥31的交流侧与滤波装置4的一端相连，储能电容c2并联在全控整流桥31的直流侧，预励磁电源33与储能电容c2并联连接，用于提供异步发电机组启动时所需的励磁电压。

控制器6用于获取主功率整流装置2的输出电压udc和输出电流idc、异步发电机组1的输出电压和输出电流以及励磁装置3的直流侧电压udc1，基于所获取的值以及主功率整流装置2的输出电流idc与预设的短路电流阈值i阈之间的比较结果对励磁装置3进行相应的控制，以使得在idc＜i阈时，励磁装置3的直流侧电压udc1稳定在预设的第一电压，主功率整流装置2的输出电压udc稳定在预设的第二电压，在idc≥i阈时，励磁装置的直流侧电压udc1稳定在预设的第一电压，主功率整流装置2的输出电流idc稳定在预设的电流值，预设的电流值小于短路电流阈值。在一种具体的实施方式中，上述预设的第一电压例如可以是异步发电机12的线电压的1.5倍。

在idc≥i阈时，意味着系统发生了短路故障，判断短路故障后，控制器6通过控制励磁装置3的全控整流桥31，调节主功率整流装置2的输出电流idc的大小，使其满足系统选择性判断要求。而在系统正常工作的情况下，控制器6通过控制励磁装置3的全控整流桥31，使主功率整流装置2的输出电压udc保持稳定，从而给直流母线5提供稳定的直流电压。

根据本发明一实施例的适用于短路保护的异步发电机整流供电系统可以单台为负载供电，也可以多台并联为系统供电，也可与其他储能系统和供电设备并联为系统供电。

在本实施例中，异步发电机组1的定子绕组121由m相绕组组成，每相绕组采用互移360/m角度接法，主功率整流装置2为m相整流装置，励磁装置3的全控型整流桥31为m相全控整流桥，m=3n，n为正整数。

在图2的示例中，异步发电机组1的异步发电机12为三相异步发电机。主功率整流装置2为三相不控整流装置或者三相半控整流装置。励磁装置3的全控整流桥31为三相全控整流桥，滤波装置4由三相滤波电感组成。图2中示出了三相异步发电机的输出电压vabc和输出电流iabc。在图2的示例中，预励磁电源33包括直流电源331和二极管332，直流电源331的正端与二极管332的正极连接，二极管332的负极与储能电容c2的一端连接，直流电源331的负端与储能电容c2的另一端连接。异步发电机启动时，由直流电源331通过二极管332为全控整流桥31提供电源，从而为异步发电机提供起励电源，待三相异步发电机输出电压建立，全控整流桥31的直流侧电压稳定时，二极管332将阻止直流电源331再提供能量。二极管332也可以由控制开关代替，异步发电机启动时控制开关闭合，全控整流桥31的直流侧电压稳定时控制开关断开。

图3示出了根据本发明一实施例的控制器的控制原理框图。控制器6包括第一直流电压调节器61、第二直流电压调节器62、直流电流调节器63、短路判断模块64、选择控制模块65、坐标变换模块66、电流环控制器67和调制模块68。

第一直流电压调节器61用于根据获取的励磁装置直流侧电压udc1与给定的励磁装置直流侧电压u^*dc1的比较，生成直流电流有功分量给定值i^*d。第二直流电压调节器62用于根据获取的主功率整流装置输出电压udc与给定的主功率整流装置输出电压u^*dc的比较，生成直流电流无功分量给定值i^*q。直流电流调节器63用于根据获取的主功率整流装置输出电流idc与给定的主功率整流装置输出电流i^*dc的比较，生成直流电流无功分量给定值i^*q。短路判断模块64用于将获取的主功率整流装置的输出电流idc与预设的短路电流阈值i阈进行比较。选择控制模块65用于根据短路判断模块64的比较结果选择性地控制第二直流电压调节器62或直流电流调节器63运行，并输出第二直流电压调节器62或直流电流调节器63生成的直流电流无功分量给定值i^*q；其中，如果idc＜i阈，选择控制模块65控制第二直流电压调节器62运行，并输出第二直流电压调节器62生成的直流电流无功分量给定值i^*q，直流电流调节器63不运行；如果idc≥i阈时，选择控制模块65控制直流电流调节器63运行，并输出直流电流调节器63生成的直流电流无功分量给定值i^*q，第二直流电压调节器62不运行。坐标变换模块66用于根据异步发电机组输出电压的相位角度，将获取的异步发电机组的交流输出电流变换为旋转坐标系下的直流电流有功分量id和直流电流无功分量iq。电流环控制器67根据直流电流有功分量id与第一直流电压调节器61生成的直流电流有功分量给定值i^*d的比较以及直流电流无功分量iq与选择控制模块65输出的直流电流无功分量给定值i^*q的比较，生成电压调整指令。调制模块68用于根据异步发电机组输出电压的相位角度以及电压调整指令，生成控制全控型整流桥31的各开关器件的pwm信号。

在本实施例中，第一直流电压调节器61、第二直流电压调节器62、直流电流调节器63和电流环控制器67均可采用pi调节器。以第一直流电压调节器61为例，获取的励磁装置直流侧电压udc1与给定的励磁装置直流侧电压u^*dc1做差后经过第一直流电压调节器61的pi调节，得到直流电流有功分量给定值i^*d。

以上的控制方式仅为举例说明并非限制，控制器6也可采用其它的控制方式。

根据本发明一实施例的适用于短路保护的异步发电机整流供电系统属于船用直流配电系统中的发电部分，为船用直流配电系统提供稳定的直流电压，并具备与其他发电部分并联运行的能力，尤其具备短路时，耐瞬间短路电流冲击及排除故障后快速恢复供电的能力。