集成电源变换装置智能分配电技术研究

王庆红，陈 瑞，王 景

（中国舰船研究设计中心，武汉430064）

0 引言

上世纪90年代，国外就在飞机供电网络二次配电系统中运用统筹、集成设计理念，采用集中式直流供电技术以及集成DC/DC变换装置对重要负载提供工作电源，以满足负载的工作要求[1]。随着船舶的大型化，直流重要负荷以及不间断电源负载的显著增加，二次配电系统系统构架更复杂，可靠性、安全性要求更高，且存在一定的风险；同时从适应船舶模块化建造考虑，美国率先在船舶二次配电系统中提出区域配电，并将直流供电及集成变换技术移植到船舶供电系统中并在DDG 79舰上成功应用，现已成为美国海军军用标准[2]。

直流供电经过统筹集成后，形成了大量的直流小系统即集中式供电电源，为重要负荷提供了最后的工作电源保障。因此集中式供电电源面对多路供电的重要负载，除了提供必要的工作电源外，还必须对其输出供电支路作实时的监测，根据监测结果进行智能化判断，按判断结果加以限流或保护，保证非故障支路的正常供电，故障被抑制在最小范围之内。

智能化分配电保护原则：对于多路输出的集中供电式电源，每一支路输出都应具有独立于其他支路而起作用的合适的过流保护值，电源仅跳闸与过流相关的输出支路。

智能化分配电核心技术：如何快速判断并区分支路短路和大电容冲击[3]，避免为了躲避支路负载冲击电流而放大设计余量，造成配电上的资源浪费。

由于现有断路器的短路分断能力已越来越不能满足系统短路电流增长的需要，如何使短路电流被限制在保护设备极限通断能力以内，是保证系统正常可靠运行亟待解决的技术问题[4-6]。在目前，解决该类问题的主要方法是加装限流装置，限流式熔断器是当前唯一商业化的故障电流限制装置，一旦熔断器熔断，便切断了故障电路，但却破坏了保护的选择性，并且其属于单次动作，非常不利于供电系统自动化、智能化的发展趋势[7,8]。本文深入分析研究了直流智能分配电技术，基于该技术开发的分配电装置，能使发生短路故障的支路迅速从直流供电母线中予以切除，消除对同一供电母线其它负载的影响，避免故障扩大，并且能够对发生短时过流的支路在一定时间内采取相应的限流措施，保证其他负载正常运行。本文在24V直流智能分配电原理样机上进行了相关试验，得到了试验结果，验证了分析的结论。

1 直流智能分配电装置技术分析

由于短路电流和冲击电流的幅值很大，时间极短，要完成保护功能，必须在微秒级时间内进行控制，一般接触器、晶闸管的动作时间在毫秒级，均不能满足其要求，只能选择快速的 IGBT或者 MOSFET，但是，大多数 IGBT、MOSFET等开关器件超过器件本身额定电流后数十微秒内就会发生不可恢复的损坏[9,10]，因此直流智能分配电装置的检测保护操作，必须在短路或冲击电流超过功率器件额定电流之前完成，而且时间越短越好。一般DSP（Digital Signal Processor）微处理器的控制周期在100us以上[11]，单纯靠DSP完成保护操作显然不能满足需要，本文方案中选择运算速度很快的 CPLD(Complex Program Logic Device)作为主控器件，DSP作为辅控器件，由硬件描述语言完成对控制算法的实现，通过修改语言中电流上升率阈值和瞬时电流阈值，可以基本准确地快速区分支路负载的短路或大电流冲击状况，以解决目前面临的瓶颈技术。

图1为船舶供电系统中直流智能分配电拓扑结构，每路智能分配电装置由功率器件（IGBT或者 MOSFET）、续流功率二极管、检测电路、控制与驱动电路、缓冲吸收电路等组成。基于CPLD和DSP微处理器的直流智能分配电装置，将快速检测支路负载上电流的大小和上升时间，并以微秒级的速度计算其上升率，用以判断支路是否短路或者正承受大电流冲击，然后迅速作出相应保护处理，同时将出现的故障信息及时上传，做到故障准确定位。

船舶供电系统直流智能分配电装置在实际运行过程中，共会出现四种工作状态：

工作状态一：装置正常工作，单管IGBT（或是MOSFET）开通，由检测电路采集电压、电流信号，并通过CAN网将直流电压、电流值发送给上一级控制系统；

工作状态二：支路负载发生过载工况时，经一定延时后，立即切断IGBT（或是MOSFET），同时将故障信号通过CAN网上传；

工作状态三：支路负载发生短路工况时，在短路电流到达设定值后（设定值低于功率器件额定电流），在几微秒内快速切断IGBT（或是MOSFET），同时将故障信号通过CAN网上传；

工作状态四：支路负载发生大电容电流冲击时，在冲击电流到达设定值后（设定值低于功率器件额定电流），在几微秒内对IGBT（或是MOSFET）进行BUCK斩波，使负载软启动且不影响直流母线其它挂网负载正常工作，同时将故障信号通过CAN网上传；若BUCK斩波时间超过设定时间，则自动切断功率器件，并通过CAN网将故障信息上传。

不难看到，在上述四种工作状态中，工作状态一和工作状态二是相对常规的运行状态，功能实现比较简单；工作状态三的单一功能实现方法也比较多，而工作状态三和工作状态四功能的区分执行是较特殊的。只有合理的选择冲击电流上升率阈值和瞬时电流阈值，才能准确地将这两种非正常工况剥离出来，这是整个状态区分环节的技术关键。

图2为冲击电流上升率的判断曲线，通过检测idect1、idect2、idect3瞬时电流及相应发生时间点t1、t2、t3，CPLD快速计算电流上升率并作出相应动作，当硬件检测到idec4瞬时电流时，装置立刻停机保护，idec4瞬时电流检测保护是当装置由于某种原因，在idect1、idect2、idect3检测判断失效或控制回路执行错误造成电流未及时限制的情况下，作出的最终保护措施，以防止装置功率器件被过流损坏。

2 试验结果

试验实例：如图1所示的单功率管BUCK型分配电拓扑结构，无滤波电感；输入电源：24 VDC，DC源型号为索罗森SGI330/91；输出滤波电容：6800 μF/50 V两个并联；功率管：IXFN230N10；驱动电路：CONCEPT 2BB0108T；输出功率继电器735-3A-C 24VDC隔离；试验内容：负载短路，40 A阻性负载并联58800 μF/50 V大电容冲击；电流上升率阈值：0.15 A/μs、0.08 A/μs两级判断；示波器：泰克TPS2024。

24 V直流智能分配电样机负载短路和负载大电容冲击的试验波形，如图3和图4所示。图3为样机正常运行时支路负载突然短路时的试验波形，可以看到，支路电流上升至设定值100 A后功率管驱动信号瞬时关断，故障支路被切断，支路短路电流立刻下降。

图4为为样机正常运行时支路突加大电容负载时的试验波形，可以看到，支路电流上升至设定值100 A后功率管驱动信号立刻进行BUCK斩波运行，支路冲击电流下降进入BUCK工作状态，输入电压在冲击电流上升过程中短时跌落后，即随着功率管斩波运行而迅速恢复正常电压值。

3 结论

理论分析与试验结果表明，运用快速的CPLD处理器，合理的计算并选择支路冲击电流上升率阈值和瞬时电流阈值，可以基本准确地区分支路负载的短路或大电流冲击状况，消除对其它挂网负载的影响，避免故障扩大，非常利于船舶供电系统自动化、智能化的发展。

[1]AMY V.Considerations in the design of naval electric power systems [C].Power Engineering Society Summer Meeting,2002,(1):331-335.

[2]Electric Power Distribution Systems[Z].Naval Ships Technical Manual,Naval Sea Systems Command.1984:320-1.

[3]万国成，任震，田翔．配电网可靠性评估的网络等值法模型研究．中国电机工程学报，2003，23(5)：48-52．

[4]钱杞，张培铭.低压直流断路器的限流技术[J].电气开关，2000，1：14-17.

[5]孙俊忠，马伟明，杨青.六相交直流同时供电发电机直流侧突然短路电流分[J]．中国电机工程学报，2001，21(12):16-20.

[6]陈旭，陈德桂．低压限流断路器背后击穿现象的数值模拟研究[J]．中国电机工程学报，2000，20(3)：16-19.

[7]金立军，马志瀛，董恩伏．高压限流熔断件稳定温升的计算和验证．中国电机工程学报，1999，19(11):55-58.

[8]庄劲武，张晓锋，杨锋等.船舶直流电网短路限流装置的设计与分析.中国电机工程学报，2005，25(20):26-30.

[9]华伟．现代电力电子器件及其应用[M].北京:清华大学出版社,2002.

[10]MEYER C，SCHRODER S，de DONCKER R W.Solid-state circuit breakers and current limiters for medium-voltage systems having distributed power systems[J].IEEE transactions on power electronics,2004,19(5): 1333-1340.

[11]丁祖军，郑建勇，梅军.基于DSP的IGBT固态断路器设计与优化[J].电力自动化设备，2004，24(10)：55-57.