[发明专利]用于功率质量保护的方法和系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年7月16日提交的美国临时专利申请第61/365236号的优先权的权益，该申请通过引用合并于此。

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ABD0100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。