舰船应急电源控制装置、方法及计算机可读存储介质与流程

本发明涉及舰船电源装备控制技术领域，具体地，涉及一种舰船应急电源控制装置、方法及计算机可读存储介质。

背景技术：

现代舰船智能化设备对于电源的依赖越来越大，紧急情况下，迫切需要不间断应急电源维持供电，而小型舰船往往只有蓄电池作为应急电源，失电情况下，由人工手动操作，仅能作为应急照明之用，显然不能满足现代舰船实战的需要。因此提供一种能够实现电能自动转换的舰船应急电源控制装置和方法具有较高的实战意义。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种舰船应急电源控制装置、方法及计算机可读存储介质。

根据本发明提供的一种舰船应急电源控制装置，包括强电部分、弱电部分以及舰船电力部分；

所述强电部分和舰船电力部分分别与交流负载电连接；

所述强电部分包括蓄电池、逆变器以及主开关；所述主开关包括保护电路；

所述弱电部分包括嵌入式智能控制板和传感器；

所述传感器能够检测蓄电池、逆变器以及主开关的状态信号并输入嵌入式智能控制板，所述嵌入式智能控制板能够将控制信号输出至逆变器和主开关。

优选地，所述嵌入式智能控制板包括数字信号处理器dsp、缓冲电路、光藕驱动以及i/o接口；

所述传感器检测得到的蓄电池、逆变器以及主开关的状态信号能够通过i/o接口输入嵌入式智能控制板，数字信号处理器dsp能够输出控制信号；所述控制信号依次经过i/o接口、缓冲电路以及光藕驱动传输至逆变器和主开关。

优选地，所述数字信号处理器dsp包括事件管理器、可编程复用gpio口、高速a/d转换器、can总线接口、锁相环时钟模块、看门狗定时模块以及外部中断，能够通过设置的算法实现电能自动转换控制。

优选地，所述缓冲电路和光藕驱动能够放大数字信号处理器dsp输出的控制信号，并且能够实现强电部分和弱电部分的隔离。

优选地，所述传感器包括电压传感器、电流传感器、电量传感器、温度传感器以及位置传感器；所述传感器能够检测蓄电池的电压、电流以及电量作为第一信号，检测逆变器的电压、电流以及温度作为第二信号，检测主开关的电流、电量以及位置作为第三信号，并将第一信号、第二信号以及第三信号作为状态信号输入至数字信号处理器dsp。

优选地，所述逆变器采用五电平逆变。

根据本发明提供的一种舰船应急电源控制方法，利用上述的舰船应急电源控制装置，包括：

逆变器步骤：使用h桥级联五电平逆变电路拓扑结构和不等幅pwm波控制策略，电路拓扑结构增加为五电平逆变，将具有独立直流电源的全桥逆变器级联，分别对每一级进行pwm控制；

pwm控制步骤：根据正弦波频率、幅值以及半周期脉冲数，计算pwm波各脉冲宽度和间隔，并根据计算得到的pwm波各脉冲宽度和间隔控制逆变电路开关器件的通断，得到spwm波形；

特定谐波pwm消除步骤：在计算pwm波脉冲宽度和间隔时，通过对满足狄利克雷(dirichlet)充分条件的预期相电压输出波形展开为三角级数，并通过采用1/4周期对称的波形进行简化，消除特定频率的低次谐波；

其中所述pwm是指脉冲宽度调制技术(pulsewidthmodulation)；spwm波形是指脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的脉冲宽度调制波形(sinusoidalpwm)。

优选地，本发明提供的舰船应急电源控制方法还包括：

保护步骤：设定功率器件过流、功率器件驱动信号欠压以及功率器件过热情况下的传感器参数作为预警参数，嵌入式智能控制板接收传感器检测的蓄电池、逆变器以及主开关的状态信号后，与预警参数进行对比，当状态信号达到预警参数时，嵌入式智能控制板发出控制信号，控制保护电路工作。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的舰船应急电源控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的舰船应急电源控制装置能够独立工作，结构简单合理、成本低廉、使用灵活、机动性好，能够有效保证舰船电源供给；

2、本发明提供的舰船应急电源控制方法，采用五电平逆变，相对于传统两电平逆变器而言，利用增加逆变电路电平数的方法来减少电压变化率du/dt和电磁干扰emi(electromagneticinterference)，减少输出电压中的谐波，减少开关损耗，增大逆变器的输出电压和输出功率，输出电压和电流波形更接近正弦；

3、本发明提供的舰船应急电源控制方法，能够通过主开关和保护电路，实现对通常系统工作时可能出现的功率器件过流、功率器件驱动信号欠压以及功率器件过热等问题的识别保护，并考虑分散式的发电系统在故障状态下的应对方案，解决孤岛效应问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的舰船应急电源控制装置的结构示意图；

图2为本发明提供的舰船应急电源控制装置中五电平逆变拓扑结构的示意图；

图3为本发明提供的舰船应急电源控制装置的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种舰船应急电源控制装置，包括强电部分、弱电部分以及舰船电力部分；

所述强电部分和舰船电力部分分别与交流负载电连接；

所述强电部分包括蓄电池、逆变器以及主开关；所述主开关包括保护电路；

所述弱电部分包括嵌入式智能控制板和传感器；

所述传感器能够检测蓄电池、逆变器以及主开关的状态信号并输入嵌入式智能控制板，所述嵌入式智能控制板能够将控制信号输出至逆变器和主开关。

优选地，所述嵌入式智能控制板包括数字信号处理器dsp、缓冲电路、光藕驱动以及i/o接口；所述传感器检测得到的蓄电池、逆变器以及主开关的状态信号能够通过i/o接口输入嵌入式智能控制板，数字信号处理器dsp能够输出控制信号；所述控制信号依次经过i/o接口、缓冲电路以及光藕驱动传输至逆变器和主开关。所述数字信号处理器dsp包括事件管理器、可编程复用gpio口、高速a/d转换器、can总线接口、锁相环时钟模块、看门狗定时模块以及外部中断，能够通过设置的算法实现电能自动转换控制。所述缓冲电路和光藕驱动能够放大数字信号处理器dsp输出的控制信号，并且能够实现强电部分和弱电部分的隔离。所述传感器包括电压传感器、电流传感器、电量传感器、温度传感器以及位置传感器；所述传感器能够检测蓄电池的电压、电流以及电量作为第一信号，检测逆变器的电压、电流以及温度作为第二信号，检测主开关的电流、电量以及位置作为第三信号，并将第一信号、第二信号以及第三信号作为状态信号输入至数字信号处理器dsp。所述逆变器采用五电平逆变。

根据本发明提供的一种舰船应急电源控制方法，利用上述的舰船应急电源控制装置，包括：

逆变器步骤：使用h桥级联五电平逆变电路拓扑结构和不等幅pwm波控制策略，电路拓扑结构增加为五电平逆变，将具有独立直流电源的全桥逆变器级联，分别对每一级进行pwm控制；

pwm控制步骤：根据正弦波频率、幅值以及半周期脉冲数，计算pwm波各脉冲宽度和间隔，并根据计算得到的pwm波各脉冲宽度和间隔控制逆变电路开关器件的通断，得到spwm波形；

特定谐波pwm消除步骤：在计算pwm波脉冲宽度和间隔时，通过对满足狄利克雷(dirichlet)充分条件的预期相电压输出波形展开为三角级数，并通过采用1/4周期对称的波形进行简化，消除特定频率的低次谐波；

其中所述pwm是指脉冲宽度调制技术(pulsewidthmodulation)；spwm波形是指脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的脉冲宽度调制波形(sinusoidalpwm)。

具体地，本发明提供的舰船应急电源控制方法还包括：

保护步骤：设定功率器件过流、功率器件驱动信号欠压以及功率器件过热情况下的传感器参数作为预警参数，嵌入式智能控制板接收传感器检测的蓄电池、逆变器以及主开关的状态信号后，与预警参数进行对比，当状态信号达到预警参数时，嵌入式智能控制板发出控制信号，控制保护电路工作。

根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的舰船应急电源控制方法的步骤。

更具体地，所述数字信号处理器dsp是一种独特的微处理器，本专利使用用于电机控制与运动控制的dsp实现电能自动转换控制。所述逆变器，使用电路拓扑结构和控制逻辑，增加为五电平逆变，相对于传统两电平逆变器而言，利用增加逆变电路电平数的方法来减少电压变化率du/dt和电磁干扰emi(electromagneticinterference)，减少输出电压中的谐波，减少开关损耗，增大逆变器的输出电压和输出功率，输出电压和电流波形更接近正弦。所述主开关和保护电路，对于通常系统工作时可能出现的功率器件过流、功率器件驱动信号欠压以及功率器件过热问题，通过硬件电路检测，配合软件加以判断、检测并进行处理。还需要考虑分散式的发电系统在故障状态下的应对方案，解决孤岛效应问题。所述数字信号处理器dsp的脉冲宽度调制技术pwm(pulsewidthmodulation)控制策略，要实现多电平逆变器系统高性能和高效率的运行，不仅需要适当的电路拓扑结构作为基础，还要有相应的pwm控制策略作为保障。是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术，它与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的。

进一步地，数字信号处理器dsp是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。能够应用于：信号处理，如数字滤波；通信，如调制解调器、传真或者扩频通信；语音，如语音编码、语音合成、语音识别；图像/图形处理、图像压缩；自动控制等；具有如下的共同特点：

指令系统具有单周期乘法指令；单周期乘/累加指令，采用流水线作业，指令执行快，几乎每条指令可在10ns(100mips)内完成；

对于适用自动控制的数字信号处理器dsp有它的特殊性，这种数字信号处理器dsp设置有丰富的片内外设的资源，包括事件管理器、独立可编程复用i/0口、高速(s/h+conversion＝500ns)a/d转换器、can(controllerareanetwork)总线接口、锁相环(pll)时钟模块、看门狗(wd)定时模块以及外部中断(复位、电源驱动保护及可屏蔽中断)。该数字信号处理器dsp能够用于电机控制与运动控制数字化。本专利使用用于电机控制与运动控制的dsp实现电能自动转换控制。

更进一步地，本发明通过改进的算法实现了控制信号的产生，输出了质量良好的控制信号。事件管理器所提供的丰富的资源用来方便实现电源控制策略，事件管理器ev中有3个全比较单元，全比较单元的时间基准由通用定时器1提供，当全比较单元工作于pwm模式时，它由不同的控制寄存器进行控制，编程改变pwm周期和pwm脉冲宽度。可编程复用gpio(generalprogrammableio)口、高速(s/h+conversion＝500ns)a/d转换器、can(controllerareanetwork)总线接口、锁相环pll(phase-lockedloop)时钟模块、看门狗wd(watchdog)定时模块，外部中断(复位、电源驱动保护及可屏蔽中断)以及pwm通道都在本专利得到充分发挥。除了事件管理器实现pwm调制，这里把can总线接口用于现场总线控制；锁相环pll简单的用途是倍频、分频，本发明利用外部输入的信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪和同步；看门狗wd，利用wd溢出产生一个系统复位，增强cpu的可靠性，确保系统运行的安全和稳定。逆变器是主电路，负责完成电能转换，使用h桥级联五电平逆变电路拓扑结构和不等幅pwm波控制策略，如图2所示，采用级联型五电平逆变器，级联型多电平逆变器的基本思想是将具有独立直流电源的全桥逆变器(h桥单元)进行级联。采用h桥级联逆变器每个开关器件有合适的开通角度，变换器阶梯状的输出波形将更加逼近正弦波形，每个功率逆变单元直流侧采用互相独立的直流电源，不存在电压不平衡问题，可分别对每一级进行pwm控制；采用h桥单元进行模块化设计，制造装配简单；采用软开关技术，以避免笨重、耗能的阻－容吸收电路。

对于分散式的发电系统，还需要考虑在故障状态下的应对方案。当舰船电源的供电，因故障或损坏失电时，应急电源实现对重要负载不间断供电，而由应急电源和重要的负载形成的一个舰船电源无法掌握的自给供电孤岛，会造成不利的影响，所以应急电源在工作时有明确指示，当舰船电源恢复时必须立即脱离，解决孤岛效应问题。

数字信号处理器dsp的脉冲宽度调制技术pwm控制策略，是多电平逆变器研究中一个相当关键的技术，它与多电平逆变器拓扑结构的提出是共生的。要实现多电平逆变器系统高性能和高效率的运行，不仅需要适当的电路拓扑结构作为基础，还要有相应的pwm控制策略作为保障。通常的二电平逆变，得到是等幅pwm波，多电平逆变，得到是不等幅pwm波，pwm技术在二电平中的应用已经日臻完善。多电平变换器的pwm控制方法具有不同的性能要求，增加了算法难度，pwm信号使用直接计算法生成的过程比较繁琐，我们使用了矩阵特征值计算方法并使用了栈和队列方法。

对于特定谐波pwm消除shepwm(selectiveharmoniceliminationpulsewidthmodulation)法在多电平场合的实现，以三电平为例，其工作原理如下：

首先，应当给出预期的相电压输出波形，这种波形和spwm的输出波形类似，只是各个开关角均未确定。由于这种波形满足狄利克雷(dirichlet)充分条件，所以它可以展开成三角级数：

其中：

n＝0,1,2,3……，t为周期

为了消除所有偶次谐波，同时考虑简化计算，应当采用1/4周期对称的波形。于是，可以证明，an＝0，将(1-1)式化简为：

将上述波形带入(1-3)中，可以得到：

式中，n为所取的待定开关角的总数。

由于波形式1/4周期对称的，因此(1-5)式可以进一步简化为：

式中，

从(1-6)式中可以看出，所有偶次谐波都已被消除了。

另外，对于三相对称负载，则可以不考虑三的倍数次谐波的影响，这样就可以得到如下关于三电平shepwm开关角度的非线性方程组：

利用(1-6)和(1-7)式可以构建n个方程，对该方程组求解将能使n-1个谐波幅值直接为0，也可以消除n-1个特定频率的低次谐波。对于pwm还考虑到提高直流电压利用率和减少开关次数。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。