专利名称：控制直流电网的两个核之间的功率传送以及为交流发动机提供功率的组合装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于纟空制直流电网的两个核(core)之间的功率传 送以及用于为交流发动枳4是供功率的组合装置。
本发明的技术领域特别涉及装载在飞行器上的直流电网。然 而，本发明的装置也能够被用于任何类型的机载电网(船舶、机动 车辆等)，以及甚至不是冲几载的电网，例如在与固定电网(直流局 域电网、铁路等)相应的固定应用领域。
为了使说明书简单，我们将其限制到机载航空领域。
在该-说明书的剩余部分，术语"直流电网"以及"直流电流电 网"具有相同的意义，因此能够交替4吏用。
背景技术：
在机载电网中通过直流连接传送能量的优点主要是由于电力 电子学的发展，特别是由于飞机上的机载机电致动器的数量的增 加。这些致动器中的大多数(由静态转换器控制并提供功率)，实 际上需要直流电压级(stage)的存在。然而，这种级是4吏用交-直流 转换乂人传统的交流电网获得的。有可能用集中式的直流电压配电取代所有这样^使用的转换单
元该配电可以是全部直流配电(高压直流或HVDC电网)或部分 直流配电(组合的交-直;充电网)。
然而，特别是考虑到确保这些电网的稳定性而与被供电负载的 类型无关的需要，这种直流电网的实施才是出了新的术问题。
为了为连接至这种直流电网的每个设备获得足够好的电压质 量以及为了过滤由该设备所生成的谐波，可以使用滤波器，例如置 于设备的输入端的LC型滤波器(L:电感；C:电容)。在当前的 直流电网中，所连"l妄的负载(charge)通常由电力电子设备和控制 电子设备所控制，该负载在滤波器的截至频率范围内吸收接近常量 的功率。在所连接的设备的调节是动态有效的情况下，这种现象就 甚至更为显著。然而，置于直流电源和调节的静态转换器之间的输 入滤波器，在强大的冲击下能够突然发生振荡。L/C之比越高(当 通过长的电缆长度连接设备时，尤其如此)，滤波器电容端的电压 振荡越大。
在说明书末尾所引用的文件[l]显示由通过静态转换器充电的 滤波器构成的任何系统(其在滤波器的动态范围内吸收恒定的功 率)是潜在地不稳定的系统。
当前的交流电网的结构由通过电线将所有i殳备连接到 一个单 一的集中式的"核，，所构成，电线可以非常长，乂人而具有相当大的 阻抗。
"核"是源-负载互连节点(其包括保护性的元件和接触元件)， 其电压(在该情况下为直流)由外部元件来稳、定。核可以连4妄至能 量源交流发电机+整流器组("连接的核")。它也可仅连接至电源(存储元件)或非常简单地连接至一个或多个其他核("非连4妾的 核")。
考虑到上述的潜在不稳定性现象，使用非常长的线缆的倾向加 重了该现象，因此在交流电网的结构上才莫拟直流电网的结构是既不 充分也不合理的。
引用的文件[2]和[3]描迷了旨在减小该不稳定性的风险的现有
:忮术的两个解决方案。
这两个文件中的第一个描述了在首创的MEA(多电飞才几， "More Electric Aircraft")的领域中的飞才几上的配电系统。大部分负 载(包括致动器)被通过使用双向功率转换器进行调节，该双向功 率转换器基于直流总线来控制和调节功率。在该文件中分析了在相 当大的干扰的情况下的稳定性的损失，以显示非线性稳定性分析方 法的用处。
这两个文件中的第二个描述了一种用于分布式电力系统的有 源直流总线调节器，其补偿直流总线上的谐波和无功电流，并且主 动衰减直流电力系统中的荡。
本发明旨在结合两种独特的功能
a)通过在两个核之间接入一种电力和控制电子设备来减小不 稳定性的风险，这两个核置于其中安装有电网的系统的不同区域 中，因此这两个核分开相当大距离，该电力和控制电子设备能够控 制这些核之间的功率传送，同时确保处于正常模式以及降级模式 (电源损失、过多的功率在核上，等)下的该功率的质量和可用性， 以及b)为交流发动机提供功率
发明内容
本发明涉及一种能够组合两种功能的装置
a) 控制直流电网的两个核(节点)之间的功率传送；以及
b) 可控地为交流发动枳4是供功率， 特征在于其包括
-由两个三相逆变器构成的组件，每个三相逆变器由连接至所述 发动才几的三个士刀4奐单元构成，该发动才几具有连4矣至该两个三相逆变 器的三个定子绕组，以及
-用于控制该组件的才莫块，其确^呆可调节的直流功率传送和两个 核中之一 的直流电压的稳定和对所述发动机的控制。
有利;也，每个切:换单元由两个电压单向而电流^又向开关构成。 每个开关可包括以反并联结构与二极管相结合的晶体管。
本发明的装置具有以下优点
-它使得能够设计具有分散型的核的网状电网结构，以及通过使 该稳定的多个电压节点(多个核)和设备之间的线缆长度最小化来 确保这些电网的稳定性，甚至当存在吸收接近常量的功率的不稳定 的负载时。
-在正常模式下，它执行两个核之间的可控的功率传送，使得分 配和平tf该一个或多个电网的功率通量成为可能。该稳、定性是由电流控制的连接确保的，即使核之间的线缆长度很长且存在能够振荡
的网格(mesh)。因此，核连接/断开模式是稳定的和平滑的。
-在正常模式下，它能充当未连接至能量源的核的"稳压器"。
-在降级模式下(例如，当电源损失时)，在核(节点)与所述 电源断开之后，它能够充当连接至缺省的电源的核的稳压器"。
-只要^f吏用了交流发动才几的电感绕组，它就不需要额外的电感。 很长长度的线缆较小地改变电源功能或根本不改变电源功能。
-差动地施加在交流发动才几的三个绕组的六个端子处的电压相 对于可从核得到的电压加倍了 ，这使得可以想象(对于相同的功率) 电流的减小，以及原则上，交流发动^L的更有利的尺寸调整。
-相对于具有同样功率的致动器的传统功能，硅的额外花费是今。
图1示出了根据本发明的用于控制直流电网的两个核之间的功 率传送以及用于为交流发动机提供功率的組合装置。
图2示出了根据本发明的具有分散的核的机载电网结构。
图3示出了本发明的装置的实例实施例。
图4A至图4D示出了利用图3的实例实施例获^f寻的时间图， 这些图分别示出了作为时间的函凄史的发动枳JM中的电流、总线VB 的电压、总线IBI的电流、以及负载IC1的电流。
具体实施例方式
图1示出了本发明的用于控制直流电网的两个核42和46之间 的功率传送以及用于为交流发动才几13^是供功率的组合装置10的图 示，该组合装置包括
-由两个三相逆变器14和15构成的组件19，三相逆变器中的 每个由连接至所述发动机13的三个切换单元16、 17、 18和20、 21、 22组成，如图3所示，其中每个切换单元由电压单向而电流双向的 两个开关(例如，以反并联结构与二极管相结合的晶体管)组成， 交流发动机13具有三个连接至两个三相逆变器的定子绕组，以及
-才莫块23，用于控制该组件19，以确保可调节的直流功率传送、 以及两个核42和46的直流电压的稳、定和对所述发动才几的控制。
切换单元16、 17、 18和20、 21、 22的控制使得能够对连接两 个核42和46的电线上的电流进行接近瞬时的控制，响应时间为本 发明的装置中的相关单元的几个切换周期的量级(通常几毫秒)。 该(接近瞬时的)控制能够
-在正常操作模式下以及在与其中一个核相关的发电机发生故 障的情况下(这种情况下该功率传送能够乂人两个核中的一个向另一 个无区别地进4亍)，建立对两个核42和46之间的功率传送的调整。
一调节和平;f軒由为该多个核4是供功率的交流发电4几所才是供的功率。
-通过本发明的装置的两个切换单元的适当的控制，帮助确j呆在 核处所提供的两个核42和46的电压的稳定性。
本发明的装置由此扭^亍多个功能。它同时能够进4亍-可调节的直流功率传送，以及
-两个核42或46之一的直流电压的控制和稳定，以及 -提供功率并控制交流发动机。
本发明的装置更具体地定向于两个分散的核之间的能量交换 的管理和控制，该两个核具有基本的"电压源"属性(至少瞬时地)， 如果需要，这可由一组电容器来证实。
图2由此示出了一种安装在飞才几34上的结构，具有分散的核 30、 31、 32、和33,其中，才艮据本发明的多个装置35、 36、 37、 38 # 39 ^另'K殳置^两+才目々卩的才亥《间。
现在我们将考虑本发明的装置的功能中的每一个。
可调节的功率传送
本发明的装置能够平均地分配由电网用户消耗的交流发电机 上的功率。
图1由此示出了两个交流发电机40和41之间的消耗的功率的分配。
第 一交流发电机40通过稳定的第 一交-直流整流器模块"连接 至第一母线(第一核)42。第一负载44通过第一直流-直流才莫块45 连4妄至该第一母线42。
第二交流发电机41通过稳定的第二交-直流整流器模块47连接 至第二母线(第二核)46。第二负载48通过第二直流-直流才莫块49 连4妄至该第二母线46。本发明的装置IO，其设置在两个母线(核)42和46之间，能 够平纟軒由两个交流发电才几40和41所提供的功率。当负载变4b出3见 在核42或46中的一个时，具有最小负载的交流发电机通过本发明 的装置10供应为负载44、 48和50提供功率所必须的功率的一部分。
在正常操作下，交流发电机40和41上的待分配的功率由此可 根据耗电元件的总和而不再是连接至单个隔离的交流发电机的耗 电元件的总和而被计算。这些交流发电机40和41的操作点可这样 被强加和控制。本发明的装置10充当能够调节功率传送的电子 "阀"，即使存在为其^是供功率的直流源的电压的变化。
电压的控制和稳定
本发明的装置10能够/人连4妄的核为未连4妄的核提供功率，或 者在一个或多个电源故障的情况下，管理电网的重配置。
本发明的装置10,在交流发电才几40和41之一古t障的情况下， 能够将功率传送到位于故障的交流发电机侧的电网部分，并且控制 可能发生的瞬时的、振荡现象。
交流发动机的控制
如图3所示，电发动机13差动地连接在两个逆变器14和15 之间，逆变器14和15连4妻至两个整流器组件11和12。
该解决方案能够使所述发动机13的电源电压相对于使用单电 压逆变器提供电源的情况加倍。这种操作模式是标准的，并且控制 这两个逆变器14和15以获得发动机13所需的性能是本领域技术 人员的^口i口、的一部分。如果两个核42和46分开4艮大的距离，则每个逆变器14或15 必须置于它所连4妄到的核的附近。线路电感(图中未示出)则与发 动机13的绕组串联。
因此，发动才几13的绕组^皮用作用于循环在逆变器的三相中的 单极电流分量(这些核之间的功率传输矢量)的装置。
通过逆变器的控制所实现的该单极分量的控制使得以下成为 可能
-在正常操作才莫式下，以及在与两个核42和46其中的一个核相 关的交流发电才几出现故障的情况下，4丸行两个核之间的功率传送的 调节；该功率传送没有优选的方向，其可乂人一个核到另一个核无区 别地进行；
-调节并且特别是平衡由用于为这些核通电的交流发电4几40和 41所纟是供的功率。
-通过两个逆变器14和15的适当控制，帮助确^f呆在核42和46 处所供应的电压的稳、定性。
如果两个核之间没有能量交换发生，则发动机13被正常通电， 并且获得传统的致动器功能。如果需要能量交换，则可从一个核到 另一个核传输可调节的功率。于是单极电流分量被叠加到发动机13 的交法b电;充。f尤4空制来i兌，通过以Park's的参考系(reference frame ) 进4亍推理，这些功能^皮非常容易地且非常简单地分离开。实际上， 该致动器的控制(扭矩、速度等)是通过控制轴电流(d， q)而传 统地实现的，由此功率传送和电压稳、定功能通过简单;也控制单才及电 流(轴O)而被"叠加"。我们由此使用该三相系统的所有自由度。因此，由于本发明的装置的结构，在总电流(直流+交流)仍然小于开关、以及发动才几13所允许的最大电流的情况下，后者仍 然在正常条件(非限制的)被通电，并且两个电网之间的功率交换 对于发动机是透明的。如果达到了最大可允许的电流，并且将优先 级给予了功率传送和电压稳定功能(直流分量具有优先级)，则有 必要减小发动机中的电流的交流分量于是致动器功能被降级。实例实施例本发明的装置的发动机13的特征在于在幅度为150A的相电流 Imax下的最大运转，如图4A所示。结合用于控制逆变器14和15 的策略，作为约束条件，乂人不超过该4直，以确4呆发动才几13和逆变 器14和15的安全。该策略在本发明的装置的结构中不是强制性的， 在此^是出作为实例。因此单极分量(其表现为发动4几的三相中的直 流分量Icont)的添加在此损害相电流的正弦分量的幅度。如图4A小)。贯穿本发明的装置的电流单极分量的定义在这里由平纟紆两个 交流发电机40和41所提供的功率的目标所引导。该目标的实现可 在图4C的第二 (相位3和4)部分中评估，对应于正常才乘作，示 出了电流Idcl和Idc2,其为由两个交流发电才几40和41所4是供的功 率的图像。核42的负载44特征在于如图4D所示的恒定吸收的电流Ichl 。 核46的负载48特征在于如图4D所示的间断的吸收的电流Ich2。交流发电才几40和41最初都是功能性的。在时刻11 = 20毫秒， 假定交流发电机41知道了一个故障，并且它不再可用于供应核46 所需的功率。图4C示出了供应的电流Idc2的撤消。于是所有的功率由交流发电机40供应。核46的电压Vdc2的 维持通过将逆变器15切换到整流器操作模式来确保。图4B示出了 在两个核42 (Vdcl)和46 (Vdc2)处可用的电压的变4匕。参考资料[1] "M她ode d，6tude de la stability des ensembles convertisseurs-filtres (用于研究转换器-滤波器组件的稳定性的方 法)，，by Philippe Barrade, Hubert Piquet, and Yvon Cheron (Journal de Physique III，巻6, 91-104页，1996年1月)[2] "subsystem interaction analysis in power distribution system of next generation air-lifters (下一4戈空气提升器的西己电系统的子系纟充交 互分析)，，by Sriram Chandrasekaran， Douglas K. Lindner, Konstantin Louganshi，和Dushan Boroyevich (欧洲电力电子会i义， Lausanne, 瑞士， 1999年9月7-9日，1-6页)[3] "an active bus conditioner for a distributed power system (用于 分布式动力系统的有源汽车调节器)"by Kun Xing， Jinghong Guo, Wenkang Huang, Dengming Peng， Fred C. Lee and Dusan Borojevic(电力电子专家会议，895-900页，1999年PESC99，第30 期年刊IEEE)
权利要求
1.用于控制直流电网的两个核(42，46)之间的功率传送以及用于为交流电发动机(13)提供功率的组合装置，其特征在于，所述组合装置包括-由两个三相逆变器(14，15)构成的组件(19)，每个所述三相逆变器由连接至所述发动机(13)的三个切换单元(16，17，18，20，21，22)组成，所述发动机(13)具有三个连接至所述两个三相逆变器的定子绕组，以及-用于控制该组件(19)的模块(23)，其确保可调节的直流功率传送、直流电压的稳定以及对所述发动机(13)的控制。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，每个切换单元(16, 17, 18， 20, 21, 22)包4舌两个电压单向而电;危又又向的开关。
3. 根据权利要求2所述的装置，其中，每个开关包括以反并联结 构与二极管相结合的晶体管。
4. 包括根据前述权利要求中任一项所述的装置的飞行器。
全文摘要
本发明涉及用于瞬时控制直流电网的两个核(42，46)之间的功率传送以及用于为交流发动机(13)提供功率的组合装置(10)，其包括由两个三相逆变器构成的组件(19)，每个三相逆变器由连接至所述发动机的三个切换单元组成，所述发动机(13)具有三个连接至两个三相逆变器的定子绕组，以及用于控制该组件(19)的模块(23)，其确保可调节的直流功率传送并且如果两个核(42和46)之一未连接的话，则使两个核之一的直流电压稳定，并且控制所述发动机。
文档编号H02J1/14GK101297454SQ200680039883
公开日2008年10月29日 申请日期2006年10月27日 优先权日2005年10月27日
发明者于贝尔·皮盖, 亨利·福煦, 格扎维埃·罗博安, 洛伊克·罗兰, 热雷米·雷尼尔 申请人:法国空中客车公司;国立科学研究中心