交直流分时输出的航空静变电源装置及其控制方法与流程

本发明涉及电源技术领域，具体涉及一种交直流分时输出的航空静变电源装置及其控制方法。

背景技术：

飞机电气系统主要由供电设备和用电设备组成，随着各类飞机的快速发展以及多电、全电飞机的问世，对供电设备提出了更高的要求。作为供电设备中的重要组成部分，大功率高集成化航空静变电源已逐步取代传统的发电机，在电能质量、供电效率、可靠性、体积重量等方面都有很大提高。

自1946年美国发明恒速传动装置以来，115V/400Hz中频交流电能广泛应用于航空供电系统中，其供电方式经过了几十年的发展，从早期的中频发电机到现在的中频静变电源。目前中大型民用客机如波音公司的B737、B747、B777，空客公司的A320、A330、A340等均采用的是中频交流供电系统，另一方面，在国内外的军用飞机上也有广泛应用。

随着无刷电机、功率电子器件和大规模集成电路等相关技术的发展，在70年代开始出现270V高压直流供电系统。高压直流供电系统兼顾低压直流电源系统和交流电源系统的优点，简单、经济、维护方便、利于并联，但是电路开关器件、电能变换装置、无刷直流电机使得供电系统比较复杂。随着新型半导体开关器件功能的优化、电能变换策略的改进以及数字控制算法的发展，新一代大功率DC-DC变换器将进一步推动270V高压直流供电系统的发展与应用。此外，在可靠性高、体积小、易于实现余度供电和不间断供电以及分配二次电源方面，高压直流供电系统将发挥其巨大的优势。目前，在民用飞机领域，波音787已大规模采用270V直流电源，而空客A380正在将高压直流推入市场，目前处于设计阶段的飞机也将采用270V直流供电。可见，115V/400Hz中频交流电和270V直流电是如今航空供电系统中重要的组成部分并且起到至关重要的作用。

根据不同飞机的用电需求，航空供电系统的供电方式为：不同电制电能独立供电，即采用中频电源和直流电源分别提供交流和直流电能，所需的航空电源装置数量和种类较多。可见，现有的航空供电系统方案比较复杂，且体积大、分系统多，不利于整个系统运行的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种交直流分时输出的航空静变电源装置及其控制方法，该装置的交直流部分共用主电路拓扑及控制单元，大大提高了航空电源的集成度和功率密度。该方法在保证交直流输出电能品质的基础上，实现交直流输出的可靠切换，即分时输出。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种交直流分时输出的航空静变电源装置，其特征在于：它包括高频PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)整流单元、H桥级联逆变单元、逆变滤波单元、交直流切换单元、直流输出整流单元、控制单元和直流输出滤波单元，其中，高频PWM整流单元的输出端连接H桥级联逆变单元的输入端，H桥级联逆变单元的输出端连接逆变滤波单元的输入端，逆变滤波单元的输出端连接交直流切换单元的输入端，交直流切换单元的直流输出端连接直流输出整流单元的输入端，直流输出整流单元的输出端连接直流输出滤波单元的输入端，直流输出滤波单元具有直流输出端，交直流切换单元具有交流输出端，所述控制单元的高频PWM整流控制信号输出端连接高频PWM整流单元的控制端，控制单元的逆变控制信号输出端连接H桥级联逆变单元的控制端，控制单元的交直流切换控制信号输出端连接交直流切换单元的控制端。

一种上述交直流分时输出的航空静变电源装置的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：将高频PWM控制算法、交流输出控制算法以及直流输出控制算法同时写入控制单元中，并将上述高频PWM控制算法、交流输出控制算法以及直流输出控制算法分别赋予执行指令G、J、Z，当执行指令等于1时代表执行该算法，当执行指令等于0时代表不执行该算法，控制单元根据高频PWM控制算法对高频PWM整流单元进行控制，控制单元根据交流输出控制算法以及直流输出控制算法对H桥级联逆变单元进行控制；

步骤2：根据不同的应用场合以及输出电能需求，执行指令仅按照下述5种方式组合实施：

装置停机：G＝0、J＝0、Z＝0；

当高频PWM整流单元向外围电网注入谐波电流不大于5％基波电流，高频PWM整流单元工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置交流输出时：G＝1、J＝1、Z＝0；

当高频PWM整流单元(1)不工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置交流输出时：G＝0、J＝1、Z＝0；

当高频PWM整流单元向外围电网注入谐波电流不大于5％基波电流，PWM整流单元(1)工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置直流输出时：G＝1、J＝0、Z＝1；

当PWM整流单元(1)不工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置直流输出时：G＝0、J＝0、Z＝1；

上述(J and Z)＝0；

步骤3：根据步骤(2)的方式，当J＝1时，三相直流断路器K2首先合闸，三相交流断路器K1处于分断状态，继而控制单元(7)执行交流输出控制算法；当Z＝1时，三相交流断路器K1首先合闸，三相直流断路器K2处于分断状态，继而控制单元(7)执行直流输出控制算法；

步骤4：在步骤(3)中，若G＝J＝Z＝0时，交直流分时输出的航空静变电源装置停机。

本发明相对于现有技术具有以下优点：交直流共用主电路拓扑及控制单元，装置集成化程度及功率密度大幅提高，体积和重量大幅减小；直流输出由三个独立单元并联构成，提高了装置的直流输出容量和冗余性；不同控制算法集成于同一控制单元，不仅减少了控制单元的数量，而且通过执行指令的组合实施，方便快捷地满足负载对于装置在不同场合及不同输出电能的需求。

附图说明

图1为交直流分时输出的航空静变电源装置原理图。

图2为1组H桥级联逆变单元、逆变滤波单元及直流输出整流单元电气原理图。

图3为直流移相控制下单H桥一个开关周期的工作过程图。

图4为交直流分时输出的航空静变电源装置控制方法流程图。

图2中U_IN为直流母线电压，U_H1为上H桥输出电压，U_H2为下H桥输出电压，U_T1为H桥级联输出电压，U₀为直流输出电压；图3中t₀～t₁₂均为时刻，K为直流输出电压系数。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明的交直流分时输出的航空静变电源装置，如图1所示，它包括高频PWM整流单元1、H桥级联逆变单元2、逆变滤波单元3、交直流切换单元4、直流输出整流单元5、控制单元7和直流输出滤波单元6，其中，高频PWM整流单元1的输出端连接H桥级联逆变单元2的输入端，H桥级联逆变单元2的输出端连接逆变滤波单元3的输入端，逆变滤波单元3的输出端连接交直流切换单元4的输入端，交直流切换单元4的直流输出端连接直流输出整流单元5的输入端，直流输出整流单元5的输出端连接直流输出滤波单元6的输入端，直流输出滤波单元6具有直流输出端，交直流切换单元4具有交流输出端，所述控制单元7的高频PWM整流控制信号输出端连接高频PWM整流单元1的控制端，控制单元7的逆变控制信号(交流输出控制和直流输出控制)输出端连接H桥级联逆变单元2的控制端，控制单元7的交直流切换控制信号输出端连接交直流切换单元4的控制端。

上述技术方案中，所述高频PWM整流单元1由LCL电路、三相全桥整流电路及直流支撑电容C1组成，三相全桥整流电路采用PWM信号进行驱动，减小装置对电网的干扰，高频PWM整流单元1的输入端连接三相三线制交流电源(380V/50HZ交流电)。

上述技术方案中，所述H桥级联逆变单元2由H桥电路H1、H桥电路H2、H桥电路H3、H桥电路H4、H桥电路H5、H桥电路H6、隔离变压器T1、隔离变压器T2和隔离变压器T3组成，H桥电路H1和H桥电路H2通过隔离变压器T1的原边级联构成第一组独立的H桥级联逆变单元，H桥电路H3和H桥电路H4通过隔离变压器T2的原边级联构成第二组独立的H桥级联逆变单元，H桥电路H5和H桥电路H6通过隔离变压器T3的原边级联构成第三组独立的H桥级联逆变单元。提高了装置的等效开关频率，降低交流输出电压谐波，同时三相可独立控制，增加灵活度。如图2所示，单组独立的H桥级联逆变单元内部同时采用倍频PWM控制方法，从而达到4倍频工作的效果，形成相电压U_T1波形5电平输出，提高了装置的等效开关频率，降低了输出电压的谐波含量，同时三相可独立控制，增加灵活度。

上述技术方案中，所述逆变滤波单元3由三个独立的LC电路组成(第一个独立的LC电路包括电感L1和电容C2、第二个独立的LC电路包括电感L2和电容C3、第三个独立的LC电路包括电感L3和电容C4)，交直流切换单元4包括三相直流断路器K1和三相交流断路器K2，两个断路器之间带有互锁功能，保证交直流的可靠切换；所述直流输出整流单元5包括单相全桥整流电路D1、单相全桥整流电路D2和单相全桥整流电路D3，结构简单，所述三个独立的LC电路输出端的第一接口分别与三相交流断路器K1的输入端和三相直流断路器K2的输入端连接，三个独立的LC电路输出端的第二接口相连构成交流输出端的N相；

三个独立的LC电路输出端的第二接口还分别与单相全桥整流电路D1、单相全桥整流电路D2和单相全桥整流电路D3的输入相连；

三相交流断路器K2的输出构成交流输出端的A、B、C三相，三相直流断路器K1的输出端分别连接单相全桥整流电路D1、单相全桥整流电路D2和单相全桥整流电路D3的输入端。

上述技术方案中，所述直流输出滤波单元6由三个独立的平波电容和正负极平衡的平波电感组成(电感L4、电感L5、电感L6、电容C5、电容C6、电容C7)，平衡直流输出正负极的脉动电压，三组平波电感的输出正负极并联构成直流输出端，单相全桥整流电路D1、单相全桥整流电路D2和单相全桥整流电路D3的输出端分别连接直流输出滤波单元6的输入端。上述设置提高装置的直流输出容量，增加了系统冗余性。

上述技术方案中，每组独立的H桥级联逆变单元均包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)S1～绝缘栅双极型晶体管S8，其中，绝缘栅双极型晶体管S1的集电极、绝缘栅双极型晶体管S3的集电极、绝缘栅双极型晶体管S5的集电极和绝缘栅双极型晶体管S7的集电极均连接高频PWM整流单元1的正极输出端，绝缘栅双极型晶体管S2的发射极、绝缘栅双极型晶体管S4的发射极、绝缘栅双极型晶体管S6的发射极、绝缘栅双极型晶体管S8的发射极均连接高频PWM整流单元1的负极输出端，绝缘栅双极型晶体管S2的集电极连接绝缘栅双极型晶体管S 1的发射极，绝缘栅双极型晶体管S4的集电极连接绝缘栅双极型晶体管S3的发射极，绝缘栅双极型晶体管S6的集电极连接绝缘栅双极型晶体管S5的发射极，绝缘栅双极型晶体管S8的集电极连接绝缘栅双极型晶体管S7的发射极；

在第一组独立的H桥级联逆变单元中，绝缘栅双极型晶体管S2的集电极、绝缘栅双极型晶体管S4的集电极、绝缘栅双极型晶体管S6的集电极和绝缘栅双极型晶体管S8的集电极与隔离变压器T1的原边级联；

在第二组独立的H桥级联逆变单元中，绝缘栅双极型晶体管S2的集电极、绝缘栅双极型晶体管S4的集电极、绝缘栅双极型晶体管S6的集电极和绝缘栅双极型晶体管S8的集电极与隔离变压器T2的原边级联；

在第三组独立的H桥级联逆变单元中，绝缘栅双极型晶体管S2的集电极、绝缘栅双极型晶体管S4的集电极、绝缘栅双极型晶体管S6的集电极和绝缘栅双极型晶体管S8的集电极与隔离变压器T3的原边级联；

每组独立的H桥级联逆变单元中绝缘栅双极型晶体管S 1、绝缘栅双极型晶体管S2、绝缘栅双极型晶体管S3、绝缘栅双极型晶体管S4、绝缘栅双极型晶体管S5、绝缘栅双极型晶体管S6、绝缘栅双极型晶体管S7和绝缘栅双极型晶体管S8的基极均连接控制单元7的逆变控制信号输出端。

如图2所示，为了更好的说明直流输出的原理，本发明中以移相控制为例进行说明。H桥级联逆变单元2中开关管的控制方式采用PWM移相控制，该控制方式简单，结合软开关技术，可以实现恒定频率的零电压开关，从而降低开关损耗，并且可以通过控制移相角改变开关管导通占空比，从而调节输出电压大小。单个H桥电路的一个开关周期全过程包含12个不同的工作过程，其工作波形如图3所示。直流输出整流单元5与直流输出滤波单元6相连，直流输出滤波单元6由三个独立的正负极平衡的平波电感和电容组成，平衡直流输出正负极的脉动电压，三组平波电感的输出正负极并联构成装置的直流输出，提高了装置的直流输出容量和增加了系统的冗余性。

本发明中所述高频PWM整流单元1、H桥级联逆变单元2和逆变滤波单元3为航空静变电源装置共用主电路拓扑部分，控制单元为交直流共用控制系统，提高了装置的系统集成化和电能变换的功率密度，减小了装置的体积。

一种上述交直流分时输出的航空静变电源装置的控制方法，如图4所示，它包括如下步骤：

步骤1：将高频PWM控制算法、交流输出控制算法以及直流输出控制算法(以上算法均为现有常规算法)同时写入控制单元7中，并将上述高频PWM控制算法、交流输出控制算法以及直流输出控制算法分别赋予执行指令G、J、Z，当执行指令等于1时代表执行该算法，当执行指令等于0时代表不执行该算法，控制单元7根据高频PWM控制算法对高频PWM整流单元1进行控制，控制单元7根据交流输出控制算法以及直流输出控制算法对H桥级联逆变单元2进行控制；

步骤2：根据不同的应用场合以及输出电能需求，执行指令仅按照下述5种方式组合实施：

交直流分时输出的航空静变电源装置停机：G＝0、J＝0、Z＝0；

当高频PWM整流单元1向外围电网注入谐波电流不大于5％基波电流，高频PWM整流单元1工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置交流输出时(此时电网干扰要求高)：G＝1、J＝1、Z＝0；

当高频PWM整流单元1不工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置交流输出时(此时电网干扰无要求)：G＝0、J＝1、Z＝0；

当高频PWM整流单元1向外围电网注入谐波电流不大于5％基波电流，PWM整流单元1工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置直流输出时(此时电网干扰要求高)：G＝1、J＝0、Z＝1；

当PWM整流单元1不工作，且交直流分时输出的航空静变电源装置直流输出时(电网干扰无要求)：G＝0、J＝0、Z＝1；

上述(J and Z)＝0；

步骤3：根据步骤2的方式，当J＝1时，三相直流断路器K2首先合闸，三相交流断路器K1处于分断状态，继而控制单元7执行交流输出控制算法；当Z＝1时，三相交流断路器K1首先合闸，三相直流断路器K2处于分断状态，继而控制单元(7)执行直流输出控制算法；

步骤4：在步骤(3)中，若G＝J＝Z＝0时，交直流分时输出的航空静变电源装置停机。

所述仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据交流输出控制算法、直流输出控制算法以及滤波参数的不同做出其它不同形式的变化或变动。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。