一种航空多电发动机交直流混合电力系统及其设计方法与流程

本发明属于航空多电发动机技术领域，特别涉及一种面向航空多电发动机的电力系统设计方法。

背景技术

传统航空发动机上的发电机是通过抽取轴功率实现电力供应，其一般安装在机匣上，发电容量较小。多电发动机的概念提出利用电能代替传统的液压能、气压能以及机械能等二次能源，这一方面可以减小航空发动机的体积重量，降低附件的复杂度，同时还有利于设备的维护和检修，提高航空发动机运行的可靠性。多电发动机采用内置式的起动/发电机，这使得发动机的结构变得紧凑，减小迎风面积，有利于进一步提高燃油利用效率，因此是未来航空发动机的发展方向。

由于传统的航空发动机发电容量较小，因此其供电体制先后经历过28v直流、115v400hz交流或者二者相结合的混合电力系统，但是随着航空多电发动机概念的提出，传统的供电体制已经不能满足飞机的用电需求，因此有必要对新型的电力系统进行研究。目前已经得到应用的多电发动机电力系统供电体制有270v高压直流(主要应用在f-35上)和变频交流(主要应用在a380和b787上)，相较于传统的供电体制，270v高压直流供电体制具有发电效率高、发电和配电系统质量轻、易实现不中断供电以及可靠性高等优点；而为了减轻配电网的质量，变频交流供电体制输出交流电的频率可达360～800hz，这有效的减轻了电磁设备的重量。由于目前主流的供电体制仍然以变速恒频和恒速恒频为主，若采用新型的供电体制，势必面临着大规模更换用电设备或者为现有设备增添许多电力电子变换器的局面。因此，可取的方案是在一些必要的场合局部采用高压直流供电，大部分的用电设备仍然由恒频交流供电。

技术实现要素：

为解决上述航空发动机传统电力系统发电容量不能满足航空多电发动机使用要求的问题，本发明的目的是提供一种航空多电发动机交直流混合电力系统设计方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种航空多电发动机交直流混合电力系统，包括两个并联的内置式变频交流起动/发电机，每个内置式变频交流起动/发电机的输出端连接有ac/dc变换器，ac/dc变换器的输出端连接有直流母线，直流母线连接有dc/ac变换器、双向dc/dc变换器，dc/ac变换器连接有交流母线并作为输出，双向dc/dc变换器连接有蓄电池；直流母线、交流母线上均连接有负载；

所述ac/dc变换器为自耦变压有源滤波整流器由三相交流电源、多边形自耦变压器、三相不控整流桥、直流侧并联型有源电力滤波器、均衡电抗器和输出负载组成；三相交流电源连接多边形自耦变压器，多边形自耦变压器连接三相不控整流桥、三相不控整流桥输出端接直流侧并联型有源电力滤波器，并联型有源电力滤波器的输出端连接均衡电抗器，均衡电抗器连接输出负载；

所述dc/ac变换器为采用虚拟同步发电机技术的逆变器。

所述直流母线的额定电压为270v，交流母线的额定电压为115v，频率为400hz。

所述多边形自耦变压器为十二脉冲自耦变压器。

一种航空多电发动机交直流混合电力系统设计方法，包括以下步骤：

步骤一，将有源电力滤波器与多边形联结自耦变压整流器相结合，设计自耦变压有源滤波整流器，并将自耦变压有源滤波整流器连接在内置式变频交流起动/发电机与直流母线之间；自耦变压有源滤波整流器由三相交流电源、多边形自耦变压器、三相不控整流桥、直流侧并联型有源电力滤波器、均衡电抗器和输出负载组成，多边形自耦变压器采用十二脉冲自耦变压器，在三相不控整流桥输出端接直流侧并联型有源电力滤波器实现单个三相不控整流桥的有源滤波，在直流侧并联型有源电力滤波器后接均衡电抗器稳定直流侧输出电压；

步骤二，利用采用虚拟同步发电机技术的逆变器作为dc/ac变换器，并将dc/ac变换器连接在直流母线与交流母线之间，使交流母线的电压幅值和频率保持稳定；

步骤三，采用蓄电池和双向dc/dc变换器对直流母线的功率进行补偿，使直流母线的电压维持在额定电压附近；

步骤四，将步骤一的自耦变压有源滤波整流器作为ac/dc变换器，步骤二的dc/ac变换器、步骤三的蓄电池和双向dc/dc变换器，作为所设计电力系统的一部分，与发电部分、直流母线、交流母线、负载连接，完成整体设计。

所述步骤二中，虚拟同步发电机有功调频和无功调压特性描述如下：

θ＝∫ωdt

其无功调压特性可以描述如下：

式中，j是转子的转动惯量，为j的一阶导数，tm是机械转矩，te电磁转矩，dp是阻尼系数，θ为转子角度，为θ的一阶导数，ω为转子角速度，qset是无功功率的给定，dq为下垂系数，u0为输出电压有效值，un为额定电压有效值，em为调制波有效值，qe为电磁功率；

上式输出调制波的幅值和角速度，通过载波的调制就得到了逆变器开关管的触发信号。

所述步骤三中，双向dc/dc变换器将buck电路和boost电路集成在一个电路中，该电路有两个开关管，通过控制开关管的通断就能够实现能量的双向流动，当高压直流母线电压低于265v时，令双向dc/dc变换器工作在boost模式，此时，蓄电池的能量向高压直流母线流动，相反地，当高压直流母线电压高于275v时，双向dc/dc变换器工作在buck模式，蓄电池吸收高压直流母线多余的能量，从而使其电压稳定在额定值附近。

所述步骤四中，直流母线的额定电压为270v，交流母线的额定电压为115v，频率为400hz；发电部分为两个并联的内置式变频交流起动/发电机。

有益效果：本发明具有以下优点：

1.本发明根据航空多电发动机电力系统的工作要求，以维持交直流母线稳定为出发点，提出了一种交直流混合的电力系统，并对新的电力系统展开了稳态研究。

2.本发明首先针对多电发动机的用电特性，设计了交直流混合电力系统的总体结构。该结构避免了恒速传动装置，同时为了利用270v高压直流配电系统重量轻、可靠性高、易实现不中断供电等优点，部分直流负载如飞行控制系统由270v直流母线供电。为了避免供电体制改变而造成的大规模更换用电设备的问题，采用多个虚拟同步发电机vsg并联的方案将270v直流电逆变为115v400hz交流电供大多数用电设备使用。

3.考虑到目前航空发动机上所采用的ac/dc变换器仍然以变压整流器tru和自耦变压整流器atru为主，本发明提出利用有源滤波电路对传统的tru和atru进行重新设计，这一方面能够满足发动机大功率的传输要求、实现输入电流低谐波含量，还可以减小体积重量。

4.传统航空发动机上的dc/ac变换器为航空静止变流器，其主要作用是将直流电源或者航空蓄电池的电能转换为交流电供用电设备使用。随着航空多电发动机概念的提出，传统的航空静止变流器已经不能满足大电源容量的要求，同时机载设备对电能质量的要求也越来越高，因此有必要尝试将多dc/ac变换器并联运行的技术应用在航空领域，这一方面可以降低单台dc/ac变换器的容量，还可以实现冗余功能，保证可靠供电。

本发明以保障航空多电发动机电力系统稳定性以及保障负载功率合理分配为出发点，提出采用vsg来进行航空dc/ac变换器的设计。相较于传统dc/ac变换器的控制方案，其能够通过控制算法模拟同步发电机有功调频、无功调压的特性，保证系统的稳定性，同时还可以实现负载在各变换器间的合理分配。

5.航空发动机在不同的飞行状态存在负载突变的情况，这会导致母线电压的波动，本发明针对高压直流母线电压的稳定性问题，提出采用蓄电池和双向dc/dc变换器对高压直流母线的电压进行补偿，使其维持在额定电压附近。

6.仿真研究结果表明：所提出的交直流混合电力系统满足美国军方对机载电源的要求。

附图说明

图1为本发明一个实施例的航空多电发动机交直流电力系统总体结构图；

图2为本发明一个实施例的自耦变压有源滤波整流器；

图3为本发明一个实施例的直流侧并联型apf等效电路图；

图4为本发明一个实施例的数字式调压器；

图5a-图5b为本发明一个实施例的高压直流母线响应曲线图；

图6a-图6d为本发明一个实施例的交流母线响应曲线图；

图中，1-内置式变频交流起动/发电机，2-ac/dc变换器，3-直流母线，4-dc/ac变换器，5-双向dc/dc变换器，6-蓄电池，7-交流母线，8-负载。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做更进一步的解释。

本发明的附图及实施例中，各简称的含义为：

apf：有源电力滤波器；

atru：多边形联结自耦变压整流器；

atpfru：自耦变压有源滤波整流器；

vsg：虚拟同步发电机

dc：直流；

ac：交流；

gen：交流发电机；

loads：负载。

实施例

如图1所示，一种航空多电发动机交直流混合电力系统，包括两个并联的内置式变频交流起动/发电机1，每个内置式变频交流起动/发电机1的输出端连接有ac/dc变换器2，ac/dc变换器2的输出端连接有直流母线3，直流母线3连接有dc/ac变换器4、双向dc/dc变换器5，dc/ac变换器4连接有交流母线7并作为输出，双向dc/dc变换器5连接有蓄电池6；直流母线3、交流母线7上均连接有负载8；

如图2，ac/dc变换器为自耦变压有源滤波整流器由三相交流电源、多边形自耦变压器、三相不控整流桥、直流侧并联型有源电力滤波器、均衡电抗器和输出负载组成；三相交流电源连接多边形自耦变压器，多边形自耦变压器连接三相不控整流桥、三相不控整流桥输出端接直流侧并联型有源电力滤波器，并联型有源电力滤波器的输出端连接均衡电抗器，均衡电抗器连接输出负载；

dc/ac变换器为采用虚拟同步发电机技术的逆变器。

直流母线的额定电压为270v，交流母线的额定电压为115v，频率为400hz。

多边形自耦变压器为十二脉冲自耦变压器。

该航空多电发动机交直流混合电力系统的设计方法为：

1、交直流混合电力系统设计

传统恒速恒频供电体制需要恒速传动装置将不断变化的发动机转速变换为恒定的转速输入发电机，而该装置体积重量较大、结构复杂、维修困难，这对提高发动机的效率来说是不利的；若采用变速恒频供电体制，势必要增加变流器将一部分变频交流电变为恒频输出，而所增加的变流器主要由大功率的电力电子器件组成，其具有过载能力差、可靠性低等缺点，因此采用该供电体制的机型并不多。基于上述分析，本发明提出一种交直流混合的电力系统。

1.1、交直流混合电力系统总体设计

图1所示为本发明所提电力系统结构，高压直流母线的额定电压为270v，交流母线的额定电压为115v，频率为400hz。其中发电部分为两个并联的内置式变频交流起动/发电机，ac/dc变换器为本发明所设计的自耦变压有源滤波整流器atpfru，其作用为将发电机输出的变频交流电整流为270v直流输出，dc/ac变换器为采用虚拟同步发电机技术的逆变器，其作用为将270v直流电逆变为115v400hz交流电输出。除此之外，为了保证直流母线电压的稳定，采用双向dc/dc变换器在蓄电池与直流母线之间传输功率，实时地对直流母线电压进行补偿，另外在两条母线上均具有负载。

由图1可见，该拓扑结构避免了恒速传动装置，同时为了利用270v高压直流配电系统重量轻、可靠性高、易实现不中断供电等优点，部分直流负载如飞行控制系统由270v直流母线供电。为了避免供电体制改变而造成的大规模更换用电设备的问题，采用多个vsg并联的方案将270v直流电逆变为115v400hz交流电供大多数用电设备使用。

1.2、ac/dc变换器设计

目前航空发动机上所采用的ac/dc变换器仍然以变压整流器tru和自耦变压整流器atru为主。例如，b787就分别采用atru和tru将230v变频交流电整流为270v直流电和28v直流电。在tru和atru的发展过程中，基本的思路是通过增加整流桥的数量达到谐波治理的目的，脉冲数越多的tru和atru，输出电压的纹波和输入电流的谐波含量越小，但是该思路的缺点是，高脉冲数也导致了设备的体积重量变大，同时对发动机的可靠性运行也是一个挑战。考虑到航空发动机是一个要求高度可靠性的设备，如何在保证安全性的前提下对现有方案进行改进更具可行性，因此本发明提出利用有源滤波电路对传统的tru和atru进行重新设计，这一方面能够满足发动机大功率的传输要求、实现输入电流低谐波含量，还可以减小体积重量。

图2所示为本发明所设计的自耦变压有源滤波整流器，其由三相交流电源、多边形自耦变压器、三相不控整流桥、并联型有源电力滤波器、均衡电抗器和输出负载组成。该装置以十二脉冲自耦变压器作为主结构，自耦变压器选择的是多边形结构，在整流桥输出直流侧并联三相有源电力滤波器实现单个整流桥的有源滤波，在三相有源电力滤波器后接电抗器稳定直流侧输出电压。

因为输入电流12k±1次谐波是总谐波含量的主要来源，直流侧输出电压是12个脉冲，因此若施加适当的控制使直流侧电流的波形能够跟直流侧电压保持一致，则在交流侧也会存在相同的相位关系，即交流侧的电流电压波形也会保持一致。此时，从交流侧看过去，整流桥、直流侧并联型apf和负载共同等价于一个等效电阻，从而实现了对谐波的治理。图3所示为所提拓扑结构的等效电路图。

由图3可知，当sp1和sn1闭合时，滤波电感直接与电源进行连接，此时电源对滤波电感充电，即电感电流增加，有：

其中upm、umn分别为上下半桥路电压，ulp、ilp对应lp的电压和电流，uln、iln对应ln的电压和电流，当sp2和sn2闭合时，此时滤波电感两端电压可以表示为：

ucp对应cp的电压，ucn对应cn的电压，由上式可知，电感两端电压减小，即电感电流减小。由上述分析可知，滤波电感两端的电压可正可负，也就是电感电流可以增加或者减少，电流是可控的。通过施加适当的控制，使直流侧电流相位与直流侧电压相位保持一致，即达到了谐波治理的目的。

1.3、dc/ac变换器设计

传统航空发动机上的dc/ac变换器为航空静止变流器，其主要作用是将直流电源或者航空蓄电池的电能转换为交流电供用电设备使用。随着航空多电发动机概念的提出，传统的航空静止变流器已经不能满足大电源容量的要求，同时机载设备对电能质量的要求也越来越高，因此有必要尝试将多dc/ac变换器并联运行的技术应用在航空领域，这一方面可以降低单台dc/ac变换器的容量，还可以实现冗余功能，保证可靠供电。

本发明以保障航空多电发动机电力系统稳定性以及保障负载功率合理分配为出发点，提出采用vsg来进行航空dc/ac变换器的设计。相较于传统dc/ac变换器的控制方案，其能够通过控制算法模拟同步发电机有功调频、无功调压的特性，保证系统的稳定性，同时还可以实现负载在各变换器间的合理分配。

vsg可以模拟同步发电机的惯性，其有功调频特性可以用发电机机械部分的转矩公式表示：

θ＝∫ωdt(6)

其无功调压特性可以描述如下：

式中，j是转子的转动惯量，tm是机械转矩，te电磁转矩，dp是阻尼系数，θ为转子角度，ω为转子角速度，qset是无功功率的给定，dq为下垂系数，u0为输出电压有效值，un为额定电压有效值，em为调制波有效值。式(5)和(7)分别输出调制波的幅值和角速度，通过载波的调制就得到了逆变器开关管的触发信号。

2、稳态特性研究

航空发动机在不同的飞行状态下会面临负载突变的情况，这会导致母线电压的波动，因此有必要采取必要的措施保证母线电压的稳定性。本发明以航空多电发动机交直流电力系统的稳定运行为出发点展开研究。

2.1、发电机电压调节系统

调压器是维持电力系统电压稳定的措施之一，早期的调压器为振动式或者炭片式，20世纪五六十年代以来被磁放大器式以及晶体管式调压器所取代，目前被广泛应用。近二十年来，随着微处理器的出现，数字式调压器得到了重视，其对频率的变化不敏感，同时还避免了模拟电路元件参数变化的问题，因此将其应用于变频交流发电机具有很大的优势。图4所示为典型的数字调压器控制框图：

调压器的作用除了能够稳定单台发电机的输出电压之外，在多发电机并联的情况下还可以通过调节励磁电流实现功率的均匀分配。

2.2、高压直流母线电压的稳态特性研究

航空发动机在不同的飞行状态存在负载突变的情况，这会导致母线电压的波动，本发明针对高压直流母线电压的稳定性问题，提出采用蓄电池和双向dc/dc变换器对高压直流母线的电压进行补偿，使其维持在额定电压附近。

双向dc/dc变换器将buck电路和boost电路集成在一个电路中，该电路有两个开关管，通过控制开关管的通断就可以实现能量的双向流动，在本发明中，当高压直流母线电压低于265v时，令双向dc/dc变换器工作在boost模式，此时，蓄电池的能量向高压直流母线流动，相反地，当高压直流母线电压高于275v时，双向dc/dc变换器工作在buck模式，蓄电池吸收高压直流母线多余的能量，从而使其电压稳定在额定值附近。传统的整数阶pi控制器仍然是使用最广泛的控制器，相较于整数阶pi控制器，分数阶pi控制器具有更好的动态性能，但是参数确定也更为复杂，因此本实施例采用分数阶pi控制器进行设计。

2.3交流母线稳态特性研究

飞行控制系统等机载电子设备需要恒频交流电源供电，因此对于交流母线的稳定性来说，除了要保证电压幅值稳定在额定值附近之外，还应保证频率稳定。

本发明所采用的vsg是目前光伏并网领域的研究热点，其相较于传统的逆变器具有以下的优点：1)其可以模拟同步发电机有功调频的特性，当面临负载突变的情况时，系统惯性会使频率维持在额定频率，而系统惯性需要直流侧存在储能装置，并在很短的时间释放或者吸收能量。因此本发明所提出的蓄电池和双向dc/dc变换器具有两个作用，一是维持高压直流母线电压稳定，二是为vsg提供系统惯性。2)vsg还能够模拟同步发电机无功调压的特性，维持电压稳定。

3、仿真结果分析

为了适应航空机载电源系统的发展要求，美国军方颁布了mil-std-704f以保证飞机电源系统的安全可靠运行，其对各交直流母线的特性都作了具体的要求。其对机载电源稳态特性的要求如表1和表2所示：

表1恒频交流电源标准

其对直流母线的要求，如表2所示：

表2270v直流电源标准

仿真验证分为两个部分：1)本发明所提ac/dc变换器atpfru谐波抑制验证；2)交直流电力系统稳定性研究验证。

3.1、atpfru谐波抑制验证分析

由前述可知，输入电流12k±1次谐波是总谐波含量的主要来源，因此本发明仅针对上述阶次的谐波进行分析，仿真模型中滤波电感为4mh，滤波电容为6mf。表3所示为12脉冲atru以及本发明所提atpfru各阶次谐波含量：

表3滤波前后谐波含量

由表3可见，各次谐波含量均下降到2％以下，总谐波含量下降到4％以下，满足美国军方航空电源标准。

3.2交直流电力系统稳态特性研究

本发明通过突加突减负载模拟航空发动机不同的工作状态，图5a和图5b所示为高压直流母线在负载突变时的电压波形图以及输入电流的幅值变换曲线图：

系统运行的前1s为启动阶段，此处不考虑。在t＝1.5s时，突加33％的负载，此时直流电压有一个回落，在调压器的调节下，经过1s左右的时间重新达到稳定；在t＝2.5s时，将负载切除，此时电压升高到275v，这是由于本发明所设定的双向dc/dc变换器电压调节边界为275v所致，该状态下，直流母线向蓄电池输送能量，同时调压器减小励磁电流，通过0.5s左右的时间重新达到稳定。可以看到，电压的整个调节过程均满足美国军方高压直流母线的标准。图6a-图6d所示为并联vsg的电压以及功率波形图：

由图6a-图6d可见，在t＝1.5s和t＝2.5s时分别突加和突减负载，此时两vsg并联工作，二者共同承担负载，在t＝4s时，模拟vsg1故障，此时vsg1断开，负载功率全部由vsg2承担。

在t＝1.5s时突加负载，此时交流母线电压幅值和频率有暂时的回落，由于vsg能够模拟同步发电机有功调压、无功调压的特性，因此电压幅值和频率很快稳定到指令值，同样的在t＝2.5s时，电压幅值和频率有短暂的升高。在t＝4s，vsg1断开，此时全部负载功率由vsg2承担，相当于突加负载，因此电压幅值和频率暂时回落，在整个的调节过程中，交流母线的电压幅值均稳定在115v附近，电压频率均稳定在400hz附近，满足美国军方标准针对于恒频交流电压的标准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。