一种基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器及其控制方法

：
1.本发明属于航空电气系统领域，具体涉及一种基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器及其控制方法。


背景技术：

2.随着多电飞机的快速发展，为实现飞机二次能源系统能量形式的统一，电能开始逐渐取代其它形式的二次能源。因为270v高压直流供电系统与之前广泛采用400hz交流供电系统相比具有大容量、高效率、高可靠性、重量轻、电磁兼容性好等显著优点，目前它已被应用于f-22、f-35、rah-66等许多先进军用飞机上作为主电源。单台三级式发电机显然不能够满足飞机上日益增长的电力需求，亟需研究三级式发电机并联并网控制策略。
3.航空飞机上的三级式发电机功率较大，线路阻抗对飞机供电系统产生的影响不可以忽略，会引起较大的电压降落。
4.采取传统下垂控制策略时，发电机输出阻抗并不能保证完全一致，会引起功率分配不精确，电流分布不均匀的情况，即功率不能严格按照设定的参考值进行分配，存在一定的误差。并且由于传统的下垂控制存在虚拟阻抗会使得电压参考值发生变化，进而产生电压降落的问题。


技术实现要素：

5.针对上述背景技术中的不足，本发明提供了一种基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器及其控制方法。
6.基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器包括：汇流条功率控制器(bpcu)、发电机控制器(gcu)。
7.gcu由辅助电源电路、模拟信号调理电路、dsp控制电路和驱动电路构成，它由三级式发电机的永磁机对辅助电源部分供电，由模拟信号调理电路对三级式发电机通过三相不控整流桥输出的直流电压、电流等信息进行采集，由内部的dsp控制电路进行计算，输出pwm信号由驱动电路放大后直接控制三级式发电机中励磁机的励磁电流，达到控制发电机输出功率的目的。
8.汇流条功率控制器由模拟信号调理电路和dsp控制电路构成，通过接收上位机发出的指令，控制gcu，进而控制发电机组的功率分配。
9.基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器的控制方法包括：以电压补偿控制和基于电流的动态下垂系数控制为基础的下垂控制。
10.在传统下垂控制中，当发电机输出端阻抗近似为纯阻性负载时，两台发电机并联可以得到以下电流关系：
11.12.其中，i1为左发电机整流输出电流，i2为右发电机整流输出电流，r1为左发电机输出线路阻抗，r2为右发电机输出线路阻抗。
13.根据公式(1)我们可以知道两台发电机为负载提供的电压是相同的，电流比例由发电机输出端到负载端的线路阻抗决定，所以控制线路阻抗比例就可以控制电流比例，进而控制两台发电机的输出功率。
14.在大功率情况下，线路的实际阻抗会引起电压降落，使得提供给负载的端电压不足270v，会对并联并网造成困难，采用了电压补偿控制的方法解决：
[0015][0016]
其中，v
ref
*为输出的动态电压参考值，v
ref
为给定输出电压参考值，io为发电机整流输出的直流电流，rd为下垂系数，k
p
、ki、kd为pid参数，v0为负载电压。
[0017]
进一步的，功率分配是由线路阻抗比例决定的，线路阻抗包括虚拟阻抗(下垂系数)和实际线路阻抗两部分，因为控制只是基于虚拟阻抗比例进行的功率分配，所以实际阻抗的存在会使得电流分布不精确，因此采取了基于电流的动态下垂系数控制。
[0018][0019]
其中，为加权平均电流。
[0020]
参考发电机采用的控制方法：
[0021][0022]
控制发电机采用的控制方法：
[0023][0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0025]
一、将下垂控制嵌入到励磁电流控制中来实现功率分配，发电机输出端使用不控整流即可，无需额外增加可控dc－dc或可控ac－dc电路。
[0026]
二、能在较大功率下实现三级式发电机的并联并网控制，采用电压补偿控制，输出电压稳定无偏差。
[0027]
三、电流分配精确，采用基于电流的动态下垂系数控制，弥补了三级式发电机输出线路阻抗难以确定比例的问题，功率分配严格按照比例进行分配。
[0028]
四、各个发电机控制器gcu均能够对工况进行判定，同时上述控制器能够在4种不同工况下，采用不同的方法对发电机进行控制；所述4种不同工况分别为，功率均分工况、功率不均分工况、负载突变工况、以及功率比突变工况；
附图说明：
[0029]
图1为本发明的系统结构示意图；
[0030]
图2为参考发电机控制框图；
[0031]
图3为控制发电机控制框图；
[0032]
图4为工况一功率均分仿真结果；
[0033]
图5为工况二功率不均分仿真结果；
[0034]
图6为工况三负载突变仿真结果；
[0035]
图7为工况四功率比突变仿真结果；
具体实施方式：
[0036]
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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0037]
基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器的控制方法包括：以电压补偿控制和基于电流的动态下垂系数控制为基础的下垂控制。
[0038]
在传统下垂控制中，当发电机输出端阻抗近似为纯阻性负载时，两台发电机并联可以得到以下电流关系：
[0039][0040]
其中，i1为左发电机整流输出电流，i2为右发电机整流输出电流，r1为左发电机输出线路阻抗，r2为右发电机输出线路阻抗。
[0041]
根据公式(1)我们可以知道两台发电机为负载提供的电压是相同的，电流比例由发电机输出端到负载端的线路阻抗决定，所以控制线路阻抗比例就可以控制电流比例，进而控制两台发电机的输出功率。
[0042]
在大功率情况下，线路的实际阻抗会引起电压降落，使得提供给负载的端电压不足270v，会对并联并网造成困难，采用了电压补偿控制的方法解决：
[0043][0044]
其中，v
ref
*为输出的动态电压参考值，v
ref
为给定输出电压参考值，io为发电机整流输出的直流电流，rd为下垂系数，k
p
、ki、kd为pid参数，v0为负载电压。
[0045]
进一步的，功率分配是由线路阻抗比例决定的，线路阻抗包括虚拟阻抗(下垂系数)和实际线路阻抗两部分，因为控制只是基于虚拟阻抗比例进行的功率分配，所以实际阻抗的存在会使得电流分布不精确，因此采取了基于电流的动态下垂系数控制。
[0046][0047]
其中，为加权平均电流。
[0048]
参考发电机采用的控制方法：
[0049][0050]
控制发电机采用的控制方法：
[0051][0052]
具体实现上述方法的架构，如图1所示。
[0053]
如图1所示，汇流条功率控制器由模拟信号调理电路和dsp控制电路构成，通过接收上位机的发出的指令，控制gcu1和gcu2，各个gcu对上位机的指令和发电机的工况进行判定，进而控制左发电机和右发电机的功率分配。gcu由辅助电源电路、模拟信号调理电路、dsp控制电路和驱动电路构成，它由三级式发电机的永磁机对辅助电源部分供电，由模拟信号调理电路对三级式发电机通过三相不控整流桥输出的直流电压、电流等信息进行采集，由内部的dsp控制电路进行计算，输出pwm信号由驱动电路放大后直接控制三级式发电机中励磁机的励磁电流，达到控制功率的目的。其中gcu1控制左发电机，令左发电机为参考发电机，只采用电压补偿控制，所以只需要采集u
o1
、i
o1
信息，控制框图如图2所示。gcu2控制右发电机，令右发电机为控制发电机，采取电压补偿控制和基于电流的动态下垂系数控制，所以需要采集u
o2
、i
o2
、i
o1
信息，控制框图如图3所示。
[0054]
工况一：功率均分。控制方法为：bpcu对两台gcu下达指令，gcu进行功率分配，功率分配比例为1：1，总功率为50kw，每台发电机输出电压应为270v，输出电流约为92.59a，功率为25kw，左发电机线路端阻抗为0.001ω，右发电机端阻抗为0.002ω。仿真结果如图4所示，可以看到输出电压、输出功率与参考值基本无误差，功率严格按照1：1均分，并且没有电压降落。
[0055]
工况二：功率不均分。控制方法为：bpcu对两台gcu下达指令，gcu进行功率分配，功率分配比例为3：2，每台发电机输出电压应为270v，总功率为50kw，左发电机输出功率为30kw，右发电机输出功率为20kw，左发电机线路端阻抗为0.001ω，右发电机端阻抗为0.002ω。仿真结果如图5所示，可以看到输出电压、输出功率与参考值基本无误差，功率严格按照3：2分配，并且没有电压降落。
[0056]
工况三：负载突变。控制方法为：bpcu对两台gcu下达指令，gcu进行功率分配，功率分配比例为1：1，每台发电机输出电压应为270v，负载突变前总功率为50kw，负载突变后总功率为100kw，左发电机线路端阻抗为0.001ω，右发电机端阻抗为0.002ω。仿真结果如图6所示，可以看到突变前后输出电压、输出功率与参考值基本无误差，功率严格按照1：1均分，并且没有电压降落。
[0057]
工况四：功率比突变。控制方法为：bpcu对两台gcu下达指令，gcu进行功率分配，功率分配比例由1：1突变到3：2，每台发电机输出电压应为270v，总功率为50kw，突变前：左、右发电机输出功率各为25kw，突变后：左发电机输出功率为30kw，右发电机输出功率为20kw。仿真结果如图7所示，可以看到突变前后输出电压、输出功率与参考值基本无误差，功率严格按照1：1或3：2分配，并且没有电压降落。
[0058]
实例波形的结果证实了本发明所提出的一种基于功率自适应分配的三级式发电机电能控制器及其控制方法，能够实现大功率下三级式发电机的并联并网控制，并且三级式发电机能够按照分配的功率比输出功率，不受发电机实际端阻抗大小的影响。输出电压不受下垂控制电压降落的影响，稳定在270v，满足飞机高压直流系统的要求，综上所述，尽管本发明的基本结构、原理方法通过以上实例予以具体阐述，但不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以进行一定推演或替换。