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多电飞机配电系统的建模与仿真

（航空自动化学院，中国民航大学，天津，300300，中国）

在现代航空工业多电飞机的概念有快速发展的趋势，在这种新的概念基础上，飞机的性能可以进一步优化同时操作和维护成本将被有效地降低。为了优化电力系统的完整性，并有研究整个系统在任何可能的情况下性能的能力，飞机电力系统有一个精确的仿真模型将是非常有益的和必要的。本文基于详细的组件模型，主要介绍了一种为飞机配电系统建立仿真模型的方法。配电系统模型由发电机装置，整流变压器单元，DC-DC转换单元和DC-AC逆变器单元组成，为了优化配电系统的性能和提高配电系统的质量，基于配电系统的特性设计了一个反馈控制网络。仿真结果表明，这种新的仿真模型是非常好的设计，并且它的结果是非常准确的。此外，模型的稳态性能和瞬态性能能够满足飞机配电系统在实际应用中的需求。

1引言

商业航空公司下一代飞机电力系统正经历着一个重大的发展，这个发展的一个杰出特点是许多过去所使用的由液压，气动和机械动力操作的功能正在逐渐被电能所取代^[1-2]。飞机电力系统主要包括发电系统、配电系统、负荷用电系统。在将来，“多电”飞机电力系统将基于大部分部件彼此互连之上的事实，得到具有其中大部分被提供和由电力电子变换器控制的多个分布荷载的一个显著更为复杂的配电系统。配电系统携带来自发电系统的电力分布荷载，并且起着保证飞行安全和机载设备的可靠性的关键作用。

多电飞机配电系统可能含有大量的电力电子转换器，一个典型的配电系统包括DC-DC变换器、DC-AC逆变器、AC-DC整流器和各种谐波补偿装置。为了优化功率质量和配电系统的瞬态特性指标，基于详细组件模型设计一个很好的飞机配电系统的仿真模型是非常有必要的。现在有重要的研究已经对配电系统进行了建模，常用的方法是时域仿真方法，使用了非线性随时间变化的动力系统模型，考虑到了开关特性和瞬态信号，可以提供准确的瞬态性能^[3]。然而，当分析系统的整体动态性能时，因为计算时间比较长并且耗用比较大的内存，时域仿真方法实施起来将非常困难，因此如何提高仿真速度是时域仿真方法的关键问题。在文献[4]中，基于Krylov子空间理论的大规模线性配电网提出了一种模型降阶方法，使配电系统的模型规模可以有效地降低并且使仿真效率显著提高。在文献[5]中，提出了多时间尺度系统的顺序还原原理，并应用到AC / DC电源系统，使典型AC / DC电源系统的次序降低。通常，当应用时域仿真方法时计算时间和内存消耗仍会有限制。众所周知，电力电子变换器的开关行为是随时间变化的。但从系统层面上看，开关特性包括高频开关瞬态和谐波，这对整个系统的动态性能并没有显著影响。状态空间平均模型的方法是利用消除开关动作从而来实现不随时间变化模型的最常用方法^[6]。在文献[7-8]中，这类方法已被用于分析6脉冲二极管旋转整流器和飞机电力系统机电动作器中。在文献[9]中，基于DQ变化的状态空间平均模型已被应用于构建飞机逆变器的故障诊断。在文献[10]中，一种平均值建模方法已被应用于6和12的脉冲二极管整流器。

然而，这种状态空间平均模型的方法以及平均值建模方法可以应用于该转换器上是有限的，此论证条件通过一个“小波纹”状态和一个“线性波纹”近似被证实。与小波纹的近似，该模型的精确度也是有限的^[11]。

鉴于本文由上所述的重点，飞机电力系统的建模主要集中在飞机电源系统一部分，例如AC-DC转换器和DC-AC逆变器。在本文中，建立了完整的飞机配电系统的模型，提出了对于多电飞机一个合理的控制策略，并对稳态特性和瞬态特性进行了分析，同时也得到了高仿真的速度和良好的精度。

2飞机配电系统的结构

飞机配电系统的电路模型图如图1所示，它由发电机和变压器整流装置，直流-直流转换器单元和直流-交流逆变器单元几个部分组成。

图1 飞机配电系统的示意图

2.1 发电及变压整流模块

发电及变压整流模块主要包括同步发电机、励磁机、变压器和12脉波二极管整流器，同步发电机的额定频率是400 HZ。反馈比例积分控制用于通过适当地修正同步发电机的励磁电流来调节270V直流母线的电压。

为了获得12脉冲工作模式实现30°移相，采用了一个Y/Y/D转换。此外，一个低通滤波器被用来改善整流器输出电流的质量。

2.2 DC-DC变换模块

在不同的操作条件下，多电飞机直流负载的特性是不同的，根据负载的特点，直流负载被分为恒定电压（CV），恒定电流（CC），和恒定功率（CP）的负载。

2.3 DC-AC变换模块

具有两个6脉冲开关桥式逆变器的电压源逆变器连接到270V直流总线上，为了保持相电压有效值恒定在115 V，用反馈比例积分控制器调节SPWM逆变器的占空比。因此，通过用适当的滤波电路，可以使逆变器的输出电压有效值为115V /200V，三相交流电流的频率为400HZ。

3飞机配电系统控制策略研究

3.1 发电机和变压器整流装置的控制策略。

在发电机组和变压器整流单元内，同步发电机的输入是飞机发动机的角速度，这种通过适当修改同步发电机的励磁电流来维持270V直流母线电压的恒定电压控制策略被应用到整流变压器单元。如图2所示，显示了恒定电压控制单元的框图。恒定电压控制单元将收集来自变压器整流单元输出的直流电压信号以产生误差信号，该误差信号V_ref是通过比较所述直流电压信号和参考信号产生的。在本文中，误差信号V_ref被设置成270V。该误差信号将由比例积分控制单元操作，然后产生操作信号。通过该操作信号与三角波进行比较，可以生成用于控制激励电压的PWM信号。

图2 PWM闭环控制单元框图

公式（1）显示的是控制单元的传递函数：

在这个公式中，Kp和Ti是控制单元的调整参数，Tri是三角波信号，励磁系统可以通过相应地改变比例积分的参数从而控制同步发电机的输出电压。

3.2 DC-DC转换单元的控制策略

在这一部分，电路模型是线性的并且如图3所示，显示了DC-DC变换器的变换电路模型。

图3 DC-DC变换模型

公式（2）给出了如图3所示的PWM调制器的传递函数：

在公式（2）中，d(s)是PWM信号的占空比，V_c(s)是转换器的控制变量，V_m是PWM调制器的锯齿波幅度。反馈网络的传递函数在公式（3）中给出：

在公式（3）中，B(s)是反馈信号，V_o(s)是转换器的输出电压，Buck变换器的传递函数在公式（4）中给出：

假设V_o(s)是Buck变换器的输出电压，d(s)是调制器的占空比，V_g是输出电压的幅值，L_CV和C_V分别代表了电路的电感和电容，r_V是导线的电阻。

代入公式（2），公式（3）和公式（4），得到公式（5），下面给出原电路的增益函数：

在公式（5）中，V_ref(s)是DC-DC转换器的参考值，V_ref(s)和反馈网络的传递函数在不同的直流负载下是不同的，这意味着传递函数H(s)在不同的网络下是不同的。通过在时域和频域分析传递函数，适当的补偿网络，G_o(s)可以被设计以便于优化开关电路的性能。

3.3 DC-AC逆变单元的控制策略

如图4所示显示了一个逆变器单元与控制系统的典型结构，U_a、U_b、U_c是三相桥式逆变器的输出电压，是电感电流，U_oa、U_ob、U_oc是输出相电压，是输出负载电流。

图4 逆变器模块的结构图

三相SPWM逆变器输出的交流电压可以变换为两相旋转坐标系中d轴直流分量和q轴直流分量，考虑到这些方面，公式（6）在三相逆变器（变换为两相旋转坐标系）的交流输出中可以得到。如下所示：

基于在旋转坐标系的方程，可以设计逆变器恒定电压和恒定频率的控制结构。在理想状态下，检测出的输出电压可以转换成在两相旋转坐标系中的电压，在公式（7）和公式（8）中给出，如下所示：

在公式（7）中，U_m是相位电压的幅值，C是坐标变换矩阵。d轴上的电压分量可以设置为每个单位值为1，q轴分量的参考设置为0。d轴和q轴分量的误差可以通过比例积分控制单元分别调节。

4飞机配电系统的仿真

这一部分的研究报告展现了如图1所示的飞机配电系统。

4.1 发电装置和变压器整流装置的仿真

在同步发电机仿真中采用以下参数：输出基准电压有效值为115/200V；额定基准操作频率为400HZ；发动机转速从0升到12000 r/min；因此，仿真得到飞机发电模块输出三相交流电的电压波形图如图5所示。

图5 发电模块仿真结果

由图5可以看到，稳定电压波形峰值为282 V，即有效值为200 V，频率在0.01s时达到400 Hz。仿真参数符合美国军方标准MIL-STD-704F^[12]。MIL-STD-704F建立了电能利用设备输入端所提供的飞机电力的要求和特性，按照MIL-STD-704F，直流电压的正常操作特性列于表1。在28V直流系统中，紧急操作直流稳态电压应在22到 29V之间，在270V直流系统中，紧急操作直流稳态电压应在250到280之间。

表1 直流正常工作特性

在270V直流总线终端变压器整流装置的输出电压如图6(a)所示，如图6(b)所示是图6(a)的局部放大图。根据如图6所展示的，在t₀=0.015s时，输出电压升高到正常值为270V并且在t₁=0.02s时，直流电压幅值在265到275V之间。如图6(c)所示，描绘了系统对电力需求的变化，在t₀=0.02s到t₁=0.2s的过程中，满载功率的一半被激活，同时将变压器整流单元连接到飞机的配电系统。在很短的响应时间（0.2秒）内，负载功率将达到正常值，变压器整流装置的输出电压依然保持不变。

(a)

(b)

(c)

图6 变压器整流模块仿真结果图

4.2 DC-DC变换器的仿真

在如图1所示的电路图中，各种类型的DC-DC变换器与270V直流总线相互作用，同时提供一个可调节的恒定电压，恒定的电流和恒功率负载。在这部分，负载的一侧随时间变化，并且该转换器的动态性能可以随着负载的条件改变而改变。

如图7所示，给出了电压与28V直流恒定电压负载降压变换器的电流曲线。

图7 负载电压恒定的斩波电路仿真结果

如图7(a)所示在0-0.2s过程中，负载功率被设置为总负荷的一半。在很短的响应时间（0.05秒）内，输出电压增加到正常值28V并且直流电压的幅值从t₀=0.05s到t₁=0.2s一直维持在28V。如图7(a)、7(b)所示，在0.2s时，该降压转换器的负载达到额定功率，在很短的时间振荡（0.2-0.22s）后，直流总线电压将返回到28V，并且输出电流也会相应增加。

如图8(a)所示，给出了降压转换器与30A的恒定电流负载的电流曲线，图8(b)是图8(a)的局部放大图。如图8(b)所示，在很短的响应时间（0.015s）内，输出电流增加到正常值30A，并且直流电流的幅值也维持在30A。如图8(c)所示，在0.2s时，CC降压转换器的负载有一个突然变化。对于降压转换器的恒流控制，在很短的时间震荡（0.2-0.202s）后电流将会回到30A。

图8 恒电流负载斩波电路仿真结果

如图9所示，给出了电压，电流和功率降压变换器带5kW的恒定功率负载的曲线。如图9(c)所示，在很短的响应时间（0.015s）内，输出功率将增加到正常值5kW，并且维持在5kW。

图9 恒功率负载斩波电路仿真结果

最初，系统是在一个稳定状态的条件下，获得的输出电压和电感电流计算值分别为223.6V和22.35A。如图9(c)所示，在0.2s时，降压转换器的负载电阻有一个突然变化，对于降压转换器的恒功率控制，输出功率经过一个很短的振荡时间（0.2-0.202s）后，将回到5kW。如图9(a)、9(b)所示，系统响应这种变化的电压平均值一步下降到158.12V，同时电感电流的平均值也达到稳态31.62A。

4.3 DC-AC逆变单元的仿真

如图10所示，给出了DC-AC逆变器输出电压的曲线图，交流电压的幅值是是162V，有效值电压为115V。此外，操作频率调节到400HZ。由此可以看出，该电压纹波符合MIL-STD-704F的标准。

图10 变

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