CN101297453A - 用于控制在直流电网的两个核之间的功率传输的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制在直流电网的两个核(11，12)之间的功率传输的装置，这些核是包括保护和接触组件的电源－负载互连节点，并且被放置在安装有直流电网的配电系统的不同区域，其特征在于，所述装置包括：由通过电感(20)互接的两个切换单元(13，14)组成的电力电子转换器(19)，每个切换单元由两个开关组成；用于控制该转换器的模块(21)，该模块同时保证可控的直流功率传输和直流电压的稳定。

Description

用于控制在直流电网的两个核之间的功率传输的装置
技术领域
本发明涉及一种用于控制在直流电网的两个核(coeur)之间的功率传输(transfert de puissance，或电力传送)的装置。
本发明的技术领域尤其是涉及装载在飞机上的直流电网。而本发明的装置还可以用在所有类型的机载电网(船舶，汽车等)上，甚至用在非机载电网上，例如用在与固定电网(直流局部网，铁路网等)相应的固定的应用领域里。
为了简化描述，下面的描述将会限于机载航空领域。
在以下的描述中，表达“直流电网”和“直流电流电网”有相同的意思，并且可以无区别使用。
背景技术
机载电网(réseau embaruqué)中通过直流线路传送能量的优点主要归功于电力电子学的发展，尤其归功于装载在飞机上的机电致动器的数量的增长。事实上，大部分由静止变流器控制并供电的致动器需要直流电压级的存在。然而，这个电压级通过使用交直流转换从传统交流电网获得。
因此，可以通过集中式的直流电压配电替代所有这样使用的转换单元：该分配可以是全部直流分配(直流高压电网或HVDC)或者部分直流分配(组合的交直流电网)。
然而，所述直流电网的实施提出了新的技术问题，尤其考虑到保证电网的稳定性的需要而不论被供电负载的类型。
为了给每个连接到所述电网的设备获得足够好的电压质量并且滤除设备产生的谐波，可以使用滤波器，例如设置在设备输入端的LC类型的滤波器(L：电感；C：电容)。在现有直流电网中，连接的负载经常被电力电子装置和控制电子装置控制，该负载在滤波器的截止频率范围内吸收(absorber)接近常量的电力。在被连接设备的调节是动态有效的情况下这个现象更加明显。但是，在强大的冲击时，设置在直流电源和可调节静态转换器之间的输入滤波器能够突然发生振荡(entrer en oscillation)。L/C比值越高，(特别是在设备连接很长的电缆的情况下尤其如此)，滤波器电容端的电压振荡越大。
在说明书末尾引用的文献[1]表明由被静态转换器负载的滤波器组成的、在滤波器的动态范围内吸收恒定电力的整个系统是一个潜在不稳定的系统。
现有交流电网的结构是将所有的设备通过(电)线连接到一个单一的集中式“核”，该(电)线可以达到一个很长的长度，从而具有很强的阻抗。
“核”是包括保护组件和接触组件的电源-负载互连节点，核的电压(这里指直流电压)由一个外部元件来稳定。核可以连接至能量源：交流发电机+整流器组(“连接的核”)。核也可以只连接电力源(存储元件)或者非常简单地只连接一个或多个其他的核(“非连接的核”)。
考虑到上述的可能引起的不稳定现象，很长电缆的使用倾向加重了该现象。因此，电网在交流电网结构上模拟直流电网的结构是不充分且不合理的。
引用的文献[2]和[3]描述了旨在减小不稳定性的风险的现有技术的两个解决方案。
这两个文献中的第一个文献，描述了在首创的MEA(“MoreElectric Aircraft”，多电飞机)领域中的装载在飞机上的配电系统。大部分负载(包括致动器)通过使用双向电力转换器来调节，该双向电力转换器控制和调节基于直流总线的电力。在该文献中，对在相当大的干扰情况下稳定性的损失做了分析，以表明非线性稳定性分析方法的用处。该文献力图建立一些稳定性标准，一方面，针对给定工作点周围的小变化，另一方面，考虑大幅度的变化。该文献突出了在直流电压能量分配结构的背景下，通过系统组成成分的参数(互联元件的阻抗，控制组件的通带和阻带)的选择来保证系统稳定性的困难。
所述两个文献中的第二个文献描述了用于分布式电力系统的有源直流总线调节装置，该调节装置补偿直流总线上的谐波电流和无功电流并且主动衰减了直流电力系统中的振荡。该文献同样涉及直流电压能量分配的领域，并且提出了使用一种用于通过衰减由能量源必须提供的电流的振荡来改善分配在单一总线上的电压质量的设备。
所述两个文献的内容是通过直流电压总线的能量分配。为了保证系统的稳定性，电网及电网设备的设计是非常精细的并且该设计的控制是在所有限定的情况下。
本发明的目的在于通过在两个核之间接入一种电力和控制电子装置而减小不稳定性的风险，所述两个核被设置在安装有电网的系统的不同区域，因此两个核被分开很远的距离，该电力和控制电子装置在正常模式以及退化模式(电源的损耗，在一个核上的电力过载，等)下能够控制这两个核之间的功率传输，同时保证电力的可用性和质量。
发明内容
本发明涉及一种用于控制在直流电网的两个核之间的功率传输的装置，这些核是包括保护和接触组件的电源-负载互连节点(noeud d’interconnexion)，并且被设置在安装有直流电网的配电系统的不同区域，其特征在于，该用于控制功率传输的装置包括：
-由通过电感互接的两个切换单元组成的电力电子转换器，每个切换单元由两个开关构成。
-用于控制转换器的模块，该模块同时保证可控(可调节)的直流功率传输和直流电压的稳定。
有利地，每个切换单元由两个电压单向而电流双向的开关组成。每个开关可以包括以反并联结构(anti-parallèle)与二极管相结合的晶体管。如果连接核的电缆自身电感不足，电感可以包含一个物理元件。
本发明的装置具有以下优点：
-允许设计具有分散型核的网状电网结构，并且允许通过使在稳定的电压节点(核)和设备之间的电缆长度最小化而保证所述电网的稳定，甚至当存在吸收接近常量的功率的不稳定负载时。
-所述装置在正常模式下实现在两个核之间的可控的功率传输，允许分配和平衡该一个或多个电网的电力通量。电流的稳定性由电流控制的连接来保证，即使两个核之间的电缆长度很长且存在可能振荡的电网节(maille)。因此，核的连接/断开模式是稳定并且平滑的。
-所述装置在正常模式下起到一个未连接于直流电网的核的“电压稳定器”的作用。
-在退化模式下(例如当电源损耗的时候)，在连接该电源的核断开之后，所述装置起到连接至缺省电源的核的“电压稳定器”的作用。
附图说明
图1示出了本发明的装置的示意图。
图2示出了根据本发明的具有分散核的机载结构。
图3示出了本发明装置的实施例。
图4示出了在被开关连接的现有技术的结构里一个交流发电机故障的情况。
图5示出了通过本发明的装置连接的结构里一个交流发电机故障的情况。
图6A和6B示出了通过图5所示实施例获得的时间图。
具体实施方式
图1示出了位于直流电网的两个核或者节点11，12之间的本发明的装置10。该装置包括：
-电力电子转换器(convertisseur)19，该转换器由两个切换单元13，14组成并且通过电感20将这两个切换单元互连，如果线的电感足够大，所述电感可以由该线电感构成，否则可以通过物理元件获得，两个切换单元中的每一个都连接至一个核；每个切换单元由两个电压单向而电流双向的开关组成(15，16；17，18)，例如以反并联结构与二极管相结合的晶体管。
-用于控制所述转换器的模块21，该模块同时保证可控的直流功率传输以及核11，12的直流电压的稳定。
两个切换单元13，14的操纵使得对连接两个核11，12的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相关切换单元的几个切换周期的量级(通常几毫秒)。该控制允许：
-在正常运转模式下以及在与两个核中的一个核相关的发电机发生故障的情况下(由两个核中的一个向另一个的功率传输仍然可以无区别地进行)，建立对两个核之间的功率传输的调节；
-调节和平衡给核供电的发电机所提供的电力；
-使核的电性断路更容易，这是因为在如图4所示的安装在连接两个核62，63(图4)的电缆上的开关处于断开状态前，两个切换单元的操纵允许取消本发明装置的电感支路中的电流。
-通过本发明装置的两个切换单元的合适的控制，帮助确保在核处提供的电压的稳定性。
图1还示出了本发明装置的示意图，该装置包括通过电感20相互连接的电流-电压线路14和电压-电流线路13。第一模块13调节功率传输(例如在一个给定电压下的直流电流)。第二模块14稳定非连接或连接的核的直流电压，该模块的电源会发生故障(退化模式)。
因此，本发明的装置完成两个功能。该装置同时允许：
-可调节的直流功率传输，以及
-直流电压的控制和稳定。
本发明的装置更具体地定向于在两个分散核之间的能量交换的控制和管理。这些核具有基本的“电压源”属性(至少瞬时的)，如果需要的话，这可以由电容组件来证实。
图2示出了安装在飞机34上的分散型核30，31，32，33的结构，在该结构中，多个根据本发明的装置35，36，37，38，39分别设置在两个相邻的核之间。
下面将考虑本发明装置的两个功能中的每一个。
可调节的功率传输
本发明的装置允许平均分配交流发电机上的电网用户消耗的电力。
因此，图3示出了两个交流发电机40和41之间消耗的电力的分配。
第一交流发电机40通过稳定的第一交直流整流模块43连接到第一母线(第一核)62上。第一负载60连接在该第一母线62上。
第二交流发电机41通过稳定的第二交直流整流模块47连接到第二母线(第二核)63上。第二负载61连接在该第二母线63上。
设置在两个母线62，63之间的本发明的装置10允许平衡由两个交流发电机40，41提供的电力。当核62，63中的一个上发生负载变化时，最小负载的交流发电机通过本发明的装置10提供一部分必需的电力给负载60，61供电。
因此，正常工作下，交流发电机40，41上分配的电力可以按照损耗元件的总数来计算，而不再按照只连接在一个单独的交流发电机上的耗电元件来计算。因此，交流发电机40，41的工作点可以被强加和控制。本发明的装置10起到如一种能够调节功率传输的电子“阀”的作用，即使存在为其供电的直流电源的电压变化。
还可以通过去除对交流发电机40，41产生的电压的调节来简化所述交流发电机的结构。
电压的控制和稳定
本发明的装置10允许从一个连接的核给一个非连接的核供电，或者允许在一个或多个电源发生故障的情况下管理电网的重配置(reconfiguration)。
本发明的装置在交流发电机中的一个发生故障时，允许向位于发生故障的交流发动机一侧的电网部分传送电力，并且控制可能产生的瞬时的振荡现象。
为了突出本发明装置的好处，将会依次考虑在多个交流发电机中的一个发生故障的情况下现有技术的解决方案(图4)和本发明的解决方案(图5)。
图4示出了在由开关51连接的现有技术的结构上第二交流发电机41发生故障的情况。附图标号56，57，58分别表示电线和配线(
Figure A20068003992900111
)的电感。通过开关51供电恢复导致一个阶跃电压施加到包括易振荡的电感(线电感)和电容(例如MLI(脉冲宽度调制或PWM)整流器的电容)的链路上。因此，开关51里的电流完全自由的变化，并且没有控制的可能。通过电网提供给负载60，61的电压的质量不能被保证。因此，对于设备的设计，需要考虑新的约束。
组件62，63包括：交流发电机40或41，交流/直流电压发生转换器43或47以及设置在符合“电网核”(即电压被控制的电网点)的概念的转换器的输出端(直流端)的电容64或65的组合。
这样的能量供给解决方法仅仅是一个例子：该供给还可以借助于直流发电设备(直流电流发电机，光电极板等)直接获得直流电流。
连接电网核62，63上的设备60，61构成电网核62，63的负载。现有技术里的这些核被分配到电网结构中。核和设备之间的距离必然导致配线电感的存在。每个设备60，61具有一个传统上由至少一个电感-电容单元组成的输入滤波器，在图4中未表示。该滤波器允许满足限制由设备吸收的电流的谐波干扰的要求，并且允许保护该设备输入级免受所述设备的连接点处的可用电压的任何变化的影响。
某些设备包括一个具有“常量电力负载”类型状态的静态转换器。该转换器和它的输入滤波器的组合表现不稳定特性，该特性可以通过合适的控制或者添加补充的无源元件来解决。但是，获得的稳定由于配线电感56，57，58的存在是不可靠的。
在“正常”的工作模式下，每个核独立供电给连接在该核上的设备，并且两个核不交换电力。开关51处于“断开(bloquer，阻断)”位置。
在交流发电机中的一个发生故障的情况下，为了保证连接在该交流发电机上的设备的供电连续性，首先隔离有缺陷的核，然后将开关51置于通路位置。因此，力图通过具有显著电感56的电线在很长的距离(例如几十米)上传送电能66。当对应于向开关51的接通状态变化的过渡状态时，所有的无功元件(电容64，65，配线电感57，58，线电感56，设备的输入滤波器)是很难控制的振荡部位，并且能够损坏被连接设备的输入级。
图5示出了通过本发明的装置连接的结构上第二交流发电机41发生故障的相同情况。向丧失电力供应的负载的能量传送是可控的。上述的所有振荡现象是可以避免的。为了保证故障分开和隔离的可能性，通过本发明的装置，电流的控制还允许控制可能设置的开关的尺寸约束。在零电流(开路)或零负载(闭路)下可以执行所述开关(串联设置在本发明装置的电感上)的操作。
形成每一个核62，63的负载的设备60，61直接连接到这些核上以使配线电感最小化(图5中未示出)。
实施例
如图6B所示，图5中的两个核62，63以不同的方式被负载，并且本发明10的装置给出的功能是实现由两个交流发电机40，41供给的电流的平衡。
核62由吸收电流的负载60作为负载，该电流包括图6B所示的两个部分：脉冲部分(Ich11)和恒定部分(Ich12)。核63由吸收电流的负载61作为负载，该电流包括两个部分：缓慢增长部分(Ich21)和脉冲部分(Ich22)。
如图6A所示，时间图可以评估在每个核供给的电流水平获得的理想平衡度(Idc1和Idc2)；还可以可视化流经本发明装置的电感里的电流(IDCPFC)。
关于图6A和6B，模拟方案的时间是100毫秒。不同波的时间周期和它们的伴生物不是必然真实的。该方案用于以定性分析的方式建立所提出的结构处理这个方案中存在的不同情况的能力。
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Claims (5)

1.一种用于控制在直流电网的两个核(11，12)之间的功率传输的装置，这些核是包括保护和接触组件的电源-负载互连节点，并且被设置在安装有所述直流电网的配电系统的不同区域，其特征在于，所述装置包括：
由通过电感(20)相互连接的两个切换单元(13，14)组成的电力电子转换器(19)，每个所述切换单元由两个开关构成，
用于控制所述转换器的模块(21)，所述模块同时保证可控的直流功率传输和直流电压的稳定。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述切换单元(13，14)由两个电压单向而电流双向的开关组成。
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.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电感(20)包括物理元件。
5.包括根据上述任一权利要求所述的装置的飞行器。
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