CN102484418B - 具有减少的谐波失真的地面动力装置 - Google Patents

Abstract

一种地面动力装置，用于将电力提供给停在地面并且被连接到地面动力装置的飞行器，该地面动力装置包括具有谐波失真抑制器的控制器，该谐波失真抑制器被配置用于抑制由地面动力装置提供的输出电压的谐波频率。谐波监管器也被提供用于监控由地面动力装置提供的输出电压的谐波含量，并且用于当该谐波含量已经超出预定阈值时，控制谐波失真抑制器的运作。

Description

具有减少的谐波失真的地面动力装置

本发明涉及一种用于将电力提供给地面上的航空器的地面动力装置。

在飞行过程中，与飞行器推进系统的输出相关联的一个或多个发电机产生飞行器中所需的电力。然而，在地面上，与飞行器电气系统相连的地面动力装置(GPU)可支持飞机的电气需求。

这种类型的GPU是众所周知的。GPU通常包括变频器，该变频器产生3-相400Hz 200/115Vrms的交流输出电压并且是由50Hz或60Hz 3-相电网电源提供，或GPU包括柴油机驱动的3-相400Hz200/115Vrms的发电机。

一些GPU具有用于抑制输出电压的谐波失真的电路。

US 5,377,092公开了用于抑制来自无间断供电(UPS)的输出电压信号的谐波失真。所公开的系统对电源的输出进行采样并且检测该输出信号内的谐波失真。在检测到谐波失真之后，谐波失真的实部和虚部的振幅被确定。该振幅分量被施加到PI补偿器以产生基本上消除来自输出电压的谐波失真所需要的谐波失真纠正信号。然后，该谐波失真纠正信号被施加到电源。当谐波失真纠正信号产生时，由系统自身引入的相移被考虑在内。

本发明的目的是提供具有用于减少谐波失真的改进的电路的GPU。

根据本发明，通过提供一种地面动力装置来实现上述的和其他的目的，该地面动力装置将电力供应给停在地面上并被连接到该地面动力装置的输出的飞行器，该地面动力装置包括具有谐波失真抑制器的控制器，该谐波失真抑制器被配置为抑制由该地面动力装置提供的输出电压的谐波频率，包括谐波监管器，该谐波监管器被配置用于监控由该地面动力装置提供的输出电压的谐波含量，并且用于当谐波含量已经超过预定阈值时，控制谐波抑制器的操作。

GPU的输出电压可以是单相输出电压或多相输出电压。优选地，该输出电压是多相输出，如3-相400Hz 200/115Vrms输出电压。

下文公开了多相GPU；然而，本发明同样适用于单相GPU。

在近些年中，飞行器行业已经开发了具有数量增多的板载电子设备的新飞行器，对GPU在存在非线性负载、失真负载、非对称负载等，如二极管或具有电解质电容器的半导体闸流管整流器的情况下在增强的功率水平(powerlevels)下提供高质量的电压输出的能力方面设置了更高的要求。

为了满足优质电压的需求，GPU包括运转以根据当前操作状态如实际负载、严重负载变化等等控制GPU的各种参数的控制器。

此外，为了应对不对称负载，GPU控制器可以被配置为对输出电压的每个相位进行单独地相位调节使得每个相位的电压输出保持基本上独立于包括负载不对称性和输出电缆不对称性的负载。

由控制器控制的参数可包括下述至少一个：输出电压的单个相位角、单相电压振幅等等。

为了进一步改善GPU的电压输出的质量，控制器可进一步运作以积极地抑制GPU的每一输出相位的输出电压的谐波失真。为了这个目的，控制器包括谐波失真抑制器，该谐波失真抑制器包括谐波计算器，该谐波计算器被配置为确定GPU输出电压的谐波失真，诸如平均GPU输出相位或每个GPU的输出相位的GPU输出电压中的三次和五次谐波和可能更高的谐波的含量。

谐波失真抑制器还运作以产生诸如三次和五次谐波和可能更高的谐波的谐波失真补偿信号，或者具有每个GPU输出相位的单个振幅，或者根据所确定的相应的三个输出相位的平均谐波含量而具有相同的振幅，并且将它们从各自的GPU输出电压中减去，从而抑制并且较好地基本上消除了每个GPU输出电压的谐波。

然而，一些新类型的飞行器展示了复杂的动力负载，很大程度上改变了GPU输出电压的相位，并且在一些情况下，这导致这样的情况：由谐波失真抑制器产生的谐波失真补偿信号不在各自的GPU输出电压中预期的相反相位，而是，由于飞行器的负载导致的已改变的相位致使由谐波失真抑制器产生的谐波失真补偿信号增加了GPU输出电压的谐波含量。

因此，为了防止谐波失真抑制器增加GPU输出电压的谐波失真，谐波失真抑制器进一步包括谐波监管器，该谐波监管器被配置为监控GPU输出电压的谐波含量。万一谐波含量超出预定阈值，该谐波监管器禁止或改变谐波失真抑制器的操作。

谐波监管器可确定GPU输出电压的THD(总谐波失真)，并且根据所确定的THD禁止或控制谐波失真抑制器的控制操作。

优选地，谐波监管器确定每个GPU输出电压的至少一些谐波频率中的每一个的单个谐波含量，例如，三次谐波频率和五次谐波频率等等。然而，GPU可以被配置用于所有输出相位的谐波的共同调控，其中谐波失真抑制器进一步包括平均处理器，该平均处理器形成平均的所有三个输出相位每个谐波频率的谐波含量。

特定谐波频率的单个谐波含量可以被确定为特定谐波频率的输出电压大小和基频的输出电压大小之间的百分比，或者各自的幅值之间的相应比值，或者其他等价的比值。

此外，当各自的n次谐波频率的谐波含量已经超过预定阈值一预定时间段时，例如该阈值是在1％和10％之间，如6％或app.6％，例如该时间段在50毫秒至1秒之间，如400毫秒或app.400毫秒，谐波监管器可单独地抑制或控制谐波失真抑制器在n次谐波频率(n＝3，5，7，...)的操作。

优选地，当预定时间段内计算所得的n次谐波频率的谐波含量的总和或合计已经超过预定阈值时，谐波监管器禁止或者控制谐波失真抑制器在n次谐波频率的操作。例如，n次谐波的谐波含量可以每隔一定时间被确定，如每毫秒一次，并且当确定的谐波含量超过阈值例如6％时，计数器可以增加计数，而当确定的谐波含量低于阈值时，计数器减少计数。如果计数器的计数值超过预定的阈值计值例如计数400，谐波失真抑制器被禁止或者被控制。

因此，例如，谐波监管器可分别响应已被超过的阈值，禁止谐波失真抑制器在特定一个或多个谐波频率的操作。例如，谐波监管器可以禁止谐波失真抑制器在五次谐波频率的操作的同时，谐波失真抑制器继续其在三次和可能七次和可能更高次的谐波频率的操作。

此外，如果各阈值已分别被超过，谐波监管器可禁止谐波抑制器在多个谐波频率的操作。例如，当阈值已分别被超过时，谐波监管器可禁止谐波抑制器在三次和五次谐波频率的操作。

谐波监管器可通过关闭特定谐波频率的谐波失真抑制器、使谐波抑制器的输出与特定谐波频率的控制回路断开，使特定谐波频率的输出衰减等，从而禁止谐波失真抑制器在特定谐波频率的操作。

谐波监管器可进一步被配置用于在相应的谐波含量已经超过预定阈值时，控制谐波失真抑制器使至少一个所产生的谐波失真补偿信号的相位改变预定量。对于至少一个输出相位而言，当谐波含量已经超过预定阈值时，可对所有三个输出相位同时执行所产生的谐波失真补偿信号的相位改变并且改变的相位量相同；然而，也可以对已经确定具有过多谐波含量的输出相位单独地执行相位的改变。

该预定量可以是60°。

例如，谐波失真抑制器可以被配置为如果谐波失真监管器确定相应的谐波含量，例如五次谐波的谐波含量超过预定阈值，使所产生的相应的谐波失真补偿信号的相位例如五次谐波(的谐波失真补偿信号)改变60°。然后，谐波失真抑制器保持操作一预定时间段，例如20毫秒。如果所讨论的谐波含量在预定时间段内保持低于阈值，谐波失真抑制器以被改变的相位继续操作；然而，如果所讨论的谐波含量在预定时间段内超过阈值，谐波监管器可禁止谐波失真抑制器在所讨论的谐波频率的操作；或者谐波监管器可以在新的预定时间段例如20毫秒内，进一步使所产生的相应的谐波失真补偿信号的相位改变60°，这可以被重复一次或多次直到所讨论的谐波含量保持低于预定的阈值；或者直到相位已经被改变360°(去掉预定量)。

一旦负载改变，控制器可以被配置用于消除对谐波抑制器操作的禁止和消除谐波抑制器操作的相位改变，以便谐波抑制器重新开始操作，并且重新开始由谐波监管器监控。

通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特征及优点对于本领域普通技术人员来说将更加显而易见。

图1示出了一个优选实施例的闭塞的电路图，以及

图2示意性地示出PWM变频器的两个电路拓扑结构。

下面参考附图将更加充分地描述本发明，在附图中示出本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以各种形式具体化并且不应当被解释为受到本文中所陈述的实施例的限制。相反，这些实施例被提供使得此处的公开将是彻底的和完整的，并且充分地将本发明的范围传达给本领域普通技术人员。

图1示出具有根据本发明进行操作的地面动力装置(GPU)控制器10的GPU的原理框图；

GPU产生待连接到负载诸如飞行器的配电系统的稳定的三相400Hz/115Vms输出电压。

在机场处可获得的市电电源通常是该机场所在的这个国家中可获得的市电电源，例如在欧洲：50Hz，400/230Vrms，而在美国：60Hz，460/265Vrms。

示出的GPU包括连接到电源电压的整流器，用于将整流的DC电压提供给变频器28的输入，该变频器28产生所需要的稳定的三相的400Hz，200/115Vrms输出电压。

GPU控制器10被配置用于响应实际的负载值和负载值的改变进行地面动力装置控制管理。

控制器10被进一步连接到操作界面(未示出)，该操作界面具有驱动器开关和显示器，该显示器用于输入操作命令到该装置并且用于将地面动力装置的各种状态显示给操作者。

示出的GPU控制器10进一步具有形成控制回路的一部分的谐波失真抑制器12。

GPU包括三相逆变电路(见图2)，该三相逆变电路在各自的电压输出端具有LC低通滤波器。图1中示出与控制电路相关的相位中的一个相位。然而，其他相位具有相类似的电路(未示出)，用于单独控制所示出的GPU三个相位中每一个的相位角、电压振幅和谐波失真。

可选择的GPU可具有一个谐波失真抑制器，用于对GPU的所有三个输出相位的谐波频率进行共同抑制。

在RMS PWM调制器14中，利用空间-矢量调制方法产生相位中的一个相位所需的正弦形400Hz输出电压。也可以采用其他合适的调制方法。例如，调制器14可选择地包括400Hz频率正弦查找表。

RMS PWM调制器14的输出通过由RMS调压器16产生的增益系数控制。

RMS调压器16是形成RMS电压控制回路20的一部分的比例积分-微分(PID)补偿器，该RMS电压控制回路20控制GPU所示出的相位的输出电压使其基本上等于如在传统反馈控制回路中的115Vrms的RMS设定电压输入。该控制回路20包括模拟-数字转换器22和RMS电压计算器24，该模拟-数字转换器22对GPU输出电压进行采样和数字化，而RMS电压计算器24计算GPU输出电压的RMS-值。可以采用适合于调节GPU输出电压的其他类型的控制回路。

在从谐波失真减法器30中的结果中减去谐波失真补偿信号32之后，RMSPWM调制器14的输出连接到PWM变频器28的输入。产生谐波失真减去信号32的谐波失真抑制器12的操作将在下文解释。PWM变频器28将数字输入信号转换成脉宽调制模拟输出信号。每个脉冲的宽度由输入到变频器28的数字值确定。最终，脉宽调制模拟输出信号通过无源LC输出滤波器34滤波。

谐波失真抑制器12的输入被连接到模拟-数字转换器22的输出，用于接收数字化的GPU输出电压值。谐波失真抑制器12决定GPU输出电压的谐波失真，并且估算抑制并且最好基本上去除输出电压中的谐波失真信号所需的补偿信号。

在示出的电路中，谐波失真抑制器12运作以抑制谐波频率，如GPU输出电压的三次和五次谐波和可能的七次谐波，然而，利用本发明的方法和装置可抑制采样频率的一半以下的任何输出电压的谐波频率。如已经提到的，谐波失真抑制器12以相同的方式运作以抑制GPU输出电压的其他输出相位的每一个相位的谐波频率。

与US5,377,092中公开的电路相类似的，谐波计算器36可以包括信号相关器，该信号相关器与具有各个谐波频率的正弦和余弦信号的数字输出采样格式(frame)相关联。每个相关器产生代表所讨论的谐波频率各自的实部和虚部的振幅的输出信号。

谐波计算器36的输出被输入到各自的比例积分(PI)补偿器38，该补偿器38产生将它们的输入信号驱向于零从而估算谐波失真补偿信号32的实部和虚部所需的输出信号。

与以上所解释的RMS调压器16和RMS PWM调制器的操作相类似的，由谐波调节器38输出的已估算的谐波失真补偿信号32的实部和虚部控制由谐波PWM调制器40产生的相应的空间矢量调制输出。或者，空间矢量调制器由相应的谐波频率的正弦和余弦查找表代替，其中该余弦查找表包括产生由谐波调节器38测量的相应谐波频率的真实组分的数字表示所需的数值，而该正弦查找表包括由谐波调节器38测量的相应谐波频率的虚拟组分的数字表示所需的数值。可以选择性地使用其他适合的调制形式。

谐波PWM调制器40还总和每个谐波频率的实部和虚部以形成谐波失真减法信号32，该谐波失真减法信号32由谐波失真减法器30从输入PWM变频器28的值中被减去。目的是调节由PWM变频器28产生的脉宽以基本上消除GPU的输出电压的谐波失真。

在对所有三个相位进行谐波的共同调节的GPU中，谐波调节器38进一步包括平均处理器(未示出)，形成每个被补偿谐波频率，例如三次和五次谐波频率，的谐波失真信号振幅的每个实部和虚部的所有三个相位的平均。

谐波PWM调制器40也补偿由GPU部件引入的相移φ。所产生的信号的相移φ通过由从谐波减法器30到GPU电压输出例如PWM变频器28、输出滤波器34等的GPU的电路引入的相位移量确定。这个相移φ是预先确定的并且通过相应地调整PWM调制器40中所产生的纠正信号32的相位被纠正。

然而，一些新类型的飞行器具有动力负载，该动力负载很大程度上改变相移φ，并且在某些情况下，这导致这样的情况：谐波失真减法信号32不抑制GPU输出电压的谐波含量，而是，改变的相移φ致使谐波失真减法信号32增加GPU输出电压的谐波含量。

为了防止谐波失真信号12增加GPU输出电压的谐波失真，谐波失真抑制器12进一步包括谐波监管器42，该谐波监管器42被配置用于监控GPU输出电压的谐波含量并且，万一谐波含量超出预定阈值，该谐波监管器42被配置用于通过抑抑制谐波失真减法信号32例如优选地将谐波失真减法信号32设置到零或者至少使信号32衰减，来控制谐波失真抑制器12的运作。

例如，谐波监管器42可确定三次谐波频率的谐波含量和五次谐波频率的谐波含量并且，如果所确定的三次和五次谐波频率中的至少一个的谐波含量在预定时间段内超出预定值，该预定值例如6％，该预定时间段例如400毫秒，该谐波监管器42关闭在所讨论的各个谐波频率的谐波失真减法信号32，例如使信号32从谐波减法器30的负输入断开并且将负输入设置到零，或者使谐波失真减法信号32衰减。在所示出的电路中，对所有三个输出相位执行谐波失真处理器的禁止(inhibition)；然而，在另一个实施例中，可对已被确定具有过多的谐波含量的输出相位单独地执行谐波失真处理器的禁止。

谐波监管器42可进一步被配置用于-在执行谐波失真抑制器12的禁止之前-当相应的谐波含量已经超出预定阈值时，控制谐波失真抑制器12使所产生的特定谐波失真补偿信号32的相位改变预定量，例如60°。可以对每个所产生的谐波失真补偿信号32(对于该谐波失真补偿信号32，相应的谐波含量已经超出预定阈值)执行这个步骤。

例如，谐波失真抑制器可以被配置使得如果谐波失真监管器42确定三个输出相位中的一个相位的谐波中的一个，例如五次谐波，超出预定阈值，谐波失真抑制器12使所产生的相应的谐波失真补偿信号32例如五次谐波的相位改变60°并且保持预定时间段例如20毫秒内的运作。如果所讨论的谐波含量在预定时间段内保持低于预定阈值，谐波失真抑制器12继续以已改变的相位进行运作；然而，如果所讨论的谐波含量在预定时间段内超出阈值，谐波监管器42可禁止谐波失真抑制器12在所讨论的谐波频率的运作；或者谐波监管器42可使所产生的相应的谐波失真补偿信号32在新的预定时间段例如20毫秒内进一步改变60°，并且这可以重复一次或多次直到所讨论的谐波含量保持低于预定阈值；或者直到所产生的谐波失真补偿信号32的相位已经被改变360°(去掉预定量)。

在所示出的电路中，当对于至少一个输出相位而言，谐波含量已经超出预定阈值时，对所有三个输出相位同时执行所产生的谐波失真补偿信号32的相位的改变并且改变相同的量；然而，在另一个实施例中，对于已确定谐波含量超出的输出相位，可单独地执行相位的改变。优选地，特定谐波频率的谐波含量在一定时间段例如400毫秒内被总和，并且如果总和的值超出预定阈值，谐波监管器4238禁止谐波抑制器在所讨论的特定谐波频率的运作。

例如，n次谐波的谐波含量可每隔一定时间被确定，例如每毫秒一次，而当所确定的谐波含量超出阈值例如6％时，计数器增加计数，当所确定的谐波含量低于阈值时，计数器减少计数。如果计数器的数值超出预定计数阈值，例如计数400，谐波失真抑制器12的运作被禁止。

一旦负载改变，控制器可以被配置用于消除谐波抑制器12运作的禁止，使得谐波抑制器12可重新开始运作，并且控制器可以被配置用于由谐波监管器重新监控。

GPU的相位的每一个相位具有如图1中所示的控制电路，借此，举例来说，响应个别负载的改变，供给电压改变等等，每个相位的输出电压被单独地控制，并且此外，每个相位的输出电压的谐波含量被单独地控制。

图2示意性地示出PWM变频器28的电路拓扑结构的两个示例。所示出的电路适合于每个相位输出(独立于另一个相位输出)的单独控制。

在图2a中所示的实施例，由整流器产生的DC电压具有中心抽头(centretap)，并且如本领域所公知的，产生400Hz交流输出电压的开关被设置用来通过开关的适当的脉宽调制对每个输出相位的输出电压进行单独控制。

在图2b中的另一个拓扑结构中，十二个开关被设置成三个H-桥，该三个H-桥被连接到DC电压而不存在中心抽头以提供单独可控的输出相位电压。如图2b中所示出的，H-桥拓扑结构需要变压器。

Claims (12)

1.一种地面动力装置，用于将电力提供给停在地面上并且被连接到所述地面动力装置的输出的飞行器，所述地面动力装置包括控制器，所述控制器具有谐波失真抑制器，所述谐波失真抑制器被配置用于抑制由所述地面动力装置提供的输出电压的谐波频率，所述谐波失真抑制器包括谐波监管器，所述谐波监管器被配置用于监控由所述地面动力装置提供的输出电压的谐波含量，并且所述谐波监管器被配置用于当所述谐波含量已经超出预定阈值时，控制所述谐波失真抑制器的操作。

2.根据权利要求1的所述的地面动力装置，其中所述谐波监管器被配置用于当所述谐波含量已经超出预定阈值时，禁止所述谐波失真抑制器的操作。

3.根据权利要求1的所述的地面动力装置，其中所述谐波失真抑制器进一步被配置为对所确定的各个谐波在地面动力装置输出电压处产生相反相位的谐波失真补偿信号，从而抑制地面动力装置输出电压的谐波，并且其中谐波监管器被配置用于当与所产生的谐波失真补偿信号中的至少一个相应的谐波含量已经超出预定阈值时，控制谐波失真抑制器以使所产生的谐波失真补偿信号中的所述至少一个的相位改变预定量。

4.根据权利要求1所述的地面动力装置，其中所述谐波含量包括由所述地面动力装置提供的输出频率的三次谐波。

5.根据权利要求1所述的地面动力装置，其中所述谐波含量包括由所述地面动力装置提供的输出频率的五次谐波。

6.根据权利要求1所述的地面动力装置，其中当n次谐波频率的谐波含量已经超出预定阈值到达预定时间段时，所述谐波监管器单独地禁止所述谐波失真抑制器在n次谐波频率的操作。

7.根据权利要求1所述的地面动力装置，其中当预定时间段内n次谐波频率的谐波含量的总和已经超出预定阈值时，所述谐波监管器单独禁止所述谐波失真抑制器在n次谐波频率的操作。

8.根据权利要求1所述的地面动力装置，其中所述谐波失真抑制器被配置用于对所述地面动力装置的多个输出相位的每一个相位的谐波含量进行单独抑制。

9.根据权利要求8所述的地面动力装置，其中所述谐波监管器被配置用于对所述地面动力装置的所述多个输出相位的每一个相位的谐波含量进行单独地监控。

10.根据权利要求9所述的地面动力装置，其中所述谐波监管器进一步被配置用于单独地禁止谐波失真抑制器在所述地面动力装置的所述多个输出相位的每一个相位上的操作。

11.根据权利要求9所述的地面动力装置，其中所述谐波监管器进一步被配置为同时禁止谐波失真抑制器在所述地面动力装置的所述多个输出相位的所有相位上的操作。

12.根据前述权利要求的任一项所述的地面动力装置，其中所述控制器进一步被配置用于控制所述谐波失真抑制器以根据负载的改变而重新开始操作。