CN104471849A - 用于飞机电力系统谐波抑制的有源功率因数校正 - Google Patents

用于飞机电力系统谐波抑制的有源功率因数校正 Download PDF

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Abstract

有源功率因数校正可用于减小飞机配电系统中的输入谐波。可在配电系统中放置一个或多个功率因数校正单元(70)以描绘输入信号的轮廓。每个功率因数校正单元(70)可包括诸如AC-DC变换器的变换器，并可放置在负载输入侧的电力系统母线(86)中。在实施例中，PFC单元可包括具有用于谐波消除的有源功率因数校正的升压整流器拓扑结构。功率因数控制电路(72)被配置成输出用于功率因数校正单元(70)的控制信号，该控制信号根据整流器的DC输出的谐波来产生。

Description

用于飞机电力系统谐波抑制的有源功率因数校正
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年6月22日提交的美国临时专利申请No.61/663,288的权益。
技术领域
本公开一般涉及飞机配电系统，包括配电系统内的有源功率因数校正。
背景技术
一般来说，飞机工业趋向于通过将液压和气动致动系统替换成电致动系统来开发多电飞机(MEA)，从而增加了对飞机发电和配电系统的需求。例如，必须越来越多地考虑诸如瞬时负载、无功负载、其它非线性负载和电流谐波的系统压力，以确保所有电气部件的正常运行。此外，飞机工业还趋向避开调频发电机，而趋向于变频(又称为无序(wild)频率)发电机。来自这种无序频率发电机的输入源电压可在例如350Hz到800Hz的范围内变化，导致在较高频率处变压器的增加功率损失以及在较低频率处的饱和效应。
瞬时负载(即短持续时间运行的负载)增加飞机电力系统的峰值功率需求超过该系统的平均功率需求。如果飞机发电机对来自这些负载的快速变化响应太慢，则非常高的瞬时负载同样可以使电力系统不稳定。对于瞬时负载的峰值需求而适当以大小排列发电机和配电系统可导致沉重且昂贵的系统。
无功负载包括直接连接到飞机电力母线的电容性与电感性负载。这种无功负载可将无功功率增加到电力系统中或从电力系统中减少无功功率，从而增加了发电和配电系统所需的最大输出容量(即KVA等级)。例如由AC-AC功率变换引起的电流谐波可产生电介质应力，使电缆和变压器过热，使保护装置跳闸，并在极端条件下产生电压不稳定。除此之外，传统系统不能充分地考虑输入电流谐波。
图1是传统配电系统10的实施例的方框视图。传统系统10可包括交流(AC)电源12、三相整流器14、DC连接电容器16、逆变器18、电机20和机械负载22。整流器14和逆变器18可一前一后地用作AC-AC变换器以为耦接到机械负载22的电机20提供合适的输入波形。机械负载22例如仅可以是诸如用于飞行操纵面的致动器的飞机致动器。
整流器14和逆变器18的AC-AC转换可将显著的电流谐波注入到AC电力输入上，并相应地注入到可从AC电源12汲取功率的其它部件的输入上。图2A-2B是示出输入电压24、输入电流26和可在AC电力母线上引入的输入谐波的绘图。如所示的，电压24和电流26可彼此异相，且五次(5th)谐波28、七次(7th)谐波30和更高次的奇次谐波可具有显著幅值。如上所述，这种谐波可对在配电系统上的部件产生不利影响。
在一些其它的传统飞机配电系统中，高压DC由变压器整流器单元(TRU)或自耦变压器整流器单元(ATRU)在固定频率或变频发电机的输出上产生。TRU或ATRU可能会非常沉重且昂贵。当非线性负载增加时，注入到输入上的谐波显著地增加由TRU或ATRU单元添加的权重，并使得难以满足功率密度目标。
发明内容
本公开包括用于解决在诸如多电飞机(MEA)的飞机中的一个或多个电力质量问题的技术和结构。
针对传统配电系统中的上述记载的缺点中的一个或多个的一种解决方案是有源功率因数校正。在有源功率因数校正的实施例中，功率因数校正单元可包括交流(AC)输入，其被配置成接收AC电力；以及整流器，其具有与AC输入电耦接的输入，并提供直流(DC)输出。功率因数校正单元可进一步包括功率变换器，其具有与整流器的DC输出电耦接的输入；以及功率因数控制电路，其被配置成控制功率因数校正单元的功率因数；该功率因数控制电路被配置成输出用于功率变换器的控制信号；所述控制信号根据整流器的DC输出的谐波来产生。
用于飞机的配电系统可包括被配置成接收AC电力的交流(AC)输入以及两个或多个功率因数校正单元。每个功率因数校正单元可包括整流器，其具有与AC输入电耦接的输入并提供直流(DC)输出；功率变换器，其具有与整流器的DC输出电耦接的输入；以及功率因数控制电路，其被配置成控制所述功率因数校正单元的功率因数，该功率因数控制电路被配置成输出用于功率变换器的控制信号，该控制信号根据整流器的DC输出的谐波来产生。可将两个或更多个功率因数校正单元共同配置成提供共同的DC输出。
配电方法可包括接收交流(AC)输入；采用整流器将AC输入变换成直流(DC)信号；采用功率变换器根据DC信号生成DC输出；以及根据DC信号的谐波采用功率因数控制电路控制功率变换器。
附图说明
现将参考附图以示例方式描述本发明的实施例，其中：
图1是传统配电系统的方框视图。
图2A-2B是示出图1的功率变换器的示例性输入电力电压、输入电流和输入谐波含量的绘图。
图3是根据本公开方面的飞机配电系统实施例的方框图。
图4是可能发现与诸如图3所示的系统关联使用的功率因数校正(PFC)单元的实施例的方框图。
图5是示出PFC单元的一部分的示例性输出功率特性的绘图。
图6是示出可由PFC单元施加的示例性功率因数校正算法的方框图。
图7是示出图6所示类型的功率因数校正算法的电压矢量子功能实施例的方框图。
图8是可与诸如在图7中示出的电压矢量子功能结合使用的虚拟接地示意视图。
图9是示出诸如在图6中示出的功率因数校正算法的六次谐波子功能的示例性实施例的方框图。
图10是示出诸如在图6中示出的功率因数校正算法的电流限制子功能的实施例的方框图。
图11A-11B是示出合并功率因数校正功能的功率变换器的输入功率电压、电流和谐波含量的绘图。
图12是模块化分布式功率因数校正单元架构的实施例的示意视图。
图13是示出用于图12的模块化分布式功率因数校正单元的分流算法的实施例的方框图。
具体实施方式
现将详细参考本公开的实施例，其示例在本文中描述并在附图中示出。当将结合实施例描述本发明时，应当理解实施例不旨在将本发明限制成这些实施例。相反地，本发明旨在覆盖替代、修改和等效变换包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内。
图3为被示出耦接到发动机42和发电机44的飞机配电系统40的实施例的方框图。发电机44例如可以是但不限于无序频率发电机。配电系统40可包括三相AC电力母线46、两个功率因数校正(PFC)单元48、DC电力母线52、DC-DC变换器54、若干致动器控制56、若干无刷DC(BLDC)和AC(BLAC)致动器负载58、高电压DC(HVDC)负载60以及高电压AC(HVAC)负载62。一般除了PFC单元48，系统40的许多部件可包括本领域技术中已知的传统部件。
采用实施例，可提供PFC单元48或将其置于飞机配电系统40中的一个或多个AC-DC变换器的输入处，以减小可能由AC-DC功率变换引入的在AC电力母线上的谐波。在实施例中，PFC单元48可将功率变换(即AC-DC、DC-DC或AC-AC)与功率因数校正结合在单个电路或设备中。
图4为示出一般以升压整流器70的形式示出的PFC单元的示例性实施例的示意性方框图。如在示出的实施例中所示，升压整流器70可包括功率因数校正控制电路72、三相AC-DC桥式整流器74、升压变换器开关76、多个升压电感器78以及电磁兼容(EMC)滤波器80。升压变换器开关76可以是DC-DC升压变换器的一部分。
桥式整流器74可在其输入处耦接到AC电压源82与参考电压Vref，并在其输出处耦接到机电致动器或其它致动器或其它负载，并且如果致动器需要AC电源，则耦接到DC-AC功率变换器。所有这些输出由方框84经由DC连接86来表示。相应地，可将桥式整流器74配置成接收AC输入信号并输出DC信号。PFC单元不限于特定类型的AC-DC变换。桥式整流器74仅是示例性的，且PFC单元可包括任意已知的AC-DC变换装置或系统。
将升压变换器开关76可构成其一部分的升压变换器作为示例性DC-DC功率变换器提供。可将升压变换器配置成接收输入DC信号并输出不同电压的DC信号。升压变换器可根据输入到升压变换器开关76的信号来运行。
可将PFC控制电路72配置成从与桥式整流器74的输出电耦接的传感器接收输入。PFC控制电路可从每个传感器接收AC输入。PFC控制电路还可接收期望的DC电压Vref。根据接收到的AC信号与Vref，PFC控制电路72可控制升压变换器。通过对升压变换器的控制，PFC控制电路可执行或处理其包括下文所描述的数个功能。
第一，PFC控制电路72可在超过额定整流的DC连接电压的升压级别(例如，25％或更多)处(即根据PFC单元的AC信号输入确定额定电压之处)调节DC连接86上的电压。
第二，PFC控制电路72可调节在每个升压电感器78的输出处的电压，其中升压电感器78允许输入电流的轮廓为正弦波。还可以将PFC控制电路72配置成控制升压变换器开关76以在非连续导通模式中操作升压变换器。在实施例中，作为在非连续导通模式中控制升压变换器的效果，在升压变换器的切换周期中的输入波形平均值可与对应相电压的瞬时值成比例。这样，例如在实施例中，输入相电流可跟踪输入电压，并且可获得接近1(near-unity)的功率因数。
第三，PFC控制电路72可调节整流器74的输出电压。然而，调节整流器74的输出电压还可影响输入波形。例如，由于在整流器74中包括的六个二极管中每个二极管的导通，三相整流器的实施例可在其输出信号上自然地产生六次谐波。在实施例中，整流器可产生三次、四次、五次、六次、七次或其它次的谐波。上述或下述讨论是关于如上所讨论的六次谐波可由整流器74自然地产生的实施例。但是应理解，本文公开的系统、装置、方法不限于这些整流器实施例。调节整流器74输出处的电压可使六次谐波在输入相电流中替代出现。为减少输入谐波影响，PFC控制电路72可通过控制升压变换器在升压整流器70的输出上注入六次谐波含量。图5是一般示出示例性六次谐波波形90的绘图，其中给定升压整流器70的特定输入相92以及特定DC输出电压94，可将六次谐波波形90注入。为实施上述这些功能，可将PFC控制电路72配置成执行包括下述讨论的一个或多个算法或功能。
图6是一般示出控制算法100的实施例的方框图，其中控制算法100可由功率因数校正单元或其一部分(诸如PFC控制电路72)施加以用于减小或消除输入谐波。可将功率因数校正算法100配置成包括或提供一个或多个子功能—电压矢量子功能102、六次谐波子功能104、电流限制子功能106、电压比例-积分-微分(PID)子功能108，和/或脉冲宽度调制(PWM)控制子功能110。通过实施诸如在此图示并描述的这些子功能和操作，功率因数校正单元可有效地减小由配电系统提供的在输入电流上的谐波。在参考升压整流器70在此一般描述算法的同时，应当理解算法可找到与采用功率因数校正单元或控制电路的各种其它电路和装置的使用。
控制算法100的实施例可包括或使用若干变量和测量值。例如，可使用差分电压传感器测量DC母线电压Vdc_link。可针对特定应用的需要选择期望的DC母线电压Vref(其可控制在DC母线处的期望电压Vdc_link)。在实施例中，可将Vref设置成高于未经升压的额定DC电压(即，如根据输入AC信号所确定的)超过25％。例如，对于示例性的115V输入AC系统，额定DC输出电压可在270V附近，并且为了满足电流调节，可将升压电压设定在约350V或更高。可比较Vref与Vdc_link以确定电压误差Verr，可将Verr馈送到PID控制器(例如执行PID的子功能108)内以形成Vcom，该Vcom是功率因数校正(PFC)控制的占空比。Vcom可与六次谐波功能104的输出1+sin(6*θvoltage)相乘以生成占空变量，该占空变量是电流限制子功能106的输入。电流限制子功能106的另一个输入可以是Ierr，并且可以通过比较升压变换器的输出电流Iboost与电流限制Ilimit而生成，可选择电流限制Ilimit用于在电路的安全运行范围内限制通过升压开关的电流。可调整PID控制子功能108的增益以在大负载范围上获得最优响应，同时还最小化在输入处的谐波含量。
图7为示出电压矢量子功能102的实施例的方框图。在所示实施例中，电压矢量子功能102可用于计算输入电压相位(θvoltage)。三个差分电压传感器Va_lin、Vb_lin和Vc_lin可用于测量三条输入线的输入AC电压。在实施例中，为此目的，Va_lin、Vb_lin、Vc_lin可电耦接到升压电感78的相应输出。如所示出的，可设定变量Vα等于Va_lin。第二变量Vβ可等于(Vc_lin-Vb_lin)/sqrt(3)。输入电压相可因此等于Vβ/Vα的反正切。如图8所示的虚拟接地112可使用三个高阻抗电阻器114来创建并可用于测量Va_lin、Vb_lin和Vc_lin。
图9是六次谐波子功能104的示例性实施例的示意图。如上所述，由于功率因数控制，某个六次谐波信息可能从整流器输出丢失。更具体地，由于输入电流的采样时间的滞后，一般必须考虑六次谐波信息。在实施例中，可能丢失六次以外或者在其它情况下需考虑的谐波信息。因此，可将校正角加入θvoltage以处理或克服这种影响。六次谐波子功能104可提供这种校正角。六次谐波子功能104可用于为整流器74计算输出的六次谐波的相角。输入相角θvoltage可在乘法块116处乘以6，并在移位块118处移位3π/2弧度，以产生修正的六次相角。可将该修正相角经过在正弦功能块120处的正弦功能，然后与在加法块122处的1相加以生成形式为1+sin(6*θvoltage)的输出信号。
图10是示出电流限制子功能106的示例性实施例的方框图。在实施例中，升压变换器的占空比Dboost可基于Ierr变量的符号，该符号由PWM控制子功能110使用以操作升压变换器。采用实施例，可将Ierr计算为在升压变换器Iboost(在图6中示出)的输出电流与选择的电流限制Ilimit(同样在图6中示出)的差。因此，子功能106在查询块124处可确定Ierr是否大于零(0)，即实际的升压变换器输出电流Iboost是否大于选择的电流限制Ilimit。若是，则可在块126处设置Dboost等于零。如果Ierr为零或负，则可在块128处将Dboost设置成占空变量，其计算在图6中示出。对于实施例，电流限制子功能106可应用于将Dboost值限制为预定的设计最大值。
图11A-11B是示出合并如上述一般描述的功率因数校正功能的AC-DC升压整流器的示例性输入电压130、输入电流132与输入谐波含量的绘图。尽管例如由于EMC滤波器，电流132距电压130可能稍微相移，但是输入电压130和电流132可以同相。进一步地，输入信号的基本频率134可具有高幅值，不含显著的谐波成分。因此，如一般示出及描述的，在此描述的功率因数校正的应用可减小配电系统中不期望的输入谐波。
当飞机中的电子致动器和其它装置的数目增加时，飞机的电负载也增加。当负载大小增加时，需要更大的功率变换器和功率因数校正单元。由于开关装置的热设计和尺寸设计的限制，这种大功率变换器和功率因数校正单元可能难以设计或者设计具有挑战性。一种克服这种限制的方式是通过用于功率因数校正的分布式模块化体系结构。
图12是模块化分布式功率因数校正系统140的实施例的示意视图。系统140可包括若干可并联电连接的PFC单元48。单元48的输入例如可连接到公共的三相可变或恒定频率的AC输入电力母线142，且输入可连接到公共的DC母线电容器组144。采用实施例，通过调节来自每个PFC单元48的电流，系统140可管理在PFC单元48之间的负载分配。在实施例中，可修正每个PFC单元48的升压占空比(Dboost)以调节在不同PFC单元48之间的电流分配。可相移并联单元的控制以减小在EMC滤波器输出处的纹波电流。移相可取决于并联单元的数目—例如对于两个并联单元，在两单元之间的PWM信号的相位可偏移180度。
图13是示出可由模块化分布式系统中每个PFC单元48执行的电流分配算法150的实施例的方框图。该算法150例如可用于为PFC单元确定升压变换器占空比Dboost。每个单元可提供全部DC母线电流的1/n，其中n为系统中有源PFC单元的数目。这种电流分流可通过测量反馈到每个PFC单元中的DC母线电流Ibus来获得。DC母线电流Ibus可在除法块152处除以n，并在比较块154处与来自每个PFC单元的电流输出Ipfc比较。可在与DC母线电流Ibus比较之前在滤波器块156处对每个PFC输出电流Ipfc滤波(例如低通滤波)。滤波器的时间常数可与DC母线时间常数相匹配。可将在Ibus与Ipfc之间的差输入到功能模块158处的功能G中。功能G可以为比例-积分(PI)或PID控制算法。采用控制功能G的电流误差用于寻找校正因数Icor。其它已知的控制方法也可用于调节每个模块中的电流。升压开关占空比Dboost则可在乘法块160处乘以(1+Icor)，以得到单个升压变换器的最终占空比Dfinal。
出于示例及描述的目的已经呈现本发明具体实施例的上述描述。上述描述不旨在穷举或将发明限制为公开的精确形式，而根据上述教导可以有各种修改和变化。选择并描述实施例以便解释发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其它技术人员能够利用本发明及具有适合预期的特定使用的各种修改的各种实施例。其目的在于本发明的范围由权利要求及其等效变换限定。

Claims (20)

1.一种功率因数校正单元，包括：
交流(AC)输入，其被配置成接收AC电力；
整流器，其具有与AC输入电耦接的输入并且提供直流(DC)输出；
功率变换器，其具有与整流器的DC输出电耦接的输入；以及
功率因数控制电路，其被配置成控制所述功率因数校正单元的功率因数，该功率因数控制电路被配置成输出用于功率变换器的控制信号，该控制信号根据整流器的DC输出的谐波产生。
2.如权利要求1所述的功率因数校正单元，其中谐波包括整流器的DC输出的六次谐波。
3.如权利要求1所述的功率变换器，其中功率变换器是DC-DC变换器。
4.如权利要求3所述的功率因数校正单元，其中功率变换器是升压变换器。
5.如权利要求4所述的功率因数校正单元，其中功率因数控制电路被配置成生成控制信号以在非连续导通模式中操作升压变换器。
6.如权利要求1所述的功率因数校正单元，其中控制信号包括脉冲宽度调制控制信号。
7.如权利要求1所述的功率因数校正单元，其中整流器包括三相桥式整流器。
8.如权利要求1所述的功率因数校正单元，其中功率因数控制电路被配置成输出控制信号以使功率变换器输出DC电压，所述DC电压高于功率因数校正单元的额定电压25％或更多，该额定电压根据AC输入来确定。
9.如权利要求1所述的功率因数校正单元，进一步包括电压传感器，该电压传感器被配置成测量整流器的输入电压并且向功率因数控制电路提供所测量的输入电压。
10.一种配电系统，该配电系统用于飞机，所述配线系统包括：
交流(AC)输入，其被配置成接收AC电力；
两个或多个功率因数校正单元，每个功率因数校正单元包括：
整流器，其具有与AC输入电耦接的输入并且提供直流(DC)输出；
功率变换器，其具有与整流器的DC输出电耦接的输入；
功率因数控制电路，其被配置成控制所述功率因数校正单元的功率因数，该功率因数控制电路被配置成输出用于功率变换器的控制信号，该控制信号根据整流器的DC输出的谐波来产生；
其中两个或多个功率因数校正单元共同被配置成提供共同的DC输出。
11.如权利要求10所述的配电系统，其中两个或多个功率因数校正单元在AC输入和共同的DC输出之间并联连接。
12.如权利要求10所述的配电系统，进一步包括与共同的DC输出电耦接的电容器组。
13.如权利要求10所述的配电系统，其中两个或多个功率因数校正单元中的每一个的功率变换器具有相应的占空比，进一步地，其中相应的占空比相对彼此相移。
14.如权利要求13所述的配电系统，其中在第一个功率变换器与第二个功率变换器之间的相位偏移根据包括两个或更多个功率因数校正单元的功率因数校正单元的数目来确定。
15.一种配电方法，包括：
接收交流(AC)输入；
采用整流器将AC输入变换成直流(DC)信号；
采用功率变换器根据DC信号产生DC输出；以及
根据DC信号的谐波采用功率因数控制电路来控制功率变换器。
16.如权利要求15所述的方法，其中该控制包括提供用于功率变换器的脉冲宽度调制信号。
17.如权利要求15所述的方法，其中该控制包括在非连续导通模式中操作功率变换器。
18.如权利要求15所述的方法，其中DC输出高于根据AC输入所确定的额定电压25％或更多。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括接收用于DC输出的期望电压，其中该控制进一步根据期望电压。
20.如权利要求15所述的方法，其中从与整流器的输入电耦接的传感器接收AC输入。
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