CN105844993B - 一种能量回馈型飞机电气负载模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空电气系统领域，尤其涉及一种包括负载模拟器和并网逆变器的能量回馈型飞机电气负载模拟方法和装置，该模拟装置包括：用于将合适电压或电流提供给综合电源并将电网与模拟装置物理隔离的隔离变压器，用于提供电气负载的电压源的综合电源、用于模拟电气负载的电气负载模拟装置组成。本发明利用电力电子变换技术实现对飞机电气负载的模拟，在完成飞机上起发系统、配电系统等前期实验室论证阶段带载测试的基础上，将电气模拟负载输出的能量循环再生利用，不仅节约能源，不产生大量的热量，节省使用冷却设备的空间，大大减小噪音污染，从而节约了成本，为当前宽体客机以及未来更加绿色环保的全电飞机的研制提供技术基础和研究基础。

Description

一种能量回馈型飞机电气负载模拟方法

技术领域

本发明属于航空电气系统领域，尤其涉及一种包括负载模拟器和并网逆变器的能量回馈型飞机电气负载模拟方法和装置。

背景技术

目前，飞机电气模拟负载一种为阻感负载，不仅调节不便，难以精确控制，负载大小以及参数均会随着负载以及环境温度的变化而变化，而且造成大量的电能转化为热能散失而浪费，加上需要的冷却设备，不仅需要多余的空间，更需要额外的运营成本，并且会对环境产生噪音污染。随着宽体飞机和多电飞机研究的推进，飞机电气负载的数目和种类较传统飞机有了量级的增长。空客A350的总发电容量已达550kVA，波音B787的总发电容量更是达1.45MW，而目前飞机的电气模拟负载一种为阻感负载，还有一部分的专用设备电子负载。而这种专用设备电子负载通用性不强。而电气负载模拟是飞机电气系统前期设计中不可缺少的重要部分。飞机上的起发系统、配电系统等在前期实验室论证阶段都需要带载进行实验，而在实验室论证阶段采用真实负载不仅费时费力，耗资巨大，而且往往是难以实现的。通过模拟的电气负载代替真实负载来进行算法验证、测试相关系统特性功能并为后续实物调试积累经验，缩短研制周期，降低研发成本。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种更加新型、绿色环保、通用型的模拟电气负载。在飞机的实验室详细设计阶段，这种能量回馈型飞机电气负载模拟装置可以通过程序灵活模拟各种负载，同时适用于直流电源和交流电源，包括任意功率因数的线性负载、任意波形的非线性负载，如阻性负载、容性负载、感性负载、电动机、发电机等，而且还能将模拟负载吸收的电能大部分回馈电网，节约电能的能量回馈型飞机电气负载模拟方法和装置。

本发明的技术方案是：一种能量回馈型飞机电气负载模拟装置，该模拟装置主要用于飞机上各种电气负载的模拟，用于飞机电气系统概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计仿真阶段，模拟装置包括：用于将合适电压或电流提供给综合电源并将电网与模拟装置物理隔离的隔离变压器，用于提供电气负载的电压源的综合电源、用于模拟电气负载的电气负载模拟装置组成。

进一步，所述电气负载模拟装置包括负载模拟器、并网逆变器、负载特性控制器、电容、PWM整流电抗器和断路器；

其中：

所述负载特性控制器，用于实时模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性，包括电流或电压等；所述负载特性控制器与所述负载模拟器和并网逆变器控制连接；

所述负载模拟器，用于通过接收负载特性控制器输出的PWM控制指令，调节负载模拟器端口电流特性，模拟电气负荷，是负载特性控制器的执行机构；所述负载模拟器分别与电容和PWM整流电抗器连接；

所述并网逆变器，用于接收负载特性控制器输出的PWM控制指令，调节并网逆变器端口电流特性，使其端口电流能与电网相适应以回馈电网，也是负载特性控制器的执行机构；

所述并网逆变器分别与电容和隔离变压器的副边连接；

所述PWM整流电抗器，用于实现滤波的功能；所述PWM整流电抗器分别与负载模拟器和断路器连接；

所述电容器，用于实现滤波的功能；所述电容器设置在所述负载模拟器和并网逆变器之间；

所述断路器，用来控制三相电路的通断，或根据需要开通两相，模拟直流电源；综合电源为飞机上各种负载电源的总称，也包括发电机。

进一步，所述负载特性控制器包括上位机和目标机，所述目标机包括FPGA芯片和数字信号处理器，所述负载特性控制器是一种实时仿真平台，通过将建好的simulink仿真模型实时化，可以实时模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性。

进一步，所述负载模拟器和并网逆变器均由6个开关管组成。

本发明的另一目的是提供上述能量回馈型飞机电气负载模拟装置的模拟方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：将负载模拟装置的各个部件连接，在与电网接通，启动装置；

步骤2：根据需要模拟的电气负载在负载特性控制器中的 simulink中仿真建模，然后实时仿真运行，达到需要模拟的电气负载的目的，根据模拟的电气负载的需要，在综合电源上设定输出电压值，综合电源将给负载模拟器提供相应的电压，同时负载特性控制器通过采集负载模拟器端口的电压值u₁、u₂、u₃作为实时仿真平台中simulink 实时模型的输入，实时负载仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算即仿真运行电气负载在真实情况下的运行情况，实时计算输出负载模拟器端口电流参考值i₁ ^*、i₂ ^*、i₃ ^*，再与负载特性控制器采集到的负载模拟器端口的电流i₁、i₂、i₃比较后进行PID调节，负载特性控制器根据PID调节的结果改变其输出的控制信号高低电平的占空比，即高低电平的占比来控制负载模拟器开关管的导通关断，从而控制流过负载模拟器的电流大小，使负载模拟器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现负载模拟器模拟阻性、感性、容性负载以及电机负载的功能；

步骤3：负载特性控制器通过采集电网的电流值I₁ ^*、I₂ ^*、I₃ ^*作为实时仿真平台中变压器实时simulink模型的输入，此处变压器的参数与隔离变压器参数相同，实时变压器仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算，实时模拟计算输出真实情况下隔离变压器副边电流参考值I₁ ^o、I₂ ^o、I₃ ^o，再与负载特性控制器采集到的并网逆变器端口的电流I₁、I₂、I₃比较后进行PID调节输出PWM控制信号调节并网逆变器开关管，使并网逆变器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现并网功能。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明通过利用电力电子变换技术实现对飞机电气负载的模拟，在完成飞机上起发系统、配电系统等前期实验室论证阶段带载测试的基础上，将电气模拟负载输出的能量循环再生利用。该能量回馈型飞机电气负载模拟方法和装置，针对飞机前期实验论证阶段的各种负载模拟，不仅能模拟各种类型的飞机电气负载，而且节约能源，不产生大量的热量，节省使用冷却设备的空间，大大减小噪音污染，从而节约了成本，为当前宽体客机以及未来更加绿色环保的全电飞机的研制提供技术基础和研究基础。

附图说明

图1为本发明一种能量回馈型飞机电气负载模拟装置的逻辑框图。

图2为本发明的负载特性实现方式流程图。

图3为本发明的并网逆变器并网实现方式流程图。

图4为本发明模拟起动发电机模拟步骤流程图。

图5-图7为本发明模拟实施例模拟起动发电机模拟实现过程原理图。

图中：

1.隔离变压器、2.综合电源、3.电气负载模拟装置、4.第一断路器、3-1、负载特性控制器、3-2.负载模拟器、3-3.并网逆变器、 3-4.断路器、3-5.PWM整流电抗器、3-6.电容。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种能量回馈型飞机电气负载模拟装置，该模拟装置主要用于飞机上各种电气负载的模拟，用于飞机电气系统概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计仿真阶段，模拟装置包括：用于将合适电压或电流提供给综合电源和电气负载模拟装置，并将物理隔离电网与模拟装置之间的隔离变压器1，用于模拟电气负载的电压的综合电源2、用于模拟电气负载的电气负载模拟装置3组成；所述隔离变压器1与综合电源2之间设有第一断路器4。

所述电气负载模拟装置3包括负负载特性控制器3-1、负载模拟器3-2、并网逆变器3-3、断路器3-4、3-5PWM整流电抗器和3-6电容；

其中：

所述负载特性控制器3-1，用于实时模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性，包括电流或电压；所述负载特性控制器与所述负载模拟器和并网逆变器控制连接；

所述负载模拟器3-2，用于通过接收负载特性控制器输出的 PWM控制指令，调节负载模拟器端口电流特性，模拟电气负荷，是负载特性控制器的执行机构；所述负载模拟器分别与电容和PWM整流电抗器连接；

所述并网逆变器3-3，用于接收负载特性控制器输出的PWM控制指令，调节并网逆变器端口电流特性，使其端口电流能与电网相适应以回馈电网，也是负载特性控制器的执行机构，所述并网逆变器分别与电容和隔离变压器的副边连接；

所述PWM整流电抗器3-5，用于实现滤波的功能；所述PWM 整流电抗器分别与负载模拟器和断路器连接；

所述电容器3-6，用于实现滤波的功能；所述电容器设置在所述负载模拟器和并网逆变器之间；

所述断路器3-4，用来控制三相电路的通断，获根据需要开通两相，模拟直流电源；综合电源为飞机上各种负载电源的总称，也包括发电机。

所述负载特性控制器3-1包括上位机和目标机，所述目标机包括 FPGA芯片和数字信号处理器，负载特性控制器是一种实时仿真平台，通过将建好的simulink仿真模型实时化，可以实时模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性。

所述上位机主要用于负载simulink模型的搭建、实时化以及控制界面显示等，目标机主要由DSP+FPGA内核组成，主要用于对上位机实时化后的simulink模型进行处理运算，由目标机将处理运算的结果即PWM脉冲发送到负载模拟器。

进一步，所述负载模拟器和并网逆变器均由6个开关管组成。

本发明的另一目的是提供上述能量回馈型飞机电气负载模拟装置的模拟方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：连接各个部件，通电，装置启动；

步骤2：根据需要模拟的电气负载，在综合电源上设定电压或电流值，综合电源将给负载模拟器提供相应的电压或电流，同时负载特性控制器中的simulink根据需要模拟的电气负载建仿真模，通过采集负载模拟器端口的电压值u₁、u₂、u₃作为实时仿真平台中simulink实时模型的输入，实时负载仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算，实时计算输出负载模拟器端口电流参考值i₁ ^*、i₂ ^*、i₃ ^*，再与负载特性控制器采集到的负载模拟器端口的电流i₁、i₂、i₃比较后进行 PID调节，负载特性控制器根据PID调节的结果改变其输出的控制信号高低电平的占空比，即高低电平的占比来控制负载模拟器开关管的导通关断，从而控制流过负载模拟器的电流大小，使负载模拟器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现对负载模拟器的模拟阻性、感性、容性负载以及电机负载的模拟功能；

步骤3：负载特性控制器通过采集电网的电流值I₁ ^*、I₂ ^*、I₃ ^*作为实时仿真平台中simulink实时变压器模型的输入，此处变压器的参数与隔离变压器参数相同，实时变压器仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算，实时计算输出隔离变压器副边电流参考值I₁ ^o、I₂ ^o、 I₃ ^o，再与负载特性控制器采集到的并网逆变器端口的电流I₁、I₂、I₃比较后进行PID调节输出PWM控制信号调节并网逆变器开关管，使并网逆变器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现并网功能。

实施例：

图4为以起动发电机为例的模拟步骤，首先根据飞机所用起动发电机的参数将simulink仿真模型建好，将仿真模型实时化后导入负载特性控制器这个实时仿真平台，然后实时仿真运行，达到模拟起动发电机电气负载的目的，根据后续需要，比如如果起动发电机的定子电阻、电感参数发生变化等，可以修改调整起动发电机的参数，以模拟不同参数下的起动发电机。

图5、图6、图7为以起动发电机为例的一个模拟实现过程，图6中M代表负载特性控制器中的起动发电机仿真模型，图7中TC代表负载特性控制器中的变压器仿真模型。首先负载特性控制器采集负载模拟器端口电压u₁₁、u₁₂、u₁₃给起动发电机仿真模型，起动发电机仿真模型将此电压作为其三相电压，模型在此三相电压下仿真运行，同时负载特性控制器采集负载模拟器端口电流i₁₁、i₁₂、i₁₃，并将此端口电流与模型仿真运行的起动发电机三相电流i₁₁ ^*、i₁₂ ^*、i₁₃ ^*比较后，进行PID调节，根据PID调节的结果，负载特性控制器中产生PWM 脉冲波，高电平开关管导通(假定起动发电机模拟器和并网逆变器中的开关管为高电平导通)，低电平开关管关断，以调节流过的各个电流值i₁₁、i₁₂、i₁₃的大小，使负载模拟器端口电流与起动发电机模型仿真所得三相电流一致，此时，负载模拟器达到模拟飞机起动发电模拟器的目的；

能量回馈：如图7所示，负载特性控制器通过采集电网的电流值 I₁₁ ^*、I₁₂ ^*、I₁₃ ^*作为实时仿真平台中变压器实时变压器simulink仿真模型的输入，此处变压器的参数与隔离变压器参数相同，实时变压器仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算，实时模拟计算输出真实情况下隔离变压器副边电流参考值I₁₁ ^o、I₁₂ ^o、I₁₃ ^o，再与负载特性控制器采集到的并网逆变器端口的电流I₁₁、I₁₂、I₁₃比较后进行PID调节,根据PID调节的结果，负载特性控制器中产生PWM脉冲波，高电平开关管导通，低电平开关管关断，以调节流过的各个电流值I₁₁、 I₁₂、I₁₃的大小，使并网逆变器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现并网功能。

Claims (3)

1.一种能量回馈型飞机电气负载模拟装置的模拟方法，该模拟装置用于飞机上各种电气负载的模拟，及飞机电气系统概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计仿真阶段；该模拟装置包括：用于将合适电压或电流提供给综合电源并将电网与模拟装置物理隔离的隔离变压器，用于提供电气负载的电压源的综合电源、用于模拟电气负载的电气负载模拟装置组成，所述电气负载模拟装置包括负载模拟器、并网逆变器、负载特性控制器、电容、PWM整流电抗器和断路器；

其中：

所述负载特性控制器，用于实时模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性，包括电流或电压；所述负载特性控制器与所述负载模拟器和并网逆变器控制连接；

所述负载模拟器，用于通过接收负载特性控制器输出的PWM控制指令，调节负载模拟器端口电流特性，模拟电气负荷，是负载特性控制器的执行机构；所述负载模拟器分别与电容和PWM整流电抗器连接；

所述并网逆变器，用于接收负载特性控制器输出的PWM控制指令，调节并网逆变器端口电流特性，使其端口电流能与电网相适应以回馈电网，也是负载特性控制器的执行机构；

所述并网逆变器一端与电容，另一端与隔离变压器的副边连接；

所述PWM整流电抗器，用于实现滤波的功能；所述PWM整流电抗器分别与负载模拟器和断路器连接；

所述电容，用于实现滤波的功能；所述电容设置在所述负载模拟器和并网逆变器之间；

所述断路器，用来控制三相电路的通断，或根据需要开通两相，模拟直流电源；综合电源为飞机上各种负载电源的总称，也包括发电机，该装置的模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：将模拟装置的各个部件连接，再与电网接通，启动装置；

步骤2：根据需要模拟的电气负载在负载特性控制器中的simulink中仿真建模，然后实时仿真运行，达到需要模拟的电气负载的目的，根据模拟的电气负载的需要，在综合电源上设定输出电压值，综合电源将给负载模拟器提供相应的电压，同时负载特性控制器通过采集负载模拟器端口的电压值u ₁、u ₂、u ₃作为实时仿真平台中simulink实时模型的输入，实时负载仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算即仿真运行电气负载在真实情况下的运行情况，实时计算输出负载模拟器端口电流参考值i ₁ ^* 、i ₂ ^* 、i ₃ ^*，再与负载特性控制器采集到的负载模拟器端口的电流i ₁、i ₂、i ₃比较后进行PID调节，负载特性控制器根据PID调节的结果改变其输出的控制信号高低电平的占空比，即高低电平的占比来控制负载模拟器开关管的导通关断，从而控制流过负载模拟器的电流大小，使负载模拟器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现负载模拟器模拟阻性、感性、容性负载以及电机负载的功能；

步骤3：负载特性控制器通过采集电网的电流值I ₁ ^*、I ₂ ^*、I ₃ ^*作为实时仿真平台中变压器实时simulink模型的输入，此处变压器的参数与隔离变压器参数相同，实时变压器仿真模型在负载特性控制器中进行实时仿真计算，实时模拟计算输出真实情况下隔离变压器副边电流参考值I ₁ ^o 、I ₂ ^o 、I ₃ ^o，再与负载特性控制器采集到的并网逆变器端口的电流I ₁、I ₂、I ₃比较后进行PID调节输出PWM控制信号调节并网逆变器开关管，使并网逆变器端口电流与负载特性控制器的仿真模拟输出电流一致，以实现并网功能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载特性控制器包括上位机和目标机，其中目标机包括FPGA芯片和DSP数字信号处理，所述负载特性控制器是一种实时仿真平台，通过将建好的simulink仿真模型实时化，实时模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载模拟器和并网逆变器均由6个开关管组成。