CN108448915A - 一种多电飞机的直流供电系统 - Google Patents

一种多电飞机的直流供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多电飞机的直流供电系统，该系统包括：发电机、PWM整流器和线性扰动观测器；发电机与PWM整流器连接,线性扰动观测器与PWM整流器连接；其中,发电机输出交流电，PWM整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，线性扰动观测器将目标扰动电流注入PWM整流器，其中，目标扰动电流为PWM整流器的输出变量与Q(s)P‑1(s)的乘积和发电机定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，Q(s)为低通滤波器，P(s)为PWM整流器的传递函数，通过本发明的技术方案，能够实现提升电力系统的稳定性和控制性能。

Description

一种多电飞机的直流供电系统
技术领域
本发明实施例涉及自动控制技术，尤其涉及一种多电飞机的直流供电系统。
背景技术
电力系统稳定性分析是飞机电力系统总体设计的必要环节。目前，随着飞机机载电气设备的增加，尤其是电力电子变换器和电机驱动设备的大量使用，多电飞机的电气负载容量、类型、电网复杂度均较传统飞机电力系统大大提高。在多电飞机里，电环控、电作动、电防除冰等大量新增电气负载，从本质上来讲属于电力电子变换器控制的电机或电力电子变换器控制的阻性负载。单台电力电子变换器负载可按照出厂设计标准正常运行，多台同时运行时由于设备间相互耦合，影响系统整体性能，严重时可导致振荡甚至失稳发生。
传统飞机在电力系统设计时仅考虑设备的电压、电流、容量、电能质量等性能指标，为了防止振荡失稳现象发生，会采用冗余量较大的发电机和变换器作为一次、二次电源，这使得多电飞机电力系统设备余量过大，导致设备重量体积较大，功率密度较小。采用考虑电力系统稳定性对飞机电力系统进行设计可对各子设备器件选型给出精确而有效的范围，考虑电力系统整体集成设计，各系统间交联关系，从而提高电气设备电能利用效率，降低设备体积重量，提高功重比。
传统飞机在在电力系统设计时从单个设备出发，根据子设备性能需求选择器件，所以从需求上未考虑系统稳定性。
发明内容
本发明提供一种多电飞机的直流供电系统，以实现提升电力系统的稳定性和控制性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种多电飞机的直流供电系统，该系统包括：发电机、PWM整流器和线性扰动观测器；所述发电机与所述PWM整流器连接,所述线性扰动观测器与所述PWM整流器连接；
其中,所述发电机输出交流电，所述PWM整流器将所述发电机输出的交流电转换为直流电，所述线性扰动观测器将目标扰动电流注入所述PWM整流器，其中，所述目标扰动电流为PWM整流器的输出变量与Q(s)P-1(s)的乘积和所述发电机定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，所述Q(s)为低通滤波器，P(s)为所述PWM整流器的传递函数。
进一步的，所述发电机定子侧q轴电流为所述目标扰动电流和所述PWM整流器的输入电流的差值电流。
进一步的，所述PWM整流器包括：PI调节器；
其中，所述PI调节器根据实际输出值与预设值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对输入电流进行控制。
进一步的，Q(s)的相对阶次大于或者等于P(s)的相对阶次。
进一步的，
其中，a为滤波器Q(s)的时间常数，s为输入信号。
进一步的，
其中，isq为发电机定子侧q轴电流，isqref为发电机定子侧q轴参考电流，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，kip和kii分别为PI调节器里的比例参数和积分参数，s为输入信号。
进一步的，
其中，C为直流母线电容值，a为滤波器Q(s)的时间常数，Vsq为发电机定子侧q轴电压，Udc为直流侧母线电压。
进一步的，a＝1×10-4。
本发明实施例通过发电机、PWM整流器和线性扰动观测器；发电机与PWM整流器连接,线性扰动观测器与PWM整流器连接；其中,发电机输出交流电，PWM整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，线性扰动观测器将目标扰动电流注入PWM整流器，其中，目标扰动电流为PWM整流器的输出变量与Q(s)P-1(s)的乘积和发电机定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，Q(s)为低通滤波器，P(s)为PWM整流器的传递函数，以实现提升电力系统的稳定性和控制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例一中的一种多电飞机的直流供电系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一中的三级式同步电机及PWM整流器结构示意图；
图3是本发明实施例一中的发电机PWM整流器控制示意图；
图4是本发明实施例一中的含扰动观测器的稳定性补偿策略架构图；
图5是本发明实施例一中的PWM整流器q轴控制环示意图；
图6是本发明实施例一中的PWM整流器q轴控制环等效示意图；
图7是本发明实施例一中的引入线性扰动观测器的源侧PWM整流器q轴控制环示意图；
图8是本发明实施例一中的未补偿时系统直流母线电压、q轴电流、d轴电流和转子电流波形仿真图；
图9是本发明实施例一中的引入含线性扰动前馈补偿的系统随参数变化的根轨；
图10是本发明实施例一中的基于扰动观测器的稳定性补偿策略控制下直流电压和q轴电流的波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一中的一种多电飞机的直流供电系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：发电机1、PWM整流器2和线性扰动观测器3；
其中，所述发电机1与所述PWM整流器2连接,所述线性扰动观测器3与所述PWM整流器2连接；
其中,所述发电机1输出交流电，所述PWM整流器2将所述发电机1输出的交流电转换为直流电，所述线性扰动观测器3将目标扰动电流注入所述PWM整流器2，其中，所述目标扰动电流为PWM整流器2的输出变量与Q(s)P-1(s)的乘积和所述发电机1定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，所述Q(s)为低通滤波器，P(s)为所述PWM整流器2的传递函数。
具体的，发电机为主起动发电机，PWM整流器为源侧PWM整流器。本发明实施例研究主起动发电机定子侧q轴控制也即PWM整流器的控制中的q轴电流环，由于控制所用的参数均折合到定子侧，因此在转子侧的控制环中，所得到的转子侧的电流和电压均为折合到定子侧的值。
具体的，源侧q轴控制使得源侧PWM整流器输出直流电压跟踪直流电压参考值，对源侧PWM整流器的矢量控制而言，负载电流是一个扰动量。若将负载电流引起的q轴电流实际值的变化前馈，且前馈量可以完全抵消负载电流扰动，则该补偿和原矢量控制构成一个二自由度观测器，可以提高系统的稳定性。
可选的，所述发电机定子侧q轴电流为所述目标扰动电流和所述PWM整流器的输入电流的差值电流。
本发明实施例以多电飞机直流供电架构作为分析对象，先给出对象模型，然后设计扰动观测器将观测结果补偿系统，提高稳定性。目前，多电飞机的供电电源主要是三级式同步电机及PWM整流器构成，如图2所示。其中，三级式同步电机由副励磁机、主励磁机和主起动/发电机构成，副励磁机是永磁同步电机，主励磁机和主起动/发电机分别为旋转电枢式和旋转磁极式电励磁同步电机，二极管D1～D6构成的二极管桥将副励磁机电枢三相交流电整流后给主励磁机的励磁绕组供电，二极管D7～D12构成的二极管桥作为旋转整流器，与主励磁机的电枢绕组、主起动/发电机的励磁绕组同轴旋转。
可选的，所述PWM整流器包括：PI调节器；
其中，所述PI调节器根据实际输出值与预设值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对输入电流进行控制。
可选的，Q(s)的相对阶次大于或者等于P(s)的相对阶次。
可选的，
其中，a为滤波器Q(s)的时间常数，s为输入信号。
可选的，
其中，isq为发电机定子侧q轴电流，isqref为发电机定子侧q轴参考电流，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，kip和kii分别为PI调节器里的比例参数和积分参数，s为输入信号。
可选的，
其中，C为直流母线电容值，a为滤波器Q(s)的时间常数，Vsq为发电机定子侧q轴电压，Udc为直流侧母线电压。
可选的，a＝1×10-4。
本发明实施例主要包括多电飞机高压直流系统建模和扰动前馈补偿稳定性的线性扰动观测器设计，属于航空电气系统领域。本发明实施例采用考虑电力系统稳定性对飞机电力系统进行设计时，给出了子设备部件选取范围。为满足电力系统稳定性，给出了稳定性影响因素(即硬件设计和控制设计的选取)，并在分析中给出判断，选择具体哪种型号硬件和控制方式。采用考虑电力系统稳定性，对飞机电力系统进行整体集成设计，能够提高电气设备电能利用效率，降低设备体积重量，提高功重比。
需要说明的是，由于本发明实施例的对象为多电飞机直流供电系统的稳定性，因此仅关注三级式同步电机在发电状态下的模型。发电状态下，在可接受的范围内进行简化，将主起动/发电机的励磁侧即副励磁机和主励磁机的电磁暂态过程等效成为一阶惯性环节。本发明实施例的分析考虑主起动/发电机和源侧PWM整流器的模型。主起动/发电机为旋转磁极式同步发电机，假设励磁侧和电枢侧均为电动机惯例，在以转子凸极方向为d轴，超前d轴90°方向为q轴的dq坐标系下，主起动/发电机的电压方程表示为：
其中，ω为同步转速，|V|为定子电压幅值，vsd,isd,ψsd分别为主起动/发电机定子侧d轴电压、电流和磁链；vsq,isq,ψsq分别为主起动/发电机定子侧q轴电压、电流和磁链；vfd',ifd',ψfd'分别为主起动/发电机转子侧励磁电压、电流和磁链折合到定子侧的值；Rs为定子绕组电阻。
主起动/发电机的磁链方程表示为：
ψsd＝Ldisd+Lmdifd'
ψsq＝Lqisq
ψfd'＝Lfd'ifd'+Lmdisd；
其中，Ld,Lq,Lfd'分别为定子d轴、q轴、转子d轴自感值，且它们之间满足如下关系：
Ld＝Lmd+Lld
Lq＝Lmq+Llq
Lfd'＝Lmd+Llfd'
其中，Lmd,Lmq分别为定转子d轴方向的互感值和q轴方向的互感值；Lld,Llq,Llfd'分别为定子d轴漏感、定子q轴漏感以及转子d轴漏感折合到定子侧的值。
在发电状态下，多电飞机中主起动/发电机通常采用同步电机的id＝0的矢量控制，其控制示意图如图3所示。其中，虚线以上为定子侧控制示意图，虚线以下为转子侧示意图。主起动/发电机PWM整流器的控制中共有五个PI控制环，包括d轴电流环、q轴电流环、励磁电流环、直流电压环和交流电压环，并且在d轴电流环、q轴电流环后引入电压前馈项，使得定子侧实现前馈解耦。由于控制所用的参数均折合到定子侧，因此在转子侧的控制环中，所得到的转子侧的电流和电压均为折合到定子侧的值。根据图3可以写出源侧PWM整流器的控制方程：
其中，isqref为发电机定子侧q轴参考电流，|V|ref为参考定子电压幅值，kpi为PI调节器里的比例参数，kpv为交流电压幅值比例参数，kpdc为直流电压比例参数，kpif为励磁电流比例参数，|V|为交流电压的幅值，ifd′为励磁电流，kidc为交流电压的积分参数，kii为发电机定子侧d轴电压的积分参数，kiv为交流电压的幅值的积分参数，kiif为励磁电流的积分参数。
系统的跟踪精度反映了系统输出变量跟随指令值的能力，系统的扰动抑制能力是指在系统受到干扰后仍能维持系统稳定的能力。通常系统的跟踪精度和扰动抑制能力相互矛盾、不可兼得。基于对负载扰动的抑制能够补偿系统稳定性。本发明实施例提出一种基于扰动前馈补偿稳定性的线性扰动观测器，进而能够提高系统稳定性。
扰动观测器及前馈补偿系统与普通矢量控制相结合构成了二自由度控制器，基于扰动观测器，可以独立设计系统的跟踪性能和抗干扰性能，即可同时满足这两方面的要求，且这种扰动观测器可以减少复杂系统稳定性补偿所需的传感器以及通讯设备，从而可以提高系统的功率密度。本发明实施例提出了基于扰动前馈的稳定性补偿策略的总体结构，接着提出了线性扰动观测器。引入扰动观测器后系统的稳定性以及控制性能均得到提升。
基于扰动前馈的稳定性补偿的结构如图4所示。系统q轴电流环的闭环传递函数如下所示,其中kip和kii分别为直流母线PI调节器里的比例参数和积分参数：
其中，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，kip和kii分别为PI调节器里的比例参数和积分参数，s为输入信号。
源侧PWM整流器的控制如图3所示，可将其q轴控制环即直流电压环和q轴电流环等效成如图5所示的结构，其中，io为所有负载电流之和，为电作动负载电流i1、电环控负载电流i2、电除冰负载电流i3之和。
由图5可知，源侧q轴控制使得源侧PWM整流器输出直流电压跟踪直流电压参考值，对源侧PWM整流器的矢量控制而言，负载电流io是一个扰动量。若将负载电流io引起的q轴电流实际值的变化前馈，且前馈量可以完全抵消负载电流扰动，则该补偿和原矢量控制构成一个二自由度观测器，可以提高系统的稳定性。MEA HVDC供电系统的负载众多且复杂程度高，直接测量负载电流值进行前馈补偿需要大量的电流传感器，且将负载电流数据从负载处传送至源侧控制处需要大量的通讯接口，非常复杂。因此，本发明实施例提出可行的扰动观测器算法，通过源侧PWM整流器的输出变量观测负载电流扰动，并通过前馈传递函数Gsd(s)作为系统稳定性补偿信号，注入源侧PWM整流器的q轴控制环中，抵消负载电流扰动，从而提高系统的稳定性。基于扰动前馈的补偿策略的结构如图4所示。由于线性观测器的观测值为q轴电流参考处的等效负载电流扰动id，因此将其直接注入q轴控制环中即可抵消负载电流扰动。
本发明实施例提出的扰动观测器，观测效果满足、稳定性补偿效果提高、对系统控制性能的影响提升，这都验证了基于扰动前馈的稳定性补偿方法对于MEA HVDC系统的有效性。为方便线性扰动观测器的设计，将如图5所示的负载电流扰动io等效至q轴参考电流位置，如图6所示，其中，等效负载扰动id可表达为：
为观测等效负载扰动id，采用如图7所示的线性扰动观测器。P(s)为对象Po的传递函数,表达式如下：
但因为实际的物理系统中P(s)相对阶不为零,其逆P-1(s)在物理上难以实现，解决问题的唯一方法是串入低通滤波器Q(s),从而保证Q(s)P-1(s)可以实现，此时Q(s)的相对阶次需不小于P(s)的相对阶次，且为了保证系统的复杂度在一定范围内，取：
其中，a为滤波器Q(s)的时间常数，a越大，滤波器的低频带越窄，系统抑制高频噪声能力下降，但是系统稳定性增强。
综上，Q(s)P-1(s)的表达式如下：
其中，C为直流母线电容值，a为滤波器Q(s)的时间常数，Vsq为发电机定子侧q轴电压，Udc为直流侧母线电压。
图8为含3种不同的扰动观测器的扰动前馈补偿策略控制下系统随观测器参数变化时的主导极点的根轨迹，其中，未补偿系统的特征根位于右半平面，未补偿时系统不稳定。
如图8所示，“*”为含LDO观测器的稳定性补偿策略随滤波器时间常数a在5×10-5:5×10-5:5×10-4的根轨迹，且随a增大，系统的主导极点对逐渐移向右半平面，系统的稳定性下降。没有引入扰动观测器时直流电压对源侧角频率灵敏度的幅频特性，在中频段，直流电压对角频率的灵敏度有一个明显的尖峰。引入线性DOB后，该幅频特性相比未补偿系统，均削减了灵敏度尖峰，同时削减了该灵敏度在低频段的幅值，从而提高了对源侧角频率波动的控制性能。采用Matlab/Simulink平台，搭建多电飞机直流供电系统模型，110kVA/230V的同步发电机后级连接PWM整流器，其直流母线电压为540V。在0.3s时系统负载功率突增50％。未增加干扰观测器时，系统直流母线电压、q轴电流、d轴电流和转子电流波形如图9所示，系统直流母线电压、q轴电流、d轴电流和转子电流波形在0.3s负载功率突变后会发生振荡，系统失稳。如图10所示是基于LDO的稳定性补偿策略控制下直流电压和q轴电流的波形，此时扰动观测器中低通滤波器的时间常数a＝1×10-4。可见，在0.3s负载功率突变后，直流电压有约10V的电压降，并很快维持540V稳定，且功率变化前后系统直流母线电压的纹波均维持在5～7V之间，仿真结果相较于线性补偿更好。同样，源侧PWM整流器的q轴电流也在0.3s时迅速完成阶跃过程后稳定。
本发明实施例的技术方案针对多电飞机，提出基于扰动前馈补偿稳定性的线性扰动观测器，多电飞机高压直流系统建模和扰动前馈补偿稳定性的线性扰动观测器架构和设计；扰动观测器及前馈补偿系统与普通矢量控制相结合构成了二自由度控制器，基于扰动观测器，可以独立设计系统的跟踪性能和抗干扰性能，即可同时满足这两方面的要求，且这种扰动观测器可以减少复杂系统稳定性补偿所需的传感器以及通讯设备，从而可以提高系统的功率密度。基于扰动前馈的稳定性补偿策略的总体结构，提出了线性扰动观测器。引入扰动观测器后系统的稳定性以及控制性能均得到提升。
采用考虑电力系统稳定性对飞机电力系统进行设计可对各子设备器件选型给出精确而有效的范围，考虑电力系统整体集成设计，各系统间交联关系，从而提高电气设备电能利用效率，降低设备体积重量，提高功重比。
该补偿和原矢量控制构成一个二自由度观测器，可以提高系统的稳定性。MEAHVDC供电系统的负载众多且复杂程度高，直接测量负载电流值进行前馈补偿需要大量的电流传感器，且将负载电流数据从负载处传送至源侧控制处需要大量的通讯接口，非常复杂，本观测器减少了这些所需设备和通讯传输降低设备体积重量，提高功重比。
本实施例的技术方案，通过发电机、PWM整流器和线性扰动观测器；发电机与PWM整流器连接,线性扰动观测器与PWM整流器连接；其中,发电机输出交流电，PWM整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，线性扰动观测器将目标扰动电流注入PWM整流器，其中，目标扰动电流为PWM整流器的输出变量与Q(s)P-1(s)的乘积和发电机定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，Q(s)为低通滤波器，P(s)为PWM整流器的传递函数，以实现提升电力系统的稳定性和控制性能。
上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种多电飞机的直流供电系统，其特征在于，包括：发电机、PWM整流器和线性扰动观测器；所述发电机与所述PWM整流器连接,所述线性扰动观测器与所述PWM整流器连接；
其中,所述发电机输出交流电，所述PWM整流器将所述发电机输出的交流电转换为直流电，所述线性扰动观测器将目标扰动电流注入所述PWM整流器，其中，所述目标扰动电流为所述PWM整流器的输出变量与Q(s)P-1(s)的乘积和所述发电机定子侧q轴电流与Q(s)的乘积的差值电流，其中，所述Q(s)为低通滤波器，P(s)为所述PWM整流器的传递函数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发电机定子侧q轴电流为所述目标扰动电流和所述PWM整流器的输入电流的差值电流。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PWM整流器包括：PI调节器；
其中，所述PI调节器根据实际输出值与预设值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对输入电流进行控制。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，Q(s)的相对阶次大于或者等于P(s)的相对阶次。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
其中，a为滤波器Q(s)的时间常数，s为输入信号。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
其中，isq为发电机定子侧q轴电流，isqref为发电机定子侧q轴参考电流，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，kip和kii分别为PI调节器里的比例参数和积分参数，s为输入信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
其中，C为直流母线电容值，a为滤波器Q(s)的时间常数，Vsq为发电机定子侧q轴电压，Udc为直流侧母线电压。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，a＝1×10-4。
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