CN109039184A - 一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置及方法，所述装置包括三级式同步电机、整流器和整流器控制单元；所述三级式同步电机与整流器连接，三级式同步电机发出的交流电通过整流器后变为直流电加载在负载两端，为负载供电；所述整流器控制单元与所述整流器连接，所述整流器控制单元包括补偿信号模块，所述补偿信号模块产生虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元。上述装置和方法可以做到在直流供电系统负载突增时保持供电系统稳定，不会发生失稳现象。

Description

一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置及方法
技术领域
本发明涉及航空电气系统领域，具体涉及一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置及方法。
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在设计时预留余量过大，导致设备重量体积较大，功率密度较小。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，所以从需求上位未考虑系统稳定性。
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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置和方法，以稳定直流供电系统，可以做到在直流供电系统负载突增时保持供电系统稳定，不会发生失稳现象。
为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置，包括：三级式同步电机、整流器和整流器控制单元；
所述三级式同步电机与整流器连接，三级式同步电机发出的交流电通过整流器后变为直流电加载在负载两端，为负载供电；
所述整流器控制单元与所述整流器连接，所述整流器控制单元包括补偿信号模块，所述补偿信号模块产生虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元，所述补偿交流电压vsc为：
其中，udc为直流母线电压，idc为直流母线电流，R为并联在直流母线上的所述虚拟电阻。
进一步地，所述整流器控制单元包括5个PI控制环，分别为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；所述补偿信号模块连接到交流电压环的位置。
进一步地，所述直流供电系统稳定满足的条件为：
其中，PL为恒功率负载的功率，C为直流母线电容，Rs、Ls分别为所述三级式同步电机和整流器的直流供电系统等效电源的内阻抗和内电感。本发明的另一方面提供了一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的方法，包括：
三级式同步电机提供交流电压；
整流器将所述三级式同步电机输出的交流电压整流为直流电压；
通过虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元以提高所述直流供电系统的稳定性，所述补偿交流电压vsc为：
其中，udc为直流母线电压，idc为直流母线电流，R为并联在直流母线上的所述虚拟电阻。
进一步地，所述整流器控制单元包括5个PI控制环，分别为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；所述补偿信号模块连接到交流电压环的位置。
进一步地，所述直流供电系统稳定满足的条件为：
其中，PL为恒功率负载的功率，C为直流母线电容，Rs、Ls分别为所述三级式同步电机和整流器的直流供电系统等效电源的内阻抗和内电感。
综上所述，本发明提供了一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置及方法，所述装置包括三级式同步电机、整流器和整流器控制单元；所述三级式同步电机与整流器连接，三级式同步电机发出的交流电通过整流器后变为直流电加载在负载两端，为负载供电；所述整流器控制单元与所述整流器连接，所述整流器控制单元包括补偿信号模块，所述补偿信号模块产生虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元。上述装置和方法可以做到在直流供电系统负载突增时保持供电系统稳定，不会发生失稳现象。
附图说明
图1是三级式同步电机原理示意图；
图2是三级式同步电机及PWM整流器拓扑图；
图3是源侧主起动/发电机PWM整流器控制示意图；
图4是源侧PWM整流器及虚拟电阻电路图；
图5是源侧PWM整流器补偿电压矢量的选择比较示意图；
图6是基于虚拟电阻补偿的控制框图；
图7(a)是原直流供电系统源侧简化等效电路图；图7(b)是引入虚拟电阻后的直流供电系统源侧简化等效电路图；
图8(a)、(b)是未补偿时直流供电系统的直流母线电压、q轴电流波形图；
图9(a)、(b)是基于虚拟电阻非线性补偿策略的直流母线电压、q轴电流波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本申请提案的技术方案以未来多电飞机直流供电架构作为分析对象，先给出对象模型，然后基于阻抗匹配原则，设计采用含低通滤波器的交流电流参考信号补偿，提高系统稳定性。
如图1所示，三级式同步电机从左到右包括副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机。其中副励磁机为永磁电机。上述三级式同步电机的工作原理是，副励磁机通过旋转产生三相交流电(A、B、C)，该三相交流电经过整流器后变为直流电，提供给主励磁机并作为主励磁机的励磁电流，主励磁机旋转后产生磁场作为主发电机的磁场，从而主发电机旋转产生三相交流电，三相交流电经过整流器的整流后可以作为直流电源。
如图2所示，直流供电系统三级式同步电机与整流器连接，三级式同步电机发出的交流电通过整流器后变为直流电加载在负载两端，为负载供电。其中，三级式同步电机包括副励磁机、主励磁机和主发电机。副励磁机是永磁同步电机、主励磁机为旋转电枢式电励磁同步电机，主发电机是旋转磁极式电励磁同步电机，如图1所示。上述三级式同步电机中，通过副励磁机为主励磁机提供电流，通过主励磁机为主发电机提供磁场。发电时，副励磁机、主励磁机和主发电机同时同轴旋转以实现发电。可选的，在三级式同步电机中，主发电机还可以叫做主起动机或主发动机。三级式同步电机为现有技术，其发电原理此处不在赘述。
图3所示的直流供电系统中整流器可采用PWM整流器，从主发电机输出的三相交流电通过整流器的控制一方面将三相交流电转为直流电，另一方面经过整流器的调整，可以控制发电机输出的电压和电流稳定性。在PWM整流器中,首先会将三相交流电从三相旋转坐标系经过派克变换转换为d轴和q轴下的两相旋转坐标系，通过PID控制并调节d轴和q轴中的多个参数，并将d轴和q轴坐标系下的参数经过反派克变化回给整流器，以控制发电机的输出电流。其中，两项旋转dq坐标系具体是以主发电机中转子凸级方向为d轴，超前d轴90°方向为q轴建立的坐标系。
如图3所示，上述局部控制的示意图中，多电飞机中主发电机一般采用同步电机的isd＝0的矢量控制。图3所示的控制示意图中，虚线以上为定子侧的控制，虚线以下为转子侧的控制。主发电机PWM整流器的控制包括5个PI控制环，这五个PI控制环分别是：d轴电流环(isd)、q轴电流环(isq)、励磁电流环(ifd')、直流电压环(udc)和交流电压环(|V|)。并且在d轴电流环、q轴电流环后，又引入了d轴电压和q轴电压作为前馈项，可以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。
以下为控制过程：
d轴电流的参考值isdref与实际值isd的差值经过PI输出vsd+ωψq；
q轴电流实际值和ωLd乘积与vsd+ωψq加和的值作为d轴电压的参考值vsdref；
直流母线电压的参考值udcref和直流母线电压的实际值udc的差值经过PI输出q轴电流的参考值isqref；
q轴电流的参考值isqref与实际值isq的差值经过PI输出vsq-ωψd；
d轴电流实际值和ωLq乘积分别与vsd+ωψq和ωLmdifd'的加和作为q轴的电压参考值vsqref；
交流电压幅值的参考值|V|ref与实际值|V|的差值经过PI输出励磁电流的参考值ifdref'；
励磁电流的参考值ifdref'与实际值ifd'的差值经过PI后获得励磁电压的实际值。最后将q轴的电压参考值vsqref和q轴的电压参考值vsqref经过反派克变换后得到的值返回给整流器。
根据图3所示的PWM整流器的控制示意图，可以列写源侧整流器的控制方程组：
其中，isdref为定子侧d轴电流参考值，isd为定子侧d轴电流实际值，isqref为定子侧q轴电流参考值，isq为定子侧q轴电流实际值，kpi为d轴电流PI控制环中的比例系数，kii为d轴电流PI控制环中的积分系数，S为复频率变量，vsd为主发电机定子侧d轴电压，vsq为主发电机定子侧q轴电压；ω为三级式同步电机的同步转速，ψq为ψsq：主发电机定子侧q轴磁链，ψd为ψsd：主发电机定子侧d轴磁链，udcref为直流母线电压的参考值，udc为直流母线电压的实际值，kpdc为直流母线电压PI控制环中的比例系数，kidc为直流母线电压PI控制环中的积分系数，|V|ref为主发电机中交流电压的参考值，|V|为主发电机中交流电压的实际值，kpv为主发电机中交流电压PI控制环中的比例系数，kiv为主发电机中交流电压PI控制环中的积分系数，ifdref'为主发电机转子测励磁电流的参考值，ifd'为主发电机转子侧励磁电流的实际值，kpif为主发电机转子侧励磁电流PI控制环中比例系数，kiif为主发电机转子侧励磁电流PI控制环中积分系数，vfd'为主发电机转子侧励磁电压值。
主发电机为旋转磁极式同步发电机，设三级式同步电机的励磁侧(主励磁机)和电枢侧(主发电机)均为电动机的惯例，在dq坐标下主发电机的电压方程式为：
其中，ω为同步转速，|V|为定子电压幅值，vsd,isd,ψsd分别为主发电机定子侧d轴电压、电流和磁链；vsq,isq,ψsq分别为主发电机定子侧q轴电压、电流和磁链；vfd',ifd',ψfd'分别为主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，Rfd'为转子绕组电阻；t为时间。
主发电机的磁链方程组包括：
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：
自感方程组包括：
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。
根据上述方程组(1)、(2)和(3)可以得到主发电机转子测的励磁电流变化值与定子侧d轴变化值关系式为：
可简化为
定子侧d轴变化值与定子侧q轴变化值的关系式为：
即，为励磁电流与d轴电流变化值的比例系数。
可简化为
即，为d轴电流与q轴电流变化值的比例系数；
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，Gi(s)是主发电机定子侧电流的传递函数，Gv(S)是主发电机转子侧交流电压的传递函数，Gif(S)是主发电机转子侧励磁电流的传递函数，Rs为定子绕组电阻，S为复频率变量。
需要说明的是，上面的多个传递函数公式分别是：
对直流母线电容节点列写基尔霍夫电流方程，得到直流母线电流与直流母线电压关系式；
直流母线电流idc与直流母线电压udc关系式为：
其中，S为复频率变量，C为直流母线电压节点的电容值，udc为直流母线电压值。
对直流母线电流与直流母线电压关系式做小信号分析，得到主发电机源侧阻抗与直流母线电压的关系式。
对上述(7)式做小信号分析并整理，可以得到：
-2(Δidcudc+(idc+2sCudc)Δudc)＝3(ks2(vsd+ωisq(Ld+Lmdks1))+(vsq+isq(Rs+sLq)))Δisq，
可简化为：-2(Δidcudc+(idc+2sCudc)Δudc)＝ks3Δisq (8)
其中，ks3＝3(ks2(vsd+ωisq(Ld+Lmdks1))+(vsq+isq(Rs+sLq))) (9)
根据源侧整流器的控制方程组(1)可得：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，Gi(s)是主发电机定子侧电流的传递函数；
将公式(8)带入公式(10)整理可得主发电机源侧阻抗ΔZs与直流母线电压udc的关系式：
基于虚拟电阻非线性补偿策略以在直流母线上并联虚拟电阻为目标，构建源侧PWM整流器的稳定性补偿策略，源侧PWM整流器及所增加的虚拟电阻的位置和各变量的定义如图4所示。
采用在源侧PWM整流器的控制环中注入补偿信号的方法构建该虚拟电阻，从而提高系统的稳定性。由于在控制环路中直流在交流电压环注入补偿信号可以直接影响系统PWM的输出，响应速度最快，因此，需要计算该虚拟电阻等效交流电压信号的变化量，记为
若在如图4所示处增加虚拟电阻R，则R上的电流iR为：
为保证动态过程中，流入直流母线电容C的电流相等，则需要在源侧PWM整流器输出电流is上叠加一个补偿电流isc，其大小应和iR相等，方向与is的正方向相反。该补偿电流isc需要通过注入源侧PWM整流器控制环中的补偿信号实现，其大小由下式决定：
其中，即为该虚拟电阻等效交流电压信号的变化量，为源侧PWM整流器的合成电流矢量。
如图5所示，将源侧PWM整流器的合成电流矢量和原合成电压矢量在dq坐标系下作出，则由式(13)，一系列补偿电压矢量与合成电流矢量可以产生同样大小的补偿电流isc。为使注入的电压补偿矢量对系统的影响最小，因此选择平行于q轴电压补偿矢量使得其在所有产生相同大小的补偿电流isc的电压补偿矢量中模最小。此时，补偿后的合成电压矢量为
由上述分析，由于补偿电压矢量和合成电流矢量共线，因此，补偿电压矢量的大小由下式决定：
因此，完整的基于虚拟电阻非线性补偿策略的控制如图6所示，其中补偿信号加入q轴交流电压环，补偿信号的计算方法为如式(14)所示的非线性补偿信号。
简化模型后，计算虚拟电阻稳定性边界。对于源侧同步电机带PWM整流器的系统，可以近似等效为如图7(a)所示的直流电压源vs和内阻抗Rs,Ls构成电源，并通过直流母线电容连接负载。引入虚拟电阻后，系统简化等效电路如图7(b)所示。
根据图7(a)，列出原系统的状态方程：
对式进行小信号分析，最终可得系统方程：
其中，PL为恒功率负载的功率。
因此，系统稳定的条件为：
对于如图7(b)所示的引入虚拟电阻的简化等效电路，其状态方程列写如下：
其中，iR的取值如式(12)所示。
对式18进行小信号分析，最终可得补偿后的系统方程：
则系统稳定的条件为：
稳定性及控制性能分析
在如图6所示的基于虚拟电阻非线性补偿策略的控制下，Δisq和Δudc之间的关系如下：
此时，源侧阻抗为：
为验证虚拟电阻非线性补偿策略的有效性，搭建了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％。
如图8所示为未增加虚拟电阻非线性补偿时系统直流母线电压、q轴电流波形。在系统功率较小(0.2s～0.3s)时，未补偿状态下系统依然能保持稳定，如图8(a)所示；但0.3s负载功率突增后，系统直流母线电压、q轴电流均振荡发散，系统失稳，如图8(b)所示。
如图9所示是基于虚拟电阻的非线性补偿策略控制下直流电压和q轴电流的波形，此时虚拟电阻的大小为R＝1/0.035。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10V左右，如图9(a)所示。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，如图9(b)所示。
综上所述，本发明提供了一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置及方法，所述装置包括三级式同步电机、整流器和整流器控制单元；所述三级式同步电机与整流器连接，三级式同步电机发出的交流电通过整流器后变为直流电加载在负载两端，为负载供电；所述整流器控制单元与所述整流器连接，所述整流器控制单元包括补偿信号模块，所述补偿信号模块产生虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元。上述装置和方法可以做到在直流供电系统负载突增时保持供电系统稳定，不会发生失稳现象。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (6)

1.一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置，其特征在于，包括：三级式同步电机、整流器和整流器控制单元；
所述三级式同步电机与整流器连接，三级式同步电机发出的交流电通过整流器后变为直流电加载在负载两端，为负载供电；
所述整流器控制单元与所述整流器连接，所述整流器控制单元包括补偿信号模块，所述补偿信号模块产生虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元，所述补偿交流电压vsc为：
其中，udc为直流母线电压，idc为直流母线电流，R为并联在直流母线上的所述虚拟电阻。
2.如权利要求1所述的基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置，其特征在于，所述整流器控制单元包括5个PI控制环，分别为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；所述补偿信号模块连接到交流电压环的位置。
3.如权利要求2所述的基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的装置，其特征在于，所述直流供电系统稳定满足的条件为：
其中，PL为恒功率负载的功率，C为直流母线电容，Rs、Ls分别为所述三级式同步电机和整流器的直流供电系统等效电源的内阻抗和内电感。
4.一种基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的方法，其特征在于，包括：
三级式同步电机提供交流电压；
整流器将所述三级式同步电机输出的交流电压整流为直流电压；
通过虚拟电阻等效补偿交流电压的信号补偿到所述整流器控制单元以提高所述直流供电系统的稳定性，所述补偿交流电压vsc为：
其中，udc为直流母线电压，idc为直流母线电流，R为并联在直流母线上的所述虚拟电阻。
5.如权利要求4所述的基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的方法，其特征在于，所述整流器控制单元包括5个PI控制环，分别为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；所述补偿信号模块连接到交流电压环的位置。
6.如权利要求5所述的基于虚拟电阻补偿直流供电系统稳定性的方法，其特征在于，所述直流供电系统稳定满足的条件为：
其中，PL为恒功率负载的功率，C为直流母线电容，Rs、Ls分别为所述三级式同步电机和整流器的直流供电系统等效电源的内阻抗和内电感。
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