CN109067279A - 基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电流参考信号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，所述补偿信号模块包括串联的低通滤波器和放大器。将直流母线电压通过低通滤波器和放大器获得直流母线电压补偿值，并将该补偿值加载在原直流母线电压PI控制环中，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。

Description

基于电流参考信号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，具体涉及一种基于电流参考信号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。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。
本发明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。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电流参考信号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电流参考信号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，所述补偿信号模块包括串联的低通滤波器和放大器。
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q轴控制环中交流电流参考信号的位置。
进一步地，所述补偿信号模块的阻尼公式为其中，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率；产生的补偿信号为直流母线采样电压乘以上述阻尼公式。
进一步地，在加入补偿信号之前，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，Gi(s)是三级式同步电机中主发电机定子侧电流的传递函数，udc为直流母线电压的实际值，idc为直流母线电流的实际值，s为复频率变量，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，C为直流母线电压节点的电容值；
ks3＝3(ks2(vsd+ωisq(Ld+Lmdks1))+(vsq+isq(Rs+sLq)))；
其中，ks2为d轴电流与q轴电流变化值的比例系数，ks1为励磁电流与d轴电流变化值的比例系数；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，isq为定子测q轴电流实际值，Ld、Lmd、Lq分别为定子d轴自感值、定转子d轴方向的互感值和定子q轴自感值；
加入补偿信号之后，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率。
进一步地，ks1、ks2分别由下式计算：
其中，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，Rfd'为转子绕组电阻，Lfd'为转子d轴自感值。
本发明的另一方面提供了一种基于电流参考信号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；
整流器控制单元通过串联的低通滤波器和放大器产生的补偿信号对所述整流器进行控制，使得直流电压的稳定性增强。
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；所述补偿信号加入到q轴控制环中交流电流参考信号的位置。
进一步地，所述补偿信号的阻尼公式为其中，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率；产生的补偿信号为直流母线采样电压乘以上述阻尼公式。
进一步地，在加入补偿信号之前，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，Gi(s)是三级式同步电机中主发电机定子侧电流的传递函数，udc为直流母线电压的实际值，idc为直流母线电流的实际值，s为复频率变量，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，C为直流母线电压节点的电容值；
ks3＝3(ks2(vsd+ωisq(Ld+Lmdks1))+(vsq+isq(Rs+sLq)))；
其中，ks2为d轴电流与q轴电流变化值的比例系数，ks1为励磁电流与d轴电流变化值的比例系数；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，isq为定子测q轴电流实际值，Ld、Lmd、Lq分别为定子d轴自感值、定转子d轴方向的互感值和定子q轴自感值；
加入补偿信号之后，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率。
进一步地，ks1、ks2分别由下式计算：
其中，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，Rfd'为转子绕组电阻，Lfd'为转子d轴自感值。
综上所述，本发明提供了一种基于电流参考信号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，所述补偿信号模块包括串联的低通滤波器和放大器。将直流母线电压通过低通滤波器和放大器获得直流母线电压补偿值，并将该补偿值加载在原直流母线电压PI控制环中，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。
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是含低通滤波器的交流电流参考信号的线性补偿控制示意图；
图5是未补偿时系统直流母线电压、q轴电流波形图；
图6是含低通滤波器的交流电流参考信号线性补偿策略的直流母线电压、q轴电流波形图；
图7是线性补偿策略控制下系统补偿系数变化时主导极点的根轨迹示意图。
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，其发电原理此处不再赘述。
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轴电流变化值关系式为：
可简化为
即，为励磁电流与d轴电流变化值的比例系数。
定子侧d轴电流变化值与定子侧q轴电流变化值的关系式为：
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；
直流母线电流与直流母线电压关系式为：
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：
含高通滤波器的交流电流参考信号线性补偿策略(LPF-RACC)如图4所示，其补偿信号是由直流母线电压采样通过低通滤波器并乘以补偿系数kaci2得到，并将所得补偿信号引入q轴控制环中交流电流参考信号(dq变换后q轴电流)的位置。
在LPF-RACC控制下，Δisq和Δudc之间的关系如下：
其中，ωaci2低通滤波器的截止频率。
此时，源侧阻抗为：
所述含低通滤波器的补偿策略的阻尼公式为：
为验证直流电压参考信号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5所示为未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；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6所示为含低通滤波器的交流电流参考信号线性补偿策略下系统直流母线电压和q轴电流波形。可见系统在功率突增后依然正常工作，系统稳定性提高。
如图7所示为线性补偿策略控制下系统补偿系数变化时主导极点的根轨迹。根轨迹是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，如果根轨迹全部位于s平面左侧，则表示无论增益怎么改变，特征根全部具有负实部，则系统就是稳定的。如图7所示，横轴为实轴，纵轴为虚轴，箭头方向表示补偿系数kaci2的增大方向，当补偿系数kaci2的取值使得根轨迹都处于0点左侧，即具有负实部的根时，系统稳定性好。
含低通滤波器的交流电流参考信号补偿策略的低通滤波器参数如下表所示。
表1线性补偿策略的参数一览表
综上所述，本发明提供了一种基于电流参考信号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，所述补偿信号模块包括串联的低通滤波器和放大器。将直流母线电压通过低通滤波器和放大器获得直流母线电压补偿值，并将该补偿值加载在原直流母线电压PI控制环中，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。
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 (10)

1.一种基于电流参考信号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，所述补偿信号模块包括串联的低通滤波器和放大器。
2.如权利要求1所述的基于电流参考信号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q轴控制环中交流电流参考信号的位置。
3.如权利要求2所述的基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的装置，其特征在于，所述补偿信号模块的阻尼公式为其中，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率；产生的补偿信号为直流母线采样电压乘以上述阻尼公式。
4.如权利要求3所述的基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的装置，其特征在于，在加入补偿信号之前，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，Gi(s)是三级式同步电机中主发电机定子侧电流的传递函数，udc为直流母线电压的实际值，idc为直流母线电流的实际值，s为复频率变量，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，C为直流母线电压节点的电容值；
ks3＝3(ks2(vsd+ωisq(Ld+Lmdks1))+(vsq+isq(Rs+sLq)))；
其中，ks2为d轴电流与q轴电流变化值的比例系数，ks1为励磁电流与d轴电流变化值的比例系数；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，isq为定子测q轴电流实际值，Ld、Lmd、Lq分别为定子d轴自感值、定转子d轴方向的互感值和定子q轴自感值；
加入补偿信号之后，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率。
5.如权利要求4所述的基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的装置，其特征在于，ks1、ks2分别由下式计算：
其中，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，Rfd'为转子绕组电阻，Lfd'为转子d轴自感值。
6.一种基于电流参考信号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；
整流器控制单元通过串联的低通滤波器和放大器产生的补偿信号对所述整流器进行控制，使得直流电压的稳定性增强。
7.如权利要求6所述的基于电流参考信号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；所述补偿信号加入到q轴控制环中交流电流参考信号的位置。
8.如权利要求7所述的基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的方法，其特征在于，所述补偿信号的阻尼公式为其中，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率；产生的补偿信号为直流母线采样电压乘以上述阻尼公式。
9.如权利要求8所述的基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的方法，其特征在于，在加入补偿信号之前，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，Gi(s)是三级式同步电机中主发电机定子侧电流的传递函数，udc为直流母线电压的实际值，idc为直流母线电流的实际值，s为复频率变量，Rs为定子绕组电阻，Lq为定子q轴自感值，C为直流母线电压节点的电容值；
ks3＝3(ks2(vsd+ωisq(Ld+Lmdks1))+(vsq+isq(Rs+sLq)))；
其中，ks2为d轴电流与q轴电流变化值的比例系数，ks1为励磁电流与d轴电流变化值的比例系数；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，isq为定子测q轴电流实际值，Ld、Lmd、Lq分别为定子d轴自感值、定转子d轴方向的互感值和定子q轴自感值；
加入补偿信号之后，源侧阻抗为：
其中，Gdc(s)是直流母线电压的传递函数，kaci2为放大器的补偿系数，s为复频率变量，ωaci2为低通滤波器的截止频率。
10.如权利要求9所述的基于电流参考信号补偿直流供电系统稳定性的方法，其特征在于，ks1、ks2分别由下式计算：
其中，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，Rfd'为转子绕组电阻，Lfd'为转子d轴自感值。
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