CN109541458A - 一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟方法和装置，其中模拟装置用于飞机起动发电系统的起动和发电过程的模拟，以及在研发和测试阶段对飞机的起动发电系统进行测试；所述模拟装置包括直流供电电源、起动发电机控制变流器、起动发电机模拟器、环流抑制电抗器、起动发电机模拟器控制系统和上位机。本发明还公开了所述共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置的模拟方法。本发明的模拟方法和装置实现了模拟飞机起动和发电过程的功能，并且该装置的参数能够灵活地进行修改，电能损耗小，省去了庞大的冷却设备，缩短了研制周期和开发成本。

Description

一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟方法和装置

技术领域

本发明属于航空电气系统领域，更具体地，涉及一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟方法和装置。

背景技术

随着航空工业的飞速发展，飞机正在朝着多电化和全电化的方向发展，飞机起动发电系统则是多电化和全电化的关键性设备之一。现阶段，飞机起动发电系统的测试主要利用实际的起动发电机进行测试。在起动过程中起动机所带的机械负载通常是同步发电机，通过控制同步发电机的输出功率产生起动机所需要的负载转矩，这样的测试系统具有系统复杂、可靠性差、硬件成本高、电能利用率低的特点。在发电过程中发电机所带的负载主要是阻感负载，具有不便于调节、控制精度低、电能损耗大的特点。上述测试系统的特点导致其需要庞大的冷却设备和多余的设备空间。此外，在起动发电机设计完成后其参数不能灵活改变，新系统和新设备的测试则需要重新设计和制造起动发电机，造成了额外的研发和测试费用。近些年来，有学者提出了“虚拟电机”和电力电子负载模拟装置的技术。这种技术是指利用电力电子装置模拟真实线性和非线性负载，例如电机、阻性负载、容性负载、感性负载等。利用这种技术，飞机的起动发电测试系统能够用电力电子装置替代，以缩短开发周期和降低研发成本。

专利文献CN105844993A公开了一种能量回馈型飞机电气负载模拟方法和装置，所述装置包括隔离变压器、综合电源、电气负载模拟装置；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；所述负载特性控制器用于模拟仿真并输出模型负载的各种电气特性；所述负载特性控制器与负载模拟器和并网逆变器连接；所述负载模拟器用于接收负载特性控制器输出的PWM控制指令，模拟电气负荷；所述并网逆变器，用于接收负载特性控制器输出的PWM指令，使其端口电流能与电网相适应以回馈给电网；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，用于实现斩波的功能；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；所述断路器，用来控制三相电路的通断。该发明能够模拟阻性、容性、感性以及电机负载。

但是专利文献CN105844993A公开的一种能量回馈型飞机电气负载模拟方法和装置存在如下问题：

(1)该飞机电气负载模拟方法和装置为交流供电，无法由直流供电的变流器；

(2)该飞机电气负载模拟方法和装置只能模拟不带电机驱动器的电动机负载。对实际需要电机驱动器的起动发电系统，该方法和装置无法满足测试要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟方法和装置，由此解决现有技术存在无法由直流供电、只能模拟不带电机驱动器的电动机负载、无法满足测试要求的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，所述模拟装置用于飞机起动发电系统的起动和发电过程的模拟，以及在研发和测试阶段对飞机的起动发电系统进行测试；所述模拟装置包括直流供电电源、起动发电机控制变流器、起动发电机模拟器、环流抑制电抗器、起动发电机模拟器控制系统和上位机；

所述起动发电机控制变流器与所述起动发电机模拟器在直流侧共同连接到所述直流供电电源，在交流侧通过所述环流抑制电抗器相连接，所述起动发电机模拟器控制系统与所述上位机连接；

所述直流供电电源，用于为模拟装置提供电能，补偿损耗；

所述起动发电机控制变流器，用于在模拟起动过程中作为电机驱动控制器，在模拟发电过程中作为整流器；

所述起动发电机模拟器，用于模拟起动发电机的端口特性；

所述环流抑制电抗器，用于抑制模拟装置中产生的环流；

所起动发电机模拟器控制系统，用于检测三相电压、电流信号，分别驱动和控制起动发电机控制变流器和起动发电机模拟器，实现起动发电机模拟器模拟起动机和发电机的功能；

所述上位机，用于实现起动过程和发电过程的切换控制。

进一步地，起动发电机控制变流器包括6个开关器件和1个电容。

进一步地，起动发电机模拟器包括6个开关器件、1组三相电抗器和1个电容。

进一步地，起动发电机模拟器控制系统包括三相线电压检测模块、三相线电流检测模块、开关驱动电路、起动发电机控制变流器控制器和起动发电机模拟器控制器。

进一步地，起动发电机模拟器控制系统将采集的电压和电流数据分别传输至起动发电机控制变流器控制器与起动发电机模拟器控制器和上位机；所述上位机将显示上传的数据，所述起动发电机变流器控制器与所述起动发电机模拟器控制器利用形成的控制信号分别对所述起动发电机控制变流器与起动发电机模拟器进行控制。

进一步地，上位机包括实时数字信号处理器和计算机，用于实现起动过程和发电过程的切换控制。以及与起动发电机模拟器控制器、起动发电机控制变流器控制器通信的功能。

按照本发明的另一方面，提供了一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置的模拟方法，包括：

(1)将模拟装置的各个部件连接，启动模拟装置；

(2)根据起动发电机类型及其参数，对起动发电机进行建模，通过上位机，将得到的起动发电机的离散数学模型写入起动发电机模拟器控制器；在模拟起动的过程中，起动发电机模拟器控制器将检测到的双向变流器的输出电压作为起动发电机模型的输入，起动发电机模型在起动发电机模拟器控制器中进行实时计算输出起动发电机模拟器端口的参考电流，再与起动发电机模拟器控制器采集到的实际电流比较之后进行PI调节，起动发电机模拟器控制器根据PI调节的结果改变其输出的占空比，使起动发电机模拟器的端口电流与起动发电机模型实时计算出来的参考电流一致，以实现使用起动发电机模拟器模拟起动机的功能；

(3)在模拟起动的过程中，通过上位机，将电机驱动控制算法写入起动发电机控制变流器控制器；起动发电机控制变流器控制器将起动发电机模拟器控制器检测到的电压和电流作为输入，根据具体的电机驱动控制算法输出占空比，使起动发电机控制变流器能够驱动起动发电机模拟器，以实现模拟起动过程的功能；

(4)在模拟起动过程完成之后，通过上位机，将起动发电系统模拟装置切换到模拟发电的过程，将整流控制算法写入起动发电机控制变流器控制器；起动发电机模拟器控制器将检测到的电压作为输入，起动发电机模型在起动发电机模拟器控制器中进行实时计算输出起动发电机模拟器端口的参考电流，再与起动发电机模拟器控制器采集到的实际电流比较之后进行PI调节，起动发电机模拟器控制器根据PI调节的结果改变其输出的占空比，使起动发电机模拟器的端口电压与起动发电机模型实时计算出来的参考电流一致，以实现使用起动发电机模拟器模拟发电机的功能；

(5)起动发电机控制变流器控制器将起动发电机模拟器控制器检测到的电流作为输入，根据整流控制算法输出占空比，使起动发电机控制变流器能够对起动发电机模拟器的输出进行整流，以实现模拟发电过程的功能。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提出的飞机起动发电系统模拟方法和装置可以实现模拟起动发电机起动和发电的双功能；本发明提出的飞机起动发电系统模拟方法和装置可以模拟带电机驱动控制器的起动过程；本发明提出的飞机起动发电系统模拟装置的损耗较小，节约了大量的电能，省去了庞大的冷却装置，降低了维护费用。本发明装置可以由直流供电、可以模拟带电机驱动器的电动机负载、可以满足测试要求。

(2)本发明提出的飞机起动发电系统模拟方法和装置能够灵活地改变起动发电机的参数，通过修改程序算法可以灵活地模拟不同参数的飞机起动发电机，以模拟飞机起动发电的过程，同时模拟装置的电能能够回馈到电源侧，节约电能，省去了庞大的冷却装置，缩短了开发周期，利用一套装置进行多种测试，降低了研发的成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的飞机起动发电系统模拟装置结构图；

图2为本发明实施例提供的起动发电机模拟器控制系统框图；

图3为本发明实施例提供的模拟起动发电过程的流程图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为直流供电电源、2为起动发电机控制变流器、2-1为起动发电机控制变流直流侧电容、3为起动发电机模拟器、3-1为起动发电机模拟器直流侧电容、3-2为起动发电机模拟器三相电抗器、4为环流抑制电抗器、5为起动发电机模拟器控制系统、5-1为起动发电机控制变流器控制器、5-2为起动发电机模拟器控制器、6为上位机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的飞机起动发电系统模拟装置结构图。如图1所示，飞机起动发电系统模拟装置包括直流供电电源1、起动发电机控制变流器2、起动发电机模拟器3、环流抑制电抗器4、起动发电机模拟器控制系统5和上位机6。该装置的特点为：电能能够双向流动，即既能从起动发电机控制变流器到起动发电机模拟器，也能从起动发电机模拟器到起动发电机控制变流器；由于该装置的主要损耗是开关器件的开通和关断损耗，因而该装置的损耗较低。起动发电机控制变流器2包括起动发电机控制变流直流侧电容2-1，起动发电机模拟器3包括起动发电机模拟器直流侧电容3-1和起动发电机模拟器三相电抗器3-2，起动发电机模拟器控制系统5包括起动发电机控制变流器控制器5-1和起动发电机模拟器控制器5-2。

图2为本发明实施例的起动机发电机模拟器控制系统框图。如图2所示，起动发电机模拟器包括6个开关器件、1组三相电抗器和1个电容。在模拟起动的过程中，起动发电机模拟器控制器中的起动机模型将三相电压u_abc作为输入，在起动发电机模拟器控制器中进行实时计算输出起动发电机模拟器的参考电流i_{abc_ref}，再与起动发电机模拟器控制器采集到的电流i_abc比较后经过电流控制器和脉宽调制输出占空比，使起动发电机模拟器的端口电流与起动机模型实时计算出来的参考电流一致，以实现使用起动发电机模拟器模拟起动机和发电机的功能。

图3为本发明实施例模拟起动过程和发电过程的流程图。如图3所示，上位机通过控制起动发电机模拟器控制器和起动发电机控制变流器控制器使起动发电机模拟器和起动发电机控制变流器协同工作。起动发电机控制变流器控制器将检测到电流作为输入，通过具体的电机驱动控制算法和脉宽调制得到占空比，使起动发电机控制变流器作为起动机驱动控制器，而起动发电机模拟器作为起动机模拟器，实现模拟起动过程的功能；在起动过程结束之后，上位机将切换飞机起动发电系统模拟装置的运行模式，起动发电机控制变流器控制器将检测到的电流作为输入，通过具体的整流控制器算法和脉宽调制输出占空比，使起动发电机控制变流器作为整流器，而起动发电机模拟器作为发电机模拟器，实现模拟发电过程的功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，其特征在于，所述模拟装置用于飞机起动发电系统的起动和发电过程的模拟，以及在研发和测试阶段对飞机的起动发电系统进行测试；所述模拟装置包括直流供电电源(1)、起动发电机控制变流器(2)、起动发电机模拟器(3)、环流抑制电抗器(4)、起动发电机模拟器控制系统(5)和上位机(6)；

所述起动发电机控制变流器(2)与所述起动发电机模拟器(3)在直流侧共同连接到所述直流供电电源(1)，在交流侧通过所述环流抑制电抗器(4)相连接，所述起动发电机模拟器控制系统(5)与所述上位机(6)连接；

所述直流供电电源(1)，用于为模拟装置提供电能，补偿损耗；

所述起动发电机控制变流器(2)，用于在模拟起动过程中作为电机驱动控制器，在模拟发电过程中作为整流器；

所述起动发电机模拟器(3)，用于模拟起动发电机的端口特性；

所述环流抑制电抗器(4)，用于抑制模拟装置中产生的环流；

所起动发电机模拟器控制系统(5)，用于检测三相电压、电流信号，分别驱动和控制起动发电机控制变流器(2)和起动发电机模拟器(3)，实现起动发电机模拟器(3)模拟起动机和发电机的功能；

所述上位机(6)，用于实现起动过程和发电过程的切换控制。

2.如权利要求1所述的一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，其特征在于，所述起动发电机控制变流器(2)包括6个开关器件和1个电容。

3.如权利要求1或2所述的一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，其特征在于，所述起动发电机模拟器(3)包括6个开关器件、1组三相电抗器和1个电容。

4.如权利要求1或2所述的一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，其特征在于，所述起动发电机模拟器控制系统(5)包括三相线电压检测模块、三相线电流检测模块、开关驱动电路、起动发电机控制变流器控制器和起动发电机模拟器控制器。

5.如权利要求4所述的一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，其特征在于，所述起动发电机模拟器控制系统(5)将采集的电压和电流数据分别传输至起动发电机控制变流器控制器与起动发电机模拟器控制器和上位机(6)；所述上位机(6)将显示上传的数据，所述起动发电机变流器控制器与所述起动发电机模拟器控制器利用形成的控制信号分别对所述起动发电机控制变流器(2)与起动发电机模拟器(3)进行控制。

6.如权利要求1或2所述的一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置，其特征在于，所述上位机(6)包括实时数字信号处理器和计算机，用于实现起动过程和发电过程的切换控制。以及与起动发电机模拟器控制器、起动发电机控制变流器控制器通信的功能。

7.如权利要求1-6任一所述的一种共直流母线型飞机起动发电系统模拟装置的模拟方法，其特征在于，包括：

(1)将模拟装置的各个部件连接，启动模拟装置；

(2)根据起动发电机类型及其参数，对起动发电机进行建模，通过上位机，将得到的起动发电机的离散数学模型写入起动发电机模拟器控制器；在模拟起动的过程中，起动发电机模拟器控制器将检测到的双向变流器的输出电压作为起动发电机模型的输入，起动发电机模型在起动发电机模拟器控制器中进行实时计算输出起动发电机模拟器端口的参考电流，再与起动发电机模拟器控制器采集到的实际电流比较之后进行PI调节，起动发电机模拟器控制器根据PI调节的结果改变其输出的占空比，使起动发电机模拟器的端口电流与起动发电机模型实时计算出来的参考电流一致，以实现使用起动发电机模拟器模拟起动机的功能；

(3)在模拟起动的过程中，通过上位机，将电机驱动控制算法写入起动发电机控制变流器控制器；起动发电机控制变流器控制器将起动发电机模拟器控制器检测到的电压和电流作为输入，根据具体的电机驱动控制算法输出占空比，使起动发电机控制变流器能够驱动起动发电机模拟器，以实现模拟起动过程的功能；

(4)在模拟起动过程完成之后，通过上位机，将起动发电系统模拟装置切换到模拟发电的过程，将整流控制算法写入起动发电机控制变流器控制器；起动发电机模拟器控制器将检测到的电压作为输入，起动发电机模型在起动发电机模拟器控制器中进行实时计算输出起动发电机模拟器端口的参考电流，再与起动发电机模拟器控制器采集到的实际电流比较之后进行PI调节，起动发电机模拟器控制器根据PI调节的结果改变其输出的占空比，使起动发电机模拟器的端口电压与起动发电机模型实时计算出来的参考电流一致，以实现使用起动发电机模拟器模拟发电机的功能；

(5)起动发电机控制变流器控制器将起动发电机模拟器控制器检测到的电流作为输入，根据整流控制算法输出占空比，使起动发电机控制变流器能够对起动发电机模拟器的输出进行整流，以实现模拟发电过程的功能。