CN110855157B - 一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，属于飞机地面服务的技术领域，该控制方法包括：以ACDC有源整流器作为网侧并输入电网电压，以400Hz逆变器作为输出侧并输出供电电压，在ACDC有源整流器与400Hz逆变器之间通过直流母线传输；根据当前电网电压计算直流母线电压最低门限1并记为U_{dc_min1}；根据当前负荷功率计算直流母线电压最低门限2并记为U_{dc_min2}；计算直流母线电压参考值并记为U_{dc_ref}；通过直流母线电压参考值转换为驱动信号以对400Hz逆变器进行控制，以达到通过电网电压和负载功率动态调节直流母线电压，从而提高整个400Hz逆变器的主电路的利用率的目的。

Description

一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法

技术领域

本发明属于飞机地面服务的技术领域，具体而言，涉及一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法。

背景技术

传统飞机地面静变电源的整流装置均使用十二脉波整流，该整流方法会对电网产生较大的电流谐波污染和无功电流，且被动整流方法无法控制地面电源的直流母线，导致直流母线跟随负荷功率波动，造成DCAC 400Hz逆变器的设计较为难度较大且电源全范围综合运行效率较低，如图1所示。

由于飞机用电功率的特殊性，要求飞机地面静变电源具备不低于400％的过负载能力。传统的恒定直流母线电压控制方法，要求400Hz逆变器的主电路在0～400％全负载范围内使用同一直流母线电压，导致主电路在设计时需要较大的设计裕量，造成资源浪费并会降低设备全工况范围的运行效率。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法以达到通过电网电压和负载功率动态调节直流母线电压，从而提高整个400Hz逆变器的主电路的利用率的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，该控制方法包括：

(1)以ACDC有源整流器作为网侧并输入电网电压，以400Hz逆变器作为输出侧并输出供电电压，在ACDC有源整流器与400Hz逆变器之间通过直流母线传输；

(2)根据当前电网电压计算直流母线电压最低门限1并记为U_{dc_min1}；

(3)根据当前负荷功率计算直流母线电压最低门限2并记为U_{dc_min2}；

(4)通过公式(1)计算直流母线电压参考值并记为U_{dc_ref}；

U_{dc_ref}＝max(U_{dc_min1},U_{dc_min2})+U_m (1)

其中，U_m为直流母线电压参考值设计裕量，其为一个大于0的正实数；

(5)通过直流母线电压参考值转换为驱动信号以对400Hz逆变器进行控制。

进一步地，所述ACDC有源整流器采用三相半桥拓扑结构；所述400Hz逆变器包括三相全桥电路和隔离变压器。

进一步地，所述ACDC有源整流器通过SVPWM控制方法对其调制，400Hz逆变器通过单极性倍频SPWM控制方法对其调制。

进一步地，所述步骤(2)的计算方法如下：

1)在两相旋转坐标系下计算网侧的IGBT交流端口电压；

2)根据IGBT交流端口电压，在自然坐标系下计算网侧的IGBT交流端口相电压，记IGBT交流端口相电压为U_p1；

3)根据公式(2)计算直流母线电压最低门限1，公式(2)为：

进一步地，所述步骤(3)的计算方法如下：

a)在两相旋转坐标系下计算输出侧的IGBT交流端口电压；

b)根据IGBT交流端口电压，在自然坐标系下计算输出侧的IGBT交流端口相电压，记IGBT交流端口相电压为U_p2；

c)根据公式(3)计算直流母线电压最低门限2，公式(3)为：

进一步地，所述步骤(5)中，将直流母线电压参考值反馈至直流母线电压控制器中，经直流母线电压控制器计算处理之后反馈至电流内环控制器中，并通过电流内环控制器对直流母线的输出电压进行动态调节。

进一步地，通过公式(4)计算网侧的IGBT交流端口电压，公式(4)为：

其中，U_d1为网侧的IGBT交流端口电压d轴分量，U_q1为网侧的IGBT交流端口电压q轴分量，E_d1为电网电压d轴分量，E_q1电网电压q轴分量，I_d1为网侧的电感电流d轴分量，I_q1为网侧的电感电流q轴分量，L₁为网侧的滤波电感，ω₁为电网电压角频率；

再通过公式(5)计算网侧的IGBT端口相电压，公式(5)为：

其中，U_p1为网侧的IGBT交流端口相电压。

进一步地，通过公式(6)计算输出侧的IGBT交流端口电压，公式(6)为：

其中，U_d2为输出侧IGBT交流端口电压d轴分量，U_q2为输出侧IGBT交流端口电压q轴分量，K_t2为输出隔离变压器变比，E_d2为输出电压d轴分量，E_q2为输出电压q轴分量，ω₂为输出电压角频率，L₂为输出侧滤波电感，I_d2为输出侧电感电流d轴分量，I_q2为输出侧电感电流q轴分量；

再通过公式(7)计算网侧的IGBT交流端口相电压，公式(7)为：

其中，U_p2为输出侧的IGBT交流端口相电压。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所公开的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，其通过电网电压和负载功率动态调节直流母线电压，在低负荷时使用低直流母线电压提高设备运行效率，高负荷时使用高直流母线电压提高设备输出能力，提高了输出侧的400Hz中滤波电感和隔离变压器的利用率，以实现在电网电压全范围内，网侧的输入功率因数为1且直流母线电压可控；在飞机负荷全范围内，输出侧的输出电压恒定。

附图说明

图1是传统飞机地面静变电源拓扑结构；

图2是本发明提供的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法中飞机地面静变电源的拓扑图；

图3是本发明提供的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法的流程示意框图；

图4是本发明提供的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法中有源整流器的电路拓扑图；

图5是本发明提供的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法中400Hz逆变器的电路拓扑图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

在本实施例中具体提供了一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，该控制方法包括：

(1)如图2所示，以ACDC有源整流器作为网侧并输入电网电压，电网电压为380V/50Hz的标准工频电网电压；以400Hz逆变器作为输出侧并输出供电电压，供电电压为115V/400Hz的标准飞机供电电压，在ACDC有源整流器与400Hz逆变器之间通过直流母线传输，直流母线上的系统设备均为重要设备，用于保证电力系统正常运行。其中，所述ACDC有源整流器采用三相半桥拓扑结构；所述400Hz逆变器包括三相全桥电路和隔离变压器，同时，ACDC有源整流器通过SVPWM控制方法对其调制，400Hz逆变器通过单极性倍频SPWM控制方法对其调制。

说明如下：将ACDC有源整流器简称为网侧，将DCAC 400Hz逆变简称为输出侧。

(2)根据当前电网电压计算直流母线电压最低门限1并记为U_{dc_min1}；计算方法具体如下：

1)在两相旋转坐标系下计算网侧的IGBT交流端口电压，两相旋转坐标系为本领域的常规计算坐标，此处不再赘述；通过公式(4)计算网侧的IGBT交流端口电压，公式(4)为：

其中，U_d1为网侧的IGBT交流端口电压d轴分量，U_q1为网侧的IGBT交流端口电压q轴分量，E_d1为电网电压d轴分量，E_q1电网电压q轴分量，I_d1为网侧的电感电流d轴分量，I_q1为网侧的电感电流q轴分量，L₁为网侧的滤波电感，ω₁为电网电压角频率。

上述中，E_d1为电网电压d轴分量，E_q1电网电压q轴分量，I_d1为网侧的电感电流d轴分量，I_q1为网侧的电感电流q轴分量均是通过电网电压和输入电流进行坐标变换所得；而L₁为网侧的滤波电感为已知参数，ω₁为电网电压角频率则通过电网电压锁相环算法计算所得。

2)根据IGBT交流端口电压，在自然坐标系下计算网侧的IGBT交流端口相电压，记IGBT交流端口相电压为U_p1；通过公式(5)计算网侧的IGBT端口相电压，公式(5)为：

其中，U_p1为网侧的IGBT交流端口相电压；

3)由于网侧采用三相半桥电路及SVPWM控制方法，则根据公式(2)计算直流母线电压最低门限1，公式(2)为：

(3)根据当前负荷功率计算直流母线电压最低门限2并记为Udc_min2；计算方法具体如下：

a)在两相旋转坐标系下计算输出侧的IGBT交流端口电压；通过公式(6)计算输出侧的IGBT交流端口电压，公式(6)为：

其中，U_d2为输出侧IGBT交流端口电压d轴分量，U_q2为输出侧IGBT交流端口电压q轴分量，K_t2为输出隔离变压器变比，E_d2为输出电压d轴分量，E_q2为输出电压q轴分量，ω₂为输出电压角频率，L₂为输出侧滤波电感，I_d2为输出侧电感电流d轴分量，I_q2为输出侧电感电流q轴分量；

上述中，E_d2为输出电压d轴分量，E_q2为输出电压q轴分量，I_d2为输出侧电感电流d轴分量，I_q2为输出侧电感电流q轴分量均是通过输出电压和输出电流进行坐标变换所得；K_t2为输出隔离变压器变比和L₂为输出侧滤波电感则为已知参数，ω₂为输出电压角频率则通过锁相环算法计算所得。

b)根据IGBT交流端口电压，在自然坐标系下计算输出侧的IGBT交流端口相电压，记IGBT交流端口相电压为U_p2；通过公式(7)计算网侧的IGBT交流端口相电压，公式(7)为：

其中，U_p2为输出侧的IGBT交流端口相电压。

c)由于输出侧采用三相全桥电路及单极性倍频SPWM控制方法，根据公式(3)计算直流母线电压最低门限2，公式(3)为：

(4)通过公式(1)计算直流母线电压参考值并记为U_{dc_ref}；

U_{dc_ref}＝max(U_{dc_min1},U_{dc_min2})+U_m (1)

根据上述公式(1)可知直流母线电压参考值为“直流母线电压最低门限1”和“直流母线电压最低门限2”二者最大值加U_m，其中，U_m为直流母线电压参考值设计裕量，其为一个大于0的正实数；

(5)如图3所示，通过直流母线电压参考值实现对直流母线的输出电压进行动态调节，将直流母线电压参考值反馈至直流母线电压控制器中，经直流母线电压控制器计算处理之后反馈至电流内环控制器中，并通过电流内环控制器对直流母线的输出电压进行动态调节。具体的，在直流母线电压控制器进行计算处理时，其输入为直流母线电压参考值U_{dc_ref}和直流母线电压U_dc，其输出为d轴电流参考值I_{d_ref}；以d轴电流参考值I_{d_ref}、q轴电流参考值I_{q_ref}、网侧的电感电流d轴分量I_d1、网侧的电感电流q轴分量I_q1以及电网电压相位θ作为电流内环控制器的输入，以控制电压U_con(即为直流母线的输出电压)作为输出。

再通过电流内环控制器和空间矢量脉宽调制电路实现对400Hz逆变器进行控制，生成对400Hz逆变器的驱动信号，将所述驱动信号输出至所述400Hz逆变器，以控制400Hz逆变器工作。

通过电网电压和负载功率动态调节直流母线电压，在低负荷时使用低直流母线电压提高设备运行效率，高负荷时使用高直流母线电压提高设备输出能力，提高了输出侧的400Hz中滤波电感和隔离变压器的利用率。

实施例2

在本实施例中，提出了一种基于有源整流的飞机地面静变电源，其应用如实施例1所述的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，其中，如图4所示，有源整流器的具体电路拓扑结构如下：

包括三相输入端、滤波电容C_f、滤波电感L_f和第一IGBT，该三相输入端连接至电网电压，且三相输入端的三相中各相均串接有滤波电感L_f，各个滤波电感L_f的另一端串接至第一IGBT且三相输入端的三相与滤波电容C_f连接，其中，所述滤波电容C_f包括三个电容，三个电容依次串接连接并呈环状结构，环状结构的各个节点分别连接至三相输入端的三相；所述第一IGBT的输出端(即母线电压)并联有母线电容C_dc；通过三相全控整流桥和网侧的滤波电感L_f能够使电网侧电流达到近似的正弦波形，从而能够有效改善电能质量。

其中，第一IGBT采用如下电路设计：所述第一IGBT包括三个半桥臂，三个半桥臂呈并联连接且各半桥臂均包括串接连接的两个功率器件，所述三相输入端的三相均连接有滤波电感L_f，各个滤波电感L_f的另一端分别连接至各个半桥臂的两个功率器件之间。具体的，第一半桥臂中串接有功率器件T₁和功率器件T₂，功率器件T₁和功率器件T₂之间对应电网电压的A相；第二半桥臂中串接有功率器件T₃和功率器件T₄，功率器件T₃和功率器件T₄之间对应电网电压的B相；第三半桥臂中串接有功率器件T₅和功率器件T₆，功率器件T₅和功率器件T₆之间对应电网电压的C相。

如图5所示，400HZ逆变器的具体电路拓扑结构如下：

包括三路逆变输出电路，各路逆变输出电路并联连接于第一IGBT的输出端上(即母线电压)，令三路逆变输出电路分别为1号逆变输出电路、2号逆变输出电路以及3号逆变输出电路。

1号逆变输出电路包括第二IGBT和隔离变压器TF₁，该第二IGBT的输入端连接于第一IGBT的输出端且并联有母线电容C_1dc，第二IGBT的输出端与隔离变压器TF₁之间串接有滤波电感L_1f，且隔离变压器TF₁的输出端并联有滤波电容C_1f，隔离变压器TF₁的输出端能够输出115V/400hz的电压，其中，该第二IGBT包括两个半桥臂，两个半桥臂呈并联连接且并联的两端连接至第一IGBT的输出端；第一半桥臂包括串接连接的功率器件T₁₁和功率器件T₁₂，第二半桥臂包括串接连接的功率器件T₁₃和功率器件T₁₄，隔离变压器TF₁的输入端中一端连接至功率器件T₁₁和功率器件T₁₂之间且该端串接有滤波电感L_1f，另一端连接至功率器件T₁₃和功率器件T₁₄之间。

2号逆变输出电路包括第二IGBT和隔离变压器TF₂，该第二IGBT的输入端连接于第一IGBT的输出端且并联有母线电容C_2dc，第二IGBT的输出端与隔离变压器TF₂之间串接有滤波电感L_2f，且隔离变压器TF₂的输出端并联有滤波电容C_2f，隔离变压器TF₂的输出端能够输出115V/400hz的电压，其中，该第二IGBT包括两个半桥臂，两个半桥臂呈并联连接且并联的两端连接至第一IGBT的输出端；第一半桥臂包括串接连接的功率器件T₂₁和功率器件T₂₂，第二半桥臂包括串接连接的功率器件T₂₃和功率器件T₂₄，隔离变压器TF₂的输入端中一端连接至功率器件T₂₁和功率器件T₂₂之间且该端串接有滤波电感L_2f，另一端连接至功率器件T₂₃和功率器件T₂₄之间。

3号逆变输出电路包括第二IGBT和隔离变压器TF₃，该第二IGBT的输入端连接于第一IGBT的输出端且并联有母线电容C_3dc，第二IGBT的输出端与隔离变压器TF₃之间串接有滤波电感L_3f，且隔离变压器TF₃的输出端并联有滤波电容C_3f，隔离变压器TF₃的输出端能够输出115V/400hz的电压，其中，该第二IGBT包括两个半桥臂，两个半桥臂呈并联连接且并联的两端连接至第一IGBT的输出端；第一半桥臂包括串接连接的功率器件T₃₁和功率器件T₃₂，第二半桥臂包括串接连接的功率器件T₃₃和功率器件T₃₄，隔离变压器TF₃的输入端中一端连接至功率器件T₃₁和功率器件T₃₂之间且该端串接有滤波电感L_3f，另一端连接至功率器件T₃₃和功率器件T₃₄之间。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

(1)以ACDC有源整流器作为网侧并输入电网电压，以400Hz逆变器作为输出侧并输出供电电压，在ACDC有源整流器与400Hz逆变器之间通过直流母线传输；

其中，所述ACDC有源整流器采用三相半桥拓扑结构且ACDC有源整流器通过SVPWM控制方法对其调制；所述400Hz逆变器包括三相全桥电路和隔离变压器且400Hz逆变器通过单极性倍频SPWM控制方法对其调制；

(2)根据当前电网电压计算直流母线电压最低门限1并记为U_{dc_min1}；计算方法如下：

1)在两相旋转坐标系下计算网侧的IGBT交流端口电压；

2)根据IGBT交流端口电压，在自然坐标系下计算网侧的IGBT交流端口相电压，记IGBT交流端口相电压为U_p1；

3)根据公式(2)计算直流母线电压最低门限1，公式(2)为：

(3)根据当前负荷功率计算直流母线电压最低门限2并记为U_{dc_min2}；计算方法如下：

a)在两相旋转坐标系下计算输出侧的IGBT交流端口电压；

b)根据IGBT交流端口电压，在自然坐标系下计算输出侧的IGBT交流端口相电压，记IGBT交流端口相电压为U_p2；

c)根据公式(3)计算直流母线电压最低门限2，公式(3)为：

(4)通过公式(1)计算直流母线电压参考值并记为U_{dc_ref}；

U_{dc_ref}＝max(U_{dc_min1},U_{dc_min2})+U_m (3)

其中，U_m为直流母线电压参考值设计裕量，其为一个大于0的正实数；

(5)通过直流母线电压参考值转换为驱动信号以对400Hz逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，其特征在于，所述步骤(5)中，将直流母线电压参考值反馈至直流母线电压控制器中，经直流母线电压控制器计算处理之后反馈至电流内环控制器中，并通过电流内环控制器对直流母线的输出电压进行动态调节。

3.根据权利要求1所述的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，其特征在于，通过公式(4)计算网侧的IGBT交流端口电压，公式(4)为：

其中，U_d1为网侧的IGBT交流端口电压d轴分量，U_q1为网侧的IGBT交流端口电压q轴分量，E_d1为电网电压d轴分量，E_q1电网电压q轴分量，I_d1为网侧的电感电流d轴分量，I_q1为网侧的电感电流q轴分量，L₁为网侧的滤波电感，ω₁为电网电压角频率；

再通过公式(5)计算网侧的IGBT端口相电压，公式(5)为：

其中，U_p1为网侧的IGBT交流端口相电压。

4.根据权利要求1所述的基于有源整流的飞机地面静变电源直流母线控制方法，其特征在于，通过公式(6)计算输出侧的IGBT交流端口电压，公式(6)为：

其中，U_d2为输出侧IGBT交流端口电压d轴分量，U_q2为输出侧IGBT交流端口电压q轴分量，K_t2为输出隔离变压器变比，E_d2为输出电压d轴分量，E_q2为输出电压q轴分量，ω₂为输出电压角频率，L₂为输出侧滤波电感，I_d2为输出侧电感电流d轴分量，I_q2为输出侧电感电流q轴分量；

再通过公式(7)计算网侧的IGBT交流端口相电压，公式(7)为：

其中，U_p2为输出侧的IGBT交流端口相电压。

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