CN111106608A - 一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，属于飞机地面服务的技术领域，该方法包括：对各个单相逆变器的线缆输出端分别建立数学模型，并得到d‑q轴系下线缆电压平衡关系；对线缆输出端的各个单相电压进行采样计算，并分别与线缆输出端各相的电压给定值比较后，经过补偿环PI调节器，得到输电线缆上各相的压降电压u_down；判断输出接触器是否闭合与输电线缆是否有输出电压，以进行压降补偿；获取压降补偿后的新输出电压给定值

基于所述线缆电压平衡关系和新输出电压给定值

对三相六桥臂并联逆变器控制，以提高逆变器的输出电压并完成电压压降补偿，以达到在解决线缆压降的同时，保证了负载电压稳定的目的。

Description

一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法

技术领域

本发明属于飞机地面服务的技术领域，具体而言，涉及一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法。

背景技术

由于近年来对飞机场的“油改电”项目的进行，飞机地面电源逐步广泛应用于各大机场。三相逆变器作为飞机地面电源的关键设备，是为飞机供电的核心。中频逆变器作为电源与飞机的桥接设备，其必须具备输出高质量电压波形的能力，所以输出电压为整个设备的控制对象。静止地面电源在为飞机供电的过程中，两者相连的电缆由于长距离输电与阻抗等原因，将产生电压压降。该压降将会使飞机上的电气设备工作在欠压状态，造成不同的影响与损坏，故需进行线缆压降补偿。

针对静止地面电源在为飞机供电的过程中，两者相连的电缆由于长距离输电与阻抗等原因，将产生电压压降。传统线缆压降补偿的方法是通过线缆阻抗补偿，即先算出线缆的阻抗，再通过系统输出，以电流乘以阻抗得出线缆损耗的电压，最后进行电压补偿。此种方法需要分步进行，并且如果更换了线缆过后，需要重新计算阻抗与补偿的电压值，然后重新补偿，方法繁琐、不便捷，并且补偿的电压值存在误差。

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飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法通过对线缆输出电压进行采样并与线缆输出给定值进行比较，将结果与逆变器输出的基准电压进行叠加来完成电压补偿，以达到在解决线缆压降的同时，保证了负载电压稳定的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，在飞机地面电源的输电线缆中采用三相六桥臂并联逆变器，该三相六桥臂并联逆变器中上下同桥臂组成单相逆变器，该控制方法包括：

对各个单相逆变器的线缆输出端分别建立数学模型，并得到d-q轴系下线缆电压平衡关系；

对线缆输出端的各个单相电压进行采样计算，并分别与线缆输出端各相的电压给定值比较后，经过补偿环PI调节器，得到输电线缆上各相的压降电压u_down；

判断输出接触器是否闭合与输电线缆是否有输出电压，若均为是，则需要对输电线缆进行压降补偿；若任一为否，则不需要进行压降补偿；

获取压降补偿后的新输出电压给定值

基于所述线缆电压平衡关系和新输出电压给定值

对三相六桥臂并联逆变器控制，其中，

计算公式如下：

其中，e_ref为三相六桥臂并联逆变器的输出电压给定值。

进一步地，所述建立数学模型的方法如下：

获取线缆输出端单相的等效模型，在等效模型中以R_l为线缆电阻，L_l为线缆电感，R_N为中性线电阻，L_N为中性线电感，e_a为逆变器输出端电压，u_a为线缆输出端电压，i_a为线缆输出端电流；令M_aN为L_l、L_N的耦合系数且

e_a＝e_α；

通过e_α延时1/4周期构造一个虚拟正交分量e_β，使其与单相固有量e_α形成两相静止坐标轴系，对两相静止坐标轴系进行变换，以得到d-q轴系下线缆电压平衡关系为：

将线缆输出端电流在d轴分量和q轴分量i_d、i_q等效到变压器一次侧为i_id、i_iq，公式如下：

其中，e_d、e_q分别为e_a的d轴分量和q轴分量；u_d、u_q分别为u_a的d轴分量和q轴分量；i_d、i_q分别为i_a的d轴分量和q轴分量；w表示在频率f下的角速度且w＝2πf；K_t表示变压器变比；

表示di_d、di_q对时间t求微分；L＝L_l+L_N-2M_aN；R＝R_l+R_N。

进一步地，获取输电线缆上的压降电压u_down的方法如下：

将线缆输出端电压u_a的d轴分量u_d和线缆输出端电压给定值u_{a_ref}的d轴分量u_{d_ref}进行比较后得到差值，该差值经过补偿环PI调节器计算后，得到压降u_{d_down}；

将线缆输出端电压u_a的q轴分量u_q和线缆输出端电压给定值u_{a_ref}的q轴分量u_{q_ref}进行比较后得到差值，该差值经过补偿环PI调节器计算后，得到压降u_{q_down}；

通过压降u_{d_down}和压降u_{q_down}得到线缆输出端电压单相的压降u_down。

进一步地，所述补偿环PI调节器的计算公式为：

其中，K_lp、K_li分别为补偿控制环路中补偿环PI调节器的比例系数与积分系数。

进一步地，所述判断输电线缆是否有输出电压的逻辑如下：

采样获取当前时刻输出的瞬时电流i(k)，上一时刻输出的瞬时电流i(k-1)；，逆变系统输出端电压的有效值e_{a_rms}，线缆输出端电压的有效值u_{a_rms}；

计算u'＝e_{a_rms}-u_{a_rms}、i'＝i(k)-i(k-1)；

若i′≠0且u′≤10，则输出逻辑判定H＝1，则判定此时输出接触器已闭合，需要进行线缆电压补偿，补偿电压为u_down；否则判定输出接触器未闭合，输出逻辑判定H＝0，不需要线缆电压补偿，补偿电压为0。

进一步地，通过电压环路控制模型得到PWM控制电压，PWM控制电压通过驱动电路对三相六桥臂并联逆变器控制，以提高三相六桥臂并联逆变器的输出电压，且电压环路控制模型中代入新输出电压给定值

的d轴分量

和q轴分量

e_d、e_q、i_id以及i_iq进行计算。

进一步地，所述电压环路控制模型中包括电压环PI调节器，该电压环PI调节器的计算公式为：

其中，K_vp、K_vi分别为电压环PI调节器的比例系数和积分系数。

本发明的有益效果为：

1.采用本发明所公开的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，输出线缆的补偿电压由线缆输出电压进行反馈补偿，由各相的线缆输出电压(u_a、u_b、u_c)控制各相逆变系统输出端电压(e_a、e_b、e_c)，进而提高逆变器的输出电压，在补偿过程中，受负载突变的影响较小，动态响应更加快速，并且补偿的物理意义更加明确，更加方便简洁；能够在最多30％不平衡负载下，正常提供115V±1％的电压，有效的解决了不平衡负载问题，同时，也能够满足飞机设备的用电标准，降低了飞机设备运行风险，解决了线缆压降的问题，保证了负载电压的稳定。

附图说明

图1是本发明所提供的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法中三相六桥臂并联逆变器的电路拓扑图；

图2是图1中A相的单相逆变器电路拓扑图；

图3是图2的输出线缆等效模型电路拓扑图；

图4是本发明所提供的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法中补偿电压的控制框图；

图5是本发明所提供的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法中补偿电压判断的控制框图；

图6是本发明所提供的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法中补偿电压判断逻辑示意图；

图7是本发明所提供的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法中电压环路控制模型的控制框图；

图8是本发明所公开的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法的补偿控制框图；

图9是本发明所公开的飞机地面电源线缆压降补偿的控制系统的补偿示意图。

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

为能够更好解决线缆电压补偿，提出了一种基于补偿电压前馈的线缆电压补偿逆变器控制策略，具体为本实施例中所提供的一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，在飞机地面电源的输电线缆中采用三相六桥臂并联逆变器，该三相六桥臂并联逆变器中上下同桥臂组成单相逆变器，对每个单相逆变器独立控制，可以有效解决不平衡负载的问题，如图1所示，其为三相六桥臂并联逆变器的电路拓扑图，其主要为逆变系统和线缆输出两部分，在图中各个参数的含义如下：

在其电路中，i_ia、i_ib、i_ic为各个单相逆变器输出电流，L_x为逆变器侧滤波电感，R_x为逆变器侧滤波电感的寄生电阻，T为输出变压器，C_f为输出滤波电容，C_f与输出变压的次级线圈形成LC谐振滤波器，e_a、e_b、e_c为变压器次级输出电压，i_a、i_b、i_c为逆变系统输出电流(即为线缆输出端中三相的电流)，S为逆变器输出接触器，u_a、u_b、u_c为接入飞机的400Hz三相交流电压(即为线缆输出端中三相的电压)，R_l为线缆电阻，L_l为线缆电感，R_N为中性线电阻，L_N为中性线电感。

该控制方法包括以下步骤：

1、对各个单相逆变器的线缆输出端分别建立数学模型，并得到d-q轴系下线缆电压平衡关系，在本实施例中，以A相为例，其建立数学模型的方法如下：

(a)根据线缆输出端A相的电路拓扑图，获取线缆输出端A相的等效模型，在等效模型中以R_l为线缆电阻，L_l为线缆电感，R_N为中性线电阻，L_N为中性线电感，e_a为逆变器输出端电压，u_a为线缆输出端电压，i_a为线缆输出端电流；令M_aN为L_l、L_N的耦合系数且

由基尔霍夫电压定律可得：

其中：L＝L_l+L_N-2M_aN，R＝R_l+R_N，

则令：

(b)通过e_α延时1/4周期构造一个虚拟正交分量e_β，使其与单相固有量e_α形成两相静止坐标轴系，如下：

(c)为简化分析，需将在两静止坐标系建立的模型转换为两相旋转坐标系下的数学模型，以T_2s/2r为两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵，即：

X^dq＝T_2s/2rX^αβ (4)

(d)对(3)式进行变换，以得到d-q轴系下线缆电压平衡关系为：

将线缆输出端电流在d轴分量和q轴分量i_d、i_q等效为i_id、i_iq，i_id、i_iq为变压器左侧电流并用于代入至电压环路控制模型中进行计算，公式如下：

其中，e_d、e_q分别为e_a的d轴分量和q轴分量；u_d、u_q分别为u_a的d轴分量和q轴分量；i_d、i_q分别为i_a的d轴分量和q轴分量；w表示在频率f下的角速度且w＝2πf；K_t表示变压器变比；

表示di_d、di_q对时间t求微分；L＝L_l+L_N-2M_aN；R＝R_l+R_N。

2、由于在本实施例中输出线缆为三相四线制线缆，含有24根信号传输线，现取其中4根作为A、B、C、N四线的数据采集反馈线，分别得到u_aN、u_bN、u_cN的电压反馈值。同样，在本实施例中，与A相为例，对线缆输出端的A相电压(线缆输出端电压u_a)进行采样计算，并与线缆输出端A相的电压给定值(线缆输出端电压给定值u_{a_ref})比较后，经过补偿环PI调节器，得到输电线缆上A相的压降电压u_down；获取输电线缆上的压降电压u_down的方法如下：

(a)将线缆输出端电压u_a的d轴分量u_d和线缆输出端电压给定值u_{a_ref}的d轴分量u_{d_ref}进行比较后得到差值，该差值经过补偿环PI调节器计算后，得到压降u_{d_down}；所述补偿环PI调节器的计算公式为：

其中，K_lp、K_li分别为补偿控制环路中补偿环PI调节器的比例系数与积分系数。

(b)将线缆输出端电压u_a的q轴分量u_q和线缆输出端电压给定值u_{a_ref}的q轴分量u_{q_ref}进行比较后得到差值，该差值经过补偿环PI调节器计算后，得到压降u_{q_down}；所述补偿环PI调节器的计算公式为：

其中，K_lp、K_li分别为补偿控制环路中补偿环PI调节器的比例系数与积分系数。

(c)通过压降u_{d_down}和压降u_{q_down}得到线缆输出端电压单相的压降u_down，通过d轴的压降分量和q轴的压降分量计算A相的压降u_down采用现有计算方式即可，此处不再赘述。

3、判断输出接触器是否闭合与输电线缆是否有输出电压，若均为是，表示输出接触器闭合且输电线缆有输出电压，则需要对输电线缆进行压降补偿；若任一为否，表示输出接触器未闭合或输电线缆无输出电压，则不需要进行压降补偿；如图5所示，其中H为补偿判定逻辑值，当H＝1时系统进行电压补偿，当H＝0时系统不进行电压补偿；如图6所示，所述判断输电线缆是否有输出电压的判断逻辑如下：

(a)采样获取当前时刻输出的瞬时电流i(k)，上一时刻输出的瞬时电流i(k-1)；，逆变系统输出端电压的有效值e_{a_rms}，线缆输出端电压的有效值u_{a_rms}；

(b)计算u'＝e_{a_rms}-u_{a_rms}、i'＝i(k)-i(k-1)；

(c)若i′≠0且u′≤10，则输出逻辑判定H＝1，则判定此时输出接触器已闭合，需要进行线缆电压补偿，补偿电压为u_down；否则判定输出接触器未闭合，输出逻辑判定H＝0，不需要线缆电压补偿，补偿电压为0。

4、获取压降补偿后的新输出电压给定值

新输出电压给定值

的计算公式如下：

其中，e_ref为三相六桥臂并联逆变器的输出电压给定值；

基于所述线缆电压平衡关系和新输出电压给定值

对三相六桥臂并联逆变器控制，以提高三相六桥臂并联逆变器的输出电压，进而达到压降补偿的效果。而对于三相六桥臂并联逆变器主要是应用电压环路控制模型，电压环路控制模型为现有的已知技术，在本实施例中所采用的控制框图如图7所示，其控制原理为：

仍然以A相为例，变压器次级输出电压e_a与新输出电压给定值

进行比较，然后经过电压环PI调节器与电容电压解耦得到总的电流值，经过积分环节得出系统输出电压值，最后经过电流解耦得到PWM控制电压；其中，电压环PI调节器，该电压环PI调节器的计算公式为：

其中，K_vp、K_vi分别为电压环PI调节器的比例系数和积分系数。

PWM控制电压通过驱动电路对三相六桥臂并联逆变器控制，以提高三相六桥臂并联逆变器的输出电压，且电压环路控制模型中代入新输出电压给定值

的d轴分量

和q轴分量

e_a的d轴分量e_d和q轴分量e_q；i_a的d轴分量i_id和q轴分量i_iq进行计算，具体的，在电容电压解耦时需要e_a的d轴分量e_d和q轴分量e_q；在电流解耦时需要e_a的d轴分量e_d和q轴分量e_q，i_a的d轴分量i_id和q轴分量i_iq。

由线缆输出电压(u_a、u_b、u_c)控制逆变系统输出电压(e_a、e_b、e_c)，进而提高逆变器的输出电压。在本实施例的补偿过程中，受负载突变的影响较小，动态响应更加快速，并且该方案补偿的物理意义更加明确，更加方便简洁。

实施例2

基于实施例1中所提供的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，在本实施例中提供应用该控制方法的控制系统，如图9所示，该系统包括：三相六桥臂并联逆变器、单相隔离器、输电线缆、负载、补偿环PI调节器、电压环PI调节器、PWM以及驱动电路，所述三相六桥臂并联逆变器的输出端连接至单相隔离器，单相隔离器的输出端与输电线缆连接，输电线缆的输出端连接至负载，如图8所示，其工作原理如下：分别采集输电线缆输出端三相的电压u_a、u_b、u_c，将输电线缆输出端三相的电压给定值u_ref(u_{a_ref}、u_{b_ref}、u_{c_ref})与输电线缆输出端三相的电压u_a、u_b、u_c比较后得到差值，经过补偿环PI调节器计算后得到压降u_down(u_{a_down}、u_{b_down}、u_{c_down})，压降u_down(u_{a_down}、u_{b_down}、u_{c_down})分别与变压器的输出给定值e_ref(e_{a_ref}、e_{b_ref}、e_{c_ref})相加得到新输出给定值

再以新输出给定值

分别与输电线缆输入端电压e_a、e_b、e_c比较后计算差值，将差值输入到电压环PI调节器获得PWM控制电压，PWM控制电压输入至PWM并通过PWM控制驱动电路，以驱动电路对三相六桥臂并联逆变器进行控制，进而提高该三相六桥臂并联逆变器的输出电压，以达到压降补偿的效果。

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 (7)

1.一种飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，在飞机地面电源的输电线缆中采用三相六桥臂并联逆变器，该三相六桥臂并联逆变器中上下同桥臂组成单相逆变器，其特征在于，该控制方法包括：

对各个单相逆变器的线缆输出端分别建立数学模型，并得到d-q轴系下线缆电压平衡关系；

对线缆输出端的各个单相电压进行采样计算，并分别与线缆输出端各相的电压给定值比较后，经过补偿环PI调节器，得到输电线缆上各相的压降电压u_down；

判断输出接触器是否闭合与输电线缆是否有输出电压，若均为是，则需要对输电线缆进行压降补偿；若任一为否，则不需要进行压降补偿；

获取压降补偿后的新输出电压给定值

基于所述线缆电压平衡关系和新输出电压给定值

对三相六桥臂并联逆变器控制，其中，

计算公式如下：

其中，e_ref为三相六桥臂并联逆变器的输出电压给定值。

2.根据权利要求1所述的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，其特征在于，所述建立数学模型的方法如下：

获取线缆输出端单相的等效模型，在等效模型中以R_l为线缆电阻，L_l为线缆电感，R_N为中性线电阻，L_N为中性线电感，e_a为逆变器输出端电压，u_a为线缆输出端电压，i_a为线缆输出端电流；令M_aN为L_l、L_N的耦合系数且

e_a＝e_α；

通过e_α延时1/4周期构造一个虚拟正交分量e_β，使其与单相固有量e_α形成两相静止坐标轴系，对两相静止坐标轴系进行变换，以得到d-q轴系下线缆电压平衡关系为：

将线缆输出端电流在d轴分量和q轴分量i_d、i_q等效到变压器一次侧为i_id、i_iq，公式如下：

其中，e_d、e_q分别为e_a的d轴分量和q轴分量；u_d、u_q分别为u_a的d轴分量和q轴分量；i_d、i_q分别为i_a的d轴分量和q轴分量；w表示在频率f下的角速度且w＝2πf；K_t表示变压器变比；

表示di_d、di_q对时间t求微分；L＝L_l+L_N-2M_aN；R＝R_l+R_N。

3.根据权利要求2所述的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，其特征在于，获取输电线缆上的压降电压u_down的方法如下：

将线缆输出端电压u_a的d轴分量u_d和线缆输出端电压给定值u_{a_ref}的d轴分量u_{d_ref}进行比较后得到差值，该差值经过补偿环PI调节器计算后，得到压降u_{d_down}；

将线缆输出端电压u_a的q轴分量u_q和线缆输出端电压给定值u_{a_ref}的q轴分量u_{q_ref}进行比较后得到差值，该差值经过补偿环PI调节器计算后，得到压降u_{q_down}；

通过压降u_{d_down}和压降u_{q_down}得到线缆输出端电压单相的压降u_down。

4.根据权利要求3所述的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，其特征在于，所述补偿环PI调节器的计算公式为：

其中，K_lp、K_li分别为补偿控制环路中补偿环PI调节器的比例系数与积分系数。

5.根据权利要求1所述的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，其特征在于，所述判断输电线缆是否有输出电压的逻辑如下：

采样获取当前时刻输出的瞬时电流i(k)，上一时刻输出的瞬时电流i(k-1)；，逆变系统输出端电压的有效值e_{a_rms}，线缆输出端电压的有效值u_{a_rms}；

计算u'＝e_{a_rms}-u_{a_rms}、i'＝i(k)-i(k-1)；

若i′≠0且u′≤10，则输出逻辑判定H＝1，则判定此时输出接触器已闭合，需要进行线缆电压补偿，补偿电压为u_down；否则判定输出接触器未闭合，输出逻辑判定H＝0，不需要线缆电压补偿，补偿电压为0。

6.根据权利要求2所述的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，其特征在于，通过电压环路控制模型得到PWM控制电压，PWM控制电压通过驱动电路对三相六桥臂并联逆变器控制，以提高三相六桥臂并联逆变器的输出电压，且电压环路控制模型中代入新输出电压给定值

的d轴分量

和q轴分量

e_d、e_q、i_id以及i_iq进行计算。

7.根据权利要求6所述的飞机地面电源线缆压降补偿的控制方法，其特征在于，所述电压环路控制模型中包括电压环PI调节器，该电压环PI调节器的计算公式为：

其中，K_vp、K_vi分别为电压环PI调节器的比例系数和积分系数。

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