CN111555677A - 一种航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法。采用数字控制器，极大的提升了系统的适应性，有效提升了系统的可靠性和效率；采用多闭环负反馈控制，有效的提升了控制器的精度、适应性和调节性能；实施有效值算法的变频采样方法，提升了系统的控制精度和动态性能；设计了基于经验的励磁电流调节方式，在得到调节值之后输入相关的模型可以直接调节占空比，可以避免由于设备的固有误差影响传统计算方式还需要引入修正量的麻烦。

Description

一种航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法

技术领域

本发明属于电气设备及电气工程领域，具体涉及一种应用于民用航空领域的高压变频交流三级式发电系统的电压稳定控制方法。

背景技术

电压稳定控制装置，或称为发电机调压器(Generator Control Unit,GCU)，是机载电源系统的主控制器。目前，我国飞机电源系统采用的数字电压稳定控制装置主要是半数字式电压稳定控制装置。这种半数字式GCU以单片机为核心，集成了电源系统控制功能、电源系统实时保护功能、GCU自检测功能、GCU故障诊断隔离功能和上位机通讯功能等。这种以单片机为核心的电压稳定控制装置的性能受限于单片机芯片的机能，且相比于数字式GCU，需要借助外部运算放大器等模拟电路实现调压功能。同时，GCU在工作时很难进行参数变化，且无法适应变频变载系统的实时变化。这使得半数字式GCU在维护性、拓展性和可靠性方面都存在劣势，存在自动化程度低和响应速度慢等缺点。这使得半数字GCU不再符合电压稳定控制装置设计的高精度、高速和高通用性的发展方向。

针对现有技术存在的问题，提出了以高性能的数字信号处理芯片(DigitalSignal Processor，DSP)为核心的新型全数字式GCU结构。这样的结构充分体现出DSP高速、高精度和高兼容性的特点，能够利用其强大的数字信号处理能力高速完成高精度复杂算法的运算。

采用DSP取代传统的单片机+模拟电路半数字式结构的优点在于，能够将电压稳定装置的全部功能表述为算法，在DSP内部运行。通过模拟——数字——模拟的传递方式，将复杂的调压、保护、自检和故障诊断等功能统一配置，同时实现。本算法的应用场景为航空变频电源系统，该场景下的发电要求复杂，发电频率在360Hz至800Hz间浮动，且发电有效值和相序必须保持严格恒定。因此，本发明采用了实时值。采用本发明中的多闭环电压控制算法能够保证发电有效值在频率波动的环境下实时恒定，不需要更改电路参数就能够实现变频发电。同时，本发明根据变频系统特性设计针对有效值的电压实时采样方法。这样，能够保证数字式电压稳定装置能够做到精确采样和稳定控制的技术需求。

随着变频电源系统的逐步推广，数字式电压稳定控制装置的算法必须能够适应复杂的变频工作环境才能保证机载用电设备的正常工作。因而开发一种高精度快响应的数字式电压稳定控制算法是十分必要的。

申请号201810269256.0公开了一种宽转速范围航空三级式发电机数字电压调节方法，在额定转速范围内，通过电压-占空比转换方法来实现励磁源电压值的预调整，设计准则是发电机在任何转速下发电机空载端电压为基准电压时，电压调节器输出占空比均恒定，使调压系统前向通道的开环增益不受发电机转速的影响。本发明不需要额外增加DCDC变换器，不增加变频发电机控制器的体积和重量。其调节方式过于还受到设备固有误差的影响，且其双闭环控制本身受到工作频率的影响很大。

发明内容

本发明的电压稳定算法采用了多闭环结构，并对变频信号进行了采样分析，使多闭环电压稳定控制方法能够适应360Hz至800Hz全部范围。

本发明采用的技术方案是：

电压稳定多闭环控制系统具有两个闭环控制器，分别是调压点电压闭环和励磁电流闭环。电压闭环通过控制三相调压点电压的有效值，维持变频环境下的输出波形和幅值的稳定。由于使用了经过计算的有效值代替了实时值作为输入信号，电压闭环即可不考虑系统的发电频率。

励磁电流环的意义在于，主发电机定子中的电流会产生电枢效应，进而影响主发电机输出端电压和转自中的励磁电流。因此，作为内环的电流环对负载电流进行补偿能够减弱负载电流对端电压造成的影响，从而提升电压稳定算法的适应性、稳态调节性能和动态调节性能。

本算法采用了变频采集和实时有效值算法，这样不仅能够简化控制器的结构，使控制器不需要考虑系统发电频率，而且能够提升输出电压的精度和动态性能。

针对上述内容，提供一种航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法：

三级式发电系统包括永磁机、励磁机、主发电机；永磁机为励磁的励磁线圈供电，励磁机发电后为主发电机线圈供电；

控制方法使用双闭环结构，包括电压环和电流环，均为PI调节器；

电压环输入信号为经过有效值算法后得到的三相电压有效值V_out和调压点电压有效值的基准值V_ref比较后得到电压有效值误差ΔV＝V_out-V_ref。电压有效值误差ΔV通过电压环后输出点电压调节量ΔI’；

电流环的输入信号是ΔI＝I_ex-(I_load+ΔI’)

I_ex为励磁机励磁电流的实时值，励磁电流为直流形式；ΔI’为经过电压环算法后的电压调节量，I_load为利用三相负载电流经过计算得到的励磁电流基准值；I_load+ΔI’为负载电流补偿的励磁电流基准值；ΔI经过电流环后得到励磁电流的调节量，并将该调解量输入励磁回路，实现调压控制；

算法运行过程中，要维持ΔV＝0，从而保证输出点电压的波形维持在调压点电压基准值处；且将励磁电流误差值维持在ΔI＝0，对负载电流产生的电枢反应进行补偿，从而实现更精确的点电压实时值控制。

励磁回路中的电流调节为数字式控制方法，包括励磁控制器；

励磁控制器从电流环获取励磁电流的调节量A，然后将励磁电流调节量A和当前励磁电流有效值B输入励磁调节模型，得到励磁机所需的目标励磁电流有效值C，然后励磁控制器控制励磁回路调节至计算得到的目标励磁电流有效值C。

励磁电流的调节方式为通过励磁控制器控制励磁电压的通断时间；励磁回路内设置一由励磁控制器控制的电子开关；

励磁控制器先获取励磁机的工作频率f，工作频率等于转速R的倒数，即f＝1/R；然后在励磁机的每一个周期内，励磁控制器控制电子开关的断开和闭合时间，使得在励磁机的每一个周期内励磁机的工作具有一个占空比D；励磁控制器通过占空比即可改变励磁电流有效值，从而实现主发电机的电压控制；占空比D的计算方法为将所需的目标励磁电流有效值C和当前励磁线圈温度T输入占空比计算模型，得到所需的占空比D。

励磁调节模型和占空比计算模型的建立方法如下：

建立励磁调节模型：

先使得三级式发电机工作在稳定转速下，且调节主发电机对应的负载为一稳定负载，此时发电机工作在稳定状态下，电压稳定，无需调节；

改变负载情况，从而可以获得一个励磁电流的调节量A，此时根据励磁电流的调节量A，对当前励磁电流有效值B进行调节，即给定不同的目标励磁电流有效值C，即可以获得在不同当前励磁电流有效值B的情况下，调节至目标励磁电流有效值C后励磁电流的调节量A归零的时间t1；保存能够产生最小t1的当前励磁电流有效值B和目标励磁电流有效值C；

重复多次测试，获取不同励磁电流的调节量A和当前励磁电流有效值B对应的目标励磁电流有效值C，根据测试结果构建数据库，每一个磁电流的调节量A和当前励磁电流有效值B都对应一个确定的目标励磁电流有效值C；

建立占空比计算模型：

直接将励磁回路工作在不同的占空比D和励磁线圈温度T之下，然后直接测量励磁回路的励磁电流有效值；然后将占空比D和励磁线圈温度T以及得到的励磁电流有效值相关联，使得每一个占空比D和励磁线圈温度T都对应一个励磁电流有效值；此时输入所需的目标励磁电流有效值C和当前励磁线圈温度T就可以对应得到占空比D。

本发明有如下有益效果：

采用数字控制器，极大的提升了系统的适应性，有效提升了系统的可靠性和效率；采用多闭环负反馈控制，有效的提升了控制器的精度、适应性和调节性能；实施有效值算法的变频采样方法，提升了系统的控制精度和动态性能；设计了基于经验的励磁电流调节方式，在得到调节值之后输入相关的模型可以直接调节占空比，可以避免由于设备的固有误差影响传统计算方式还需要引入修正量的麻烦。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为航空三极式发电机电压稳定控制算法双闭环系统原理示意图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

本方法的载体可以选用浮点式数字信号处理芯片，算法烧录在芯片内。发电时算法由芯片自动运行。算法所需的系统参数需要借助外部电路进行采样和调理。

电压环输入信号为经过有效值算法后得到的三相电压有效值，和调压点电压有效值的基准值比较后得到电压有效值误差。误差通过电压环后可得点电压调节量。算法运行过程中，只要维持误差为0，输出点电压的波形即可维持在调压点电压基准值处。

电流环的输入信号是励磁机励磁电流的实时值。励磁电流为直流形式，将该值与经过电压环算法后的电压调节量，与利用三相负载电流经过计算得到的励磁电流基准值相加，得到负载电流补偿的励磁电流基准值相减，即可得到励磁电流的误差值。经过电流环后得到励磁电流的调节量。将励磁电流误差值维持在0，即可对负载电流产生的电枢反应进行补偿，从而实现更精确的点电压实时值控制。

一种航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法：

三级式发电系统包括永磁机、励磁机、主发电机；永磁机为励磁的励磁线圈供电，励磁机发电后为主发电机线圈供电；

控制方法使用双闭环结构，包括电压环和电流环，均为PI调节器；

电压环输入信号为经过有效值算法后得到的三相电压有效值V_out和调压点电压有效值的基准值V_ref比较后得到电压有效值误差ΔV＝V_out-V_ref。电压有效值误差ΔV通过电压环后输出点电压调节量ΔI’；

电流环的输入信号是ΔI＝I_ex-(I_load+ΔI’)

I_ex为励磁机励磁电流的实时值，励磁电流为直流形式；ΔI’为经过电压环算法后的电压调节量，I_load为利用三相负载电流经过计算得到的励磁电流基准值；I_load+ΔI’为负载电流补偿的励磁电流基准值；ΔI经过电流环后得到励磁电流的调节量，并将该调解量输入励磁回路，实现调压控制；

算法运行过程中，要维持ΔV＝0，从而保证输出点电压的波形维持在调压点电压基准值处；且将励磁电流误差值维持在ΔI＝0，对负载电流产生的电枢反应进行补偿，从而实现更精确的点电压实时值控制。

励磁回路中的电流调节为数字式控制方法，包括励磁控制器；

励磁控制器从电流环获取励磁电流的调节量A，然后将励磁电流调节量A和当前励磁电流有效值B输入励磁调节模型，得到励磁机所需的目标励磁电流有效值C，然后励磁控制器控制励磁回路调节至计算得到的目标励磁电流有效值C。

励磁电流的调节方式为通过励磁控制器控制励磁电压的通断时间；励磁回路内设置一由励磁控制器控制的电子开关；

励磁控制器先获取励磁机的工作频率f，工作频率等于转速R的倒数，即f＝1/R；然后在励磁机的每一个周期内，励磁控制器控制电子开关的断开和闭合时间，使得在励磁机的每一个周期内励磁机的工作具有一个占空比D；励磁控制器通过占空比即可改变励磁电流有效值，从而实现主发电机的电压控制；占空比D的计算方法为将所需的目标励磁电流有效值C和当前励磁线圈温度T输入占空比计算模型，得到所需的占空比D。

励磁调节模型和占空比计算模型的建立方法如下：

建立励磁调节模型：

先使得三级式发电机工作在稳定转速下，且调节主发电机对应的负载为一稳定负载，此时发电机工作在稳定状态下，电压稳定，无需调节；

改变负载情况，从而可以获得一个励磁电流的调节量A，此时根据励磁电流的调节量A，对当前励磁电流有效值B进行调节，即给定不同的目标励磁电流有效值C，即可以获得在不同当前励磁电流有效值B的情况下，调节至目标励磁电流有效值C后励磁电流的调节量A归零的时间t1；保存能够产生最小t1的当前励磁电流有效值B和目标励磁电流有效值C；

重复多次测试，获取不同励磁电流的调节量A和当前励磁电流有效值B对应的目标励磁电流有效值C，根据测试结果构建数据库，每一个磁电流的调节量A和当前励磁电流有效值B都对应一个确定的目标励磁电流有效值C；

建立占空比计算模型：

直接将励磁回路工作在不同的占空比D和励磁线圈温度T之下，然后直接测量励磁回路的励磁电流有效值；然后将占空比D和励磁线圈温度T以及得到的励磁电流有效值相关联，使得每一个占空比D和励磁线圈温度T都对应一个励磁电流有效值；此时输入所需的目标励磁电流有效值C和当前励磁线圈温度T就可以对应得到占空比D。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

三级式发电系统包括永磁机、励磁机、主发电机；永磁机为励磁的励磁线圈供电，励磁机发电后为主发电机线圈供电；

控制方法使用双闭环结构，包括电压环和电流环，均为PI调节器；

电压环输入信号为经过有效值算法后得到的三相电压有效值V_out和调压点电压有效值的基准值V_ref比较后得到电压有效值误差ΔV＝V_out-V_ref；电压有效值误差ΔV通过电压环后输出点电压调节量ΔI’；

电流环的输入信号是ΔI＝I_ex-(I_load+ΔI’)

I_ex为励磁机励磁电流的实时值，励磁电流为直流形式；ΔI’为经过电压环算法后的电压调节量，I_load为利用三相负载电流经过计算得到的励磁电流基准值；I_load+ΔI’为负载电流补偿的励磁电流基准值；ΔI经过电流环后得到励磁电流的调节量，并将该调解量输入励磁回路，实现调压控制；

算法运行过程中，要维持ΔV＝0，从而保证输出点电压的波形维持在调压点电压基准值处；且将励磁电流误差值维持在ΔI＝0，对负载电流产生的电枢反应进行补偿，从而实现更精确的点电压实时值控制。

2.根据权利要求1所述的航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

励磁回路中的电流调节为数字式控制方法，包括励磁控制器；

励磁控制器从电流环获取励磁电流的调节量A，然后将励磁电流调节量A和当前励磁电流有效值B输入励磁调节模型，得到励磁机所需的目标励磁电流有效值C，然后励磁控制器控制励磁回路调节至计算得到的目标励磁电流有效值C。

3.根据权利要求2所述的航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

励磁电流的调节方式为通过励磁控制器控制励磁电压的通断时间；励磁回路内设置一由励磁控制器控制的电子开关；

励磁控制器先获取励磁机的工作频率f，工作频率等于转速R的倒数，即f＝1/R；然后在励磁机的每一个周期内，励磁控制器控制电子开关的断开和闭合时间，使得在励磁机的每一个周期内励磁机的工作具有一个占空比D；励磁控制器通过占空比即可改变励磁电流有效值，从而实现主发电机的电压控制；占空比D的计算方法为将所需的目标励磁电流有效值C和当前励磁线圈温度T输入占空比计算模型，得到所需的占空比D。

4.根据权利要求3所述的航空交流三级式发电系统电压稳定控制方法，其特征在于：

励磁调节模型和占空比计算模型的建立方法如下：

建立励磁调节模型：

先使得三级式发电机工作在稳定转速下，且调节主发电机对应的负载为一稳定负载，此时发电机工作在稳定状态下，电压稳定，无需调节；

改变负载情况，从而可以获得一个励磁电流的调节量A，此时根据励磁电流的调节量A，对当前励磁电流有效值B进行调节，即给定不同的目标励磁电流有效值C，即可以获得在不同当前励磁电流有效值B的情况下，调节至目标励磁电流有效值C后励磁电流的调节量A归零的时间t1；保存能够产生最小t1的当前励磁电流有效值B和目标励磁电流有效值C；

重复多次测试，获取不同励磁电流的调节量A和当前励磁电流有效值B对应的目标励磁电流有效值C，根据测试结果构建数据库，每一个磁电流的调节量A和当前励磁电流有效值B都对应一个确定的目标励磁电流有效值C；

建立占空比计算模型：

直接将励磁回路工作在不同的占空比D和励磁线圈温度T之下，然后直接测量励磁回路的励磁电流有效值；然后将占空比D和励磁线圈温度T以及得到的励磁电流有效值相关联，使得每一个占空比D和励磁线圈温度T都对应一个励磁电流有效值；此时输入所需的目标励磁电流有效值C和当前励磁线圈温度T就可以对应得到占空比D。

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