CN112510803A - 飞机分布式电网结构的单通道模块、发电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种飞机分布式电网结构的单通道模块、发电系统及控制方法，所述单通道模块包括一发电机系统、一燃料电池系统、一高压直流蓄电池系统、一超级电容系统、一直流汇流条；所述发电机系统、燃料电池系统、高压直流蓄电池系统、超级电容系统分别连接至所述直流汇流条，所述直流汇流条具有连接其他单通道模块以及负载的端口。所述飞机分布式发电系统的电网结构包括多个所述的单通道模块，各单通道模块之间通过单通道模块的汇流条提供的端口连接。本发明所提供的飞机分布式发电系统结构及其控制方法能够提高系统的稳定性和灵活性。

Description

飞机分布式电网结构的单通道模块、发电系统及控制方法
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，具体涉及飞机电网结构。
背景技术
随着对可靠性、维护性、燃油经济性等方面的要求越来越高，多电、全电化已成为民用飞机和军用飞机的发展趋势，是支撑绿色航空发展和提高战术性能的重要途径。多电飞机(More Electric Aircraft，AEA)、全电飞机(All Electric Aircraft，AEA)将机上气压能、液压能、机械能等二次能源逐步统一为电能、从而简化系统结构，提高系统可靠性和维护性，同时提高系统的整体效率，降低燃油消耗。
高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)供电系统在可靠性、维修性、费用、重量和供电质量等方面具有显著优势，目前已有民机B787和军机F-35等上采用270VHDVC作为供电系统，HDVC供电系统已经成为了MEA的供电系统主要架构之一。
目前飞机上的交流供电系统大都处于不并联工作状态，每台发电机带不同的负载。在系统设计初期，就需要将负载进行分配，使得每台发电机带的负载功率基本均衡。但是当某个负载功率很大，难以拆分时，就需要提高发电机的功率来满足负载的需求。尤其是大功率脉动负载的峰值功率远大于其平均功率，按照峰值功率配置发电机则导致发电机功率过大，体积重量大，运行效率低，造成能量浪费；如果按照平均功率配置发电机，则难以满足峰值功率需求，且难以保证电网电压性能符合要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术缺陷，提供一种飞机高压直流分布式发电系统结构及其控制方法，以解决现有技术中多电飞机高压直流供电系统稳定性和灵活性差的问题。
为实现上述发明目的，本发明首先提供一种飞机分布式电网结构的单通道模块，具体采用如下技术方案：
一种飞机分布式电网结构的单通道模块，其特征在于包括一发电机系统、一燃料电池系统、一高压直流蓄电池系统、一超级电容系统、一直流汇流条；所述发电机系统、燃料电池系统、高压直流蓄电池系统、超级电容系统分别连接至所述直流汇流条，所述直流汇流条具有连接其他单通道模块以及负载的端口。
本发明进一步提供了基于上述单通道模块的飞机分布式发电系统，具体采用如下技术方案：
一种飞机分布式发电系统，其特征在于其电网结构包括多个前述的单通道模块，各单通道模块之间通过单通道模块的汇流条提供的端口连接；各单通道模块基于能量优化原则配置发电机容量，发电机额定功率小于负载的最大功率，发电机输出平均功率处于发电机最大效率点；各单通道模块中的蓄电池在稳态时储存额定容量的一半能量，突加脉冲负载时可全部放电，突卸脉冲负载时可充电至满能量；各单通道模块中的超级电容在稳态时储存额定容量的一半能量，突加大功率负载时可全部放电，突卸大功率负载时可充电至满能量。
进一步地，
各单通道模块中的发电机采用励磁反馈控制，采集输出电压与参考电压进行比较，控制励磁调节输出电压。
各单通道模块的发电机并联运行时，依据选型的电机额定容量实施均流控制。
本发明还提供一种飞机分布式发电系统的控制方法，其特征在于：所述发电系统的电网结构包括多个前述的单通道模块，各单通道模块之间通过单通道模块的汇流条提供的端口连接，各单通道模块的能量控制方法如下：
基于能量优化原则配置发电机容量：发电机额定功率小于负载的最大功率，发电机输出平均功率处于发电机最大效率点；
蓄电池能量控制：稳态时储存额定容量的一半能量，突加脉冲负载时可全部放电，突卸脉冲负载时可充电至满能量；
超级电容能量控制：稳态时储存额定容量的一半能量，突加大功率负载时可全部放电，突卸大功率负载时可充电至满能量。
本发明提出一种270V高压直流分布式并联发电的电网结构，以能量为核心配置系统结构和控制策略，包括分布式的单通道模块及其控制系统，每个单通道模块通过接触器连接到其他单通道模块的接口。本发明利用直流容易实现并联的优势，在多发电机及燃料电池分布式并联发电的基础上，配置蓄电池和超级电容，并提出了蓄电池和超级电容能量控制策略，以解决大功率和脉动负载的用电需求。
发明的有益效果是：
本发明提出的分布式高压直流供电系统能够根据发电机的发电能力大小将负载合理进行分配，且当出现一系列干扰因素的时候能够维持负载端电压稳定以及功率合理分配，体现出了并联控制器设计的合理性以及系统的容错性；混合储能系统接入多发电机并联系统中能较好的维持直流电压的稳定，提高电压品质。由此，分布式供电对维持直流母线电压具有一定的优势。同时，本发明提出分布式电源构成的飞机供电系统具有以下优点：(1)提高容错性能；(2)提高供电容量；(3)动态特性好；(4)系统稳定性好。
附图说明
图1是本发明分布式高压直流供电系统结构框图。
图2是本发明单通道单发电网发电系统单线图。
图3是本发明单通道单发电网电机控制框图。
图4是本发明分布式高压直流供电系统发电机并联均流控制框图。
图5是本发明分布式高压直流供电系统发电机并联均流控制策略。
图6是本发明储能装置控制框图
图7是本发明实施例中未补偿时脉冲负载时直流母线电压仿真图
图8是本发明实施例中补偿时脉冲负载时直流母线电压仿真图
图9本发明实施例中并联均流仿真图
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
本实施例的飞机模块化电网实验装置设计过程如下：
研究适用于大型通用客机的供电方案，确立所使用的供电网络拓扑构。
如图1所示，单通道模块主要由一发电机系统、一燃料电池系统、一高压直流蓄电池系统、一超级电容系统、一直流汇流条组成。发电机系统、燃料电池系统、高压直流蓄电池系统、超级电容系统分别经接触器连接至直流汇流条。直流汇流条具有连接其他单通道模块以及负载的端口。
多个单通道模块通过直流汇流条提供的端口连接起来，组成发电系统电网结构，其中发电机、燃料电池构成分布式发电系统向270V直流汇流条供电，由超级电容和蓄电池构成的储能装置构成分布式储能系统也连接到直流汇流条上。
具体的，系统结构包括：发电机、不可控整流器、电容器、蓄电池、燃料电池、负载、DC/DC变换器和270V直流母线汇流条；发电机与整流器相连，然后接入到270V直流母线上；其中，发电机输出交流电，不可控整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，电压采集器采集整流器输出的直流电压经过反馈控制控制发电机励磁电流，调节发电机输出电压，其中反馈控制的控制信号由整流器输出的直流电压与参考目标直流电压的差值经PI控制器产生；燃料电池与单向DC/DC变换器相接，单向DC/DC变换器与270V直流母线相接；超级电容与蓄电池与双向DC/DC变换器相接，双向DC/DC变换器与270V直流母线相接；其中超级电容与蓄电池是并联连接结构，270V直流母线汇流条可以并联运行也可以单独运行。
图1中R1、R2表示发电机电压调节点到270V汇流条的阻抗，当调节点靠近汇流条时，R1、R2可以忽略。R12表示两汇流条之间的阻抗，当两个汇流条位置靠近时，R12电阻也可以忽略。
分布式高压直流供电系统正常工作时能量传输需要满足一定的供求关系，各部件功率配置方案如下：
发电机功率关系
发电机正常工作的功率应维持在一定的范围内，不能长期工作在过载状态。由此，发电机的功率关系必须满足：
Figure BDA0002779763300000041
其中，
Figure BDA0002779763300000042
分别表示第i台发电机的最小和最大的输出功率,Pi表示第i台发电机的输出功率，n表示发电机的个数。
供求功率关系
供电系统正常工作时，源输出功率与负载需求功率之间需要满足供求关系。满足的条件为：
Figure BDA0002779763300000043
其中，
Figure BDA0002779763300000044
表示负载的平均功率，
Figure BDA0002779763300000045
表示发电机输出的总功率。
通常，发电机输出功率在额定功率的80％时，发电机工作在最佳的效率点，选择该输出功率与负载平均功率相等。表示为：
Figure BDA0002779763300000046
依据负载需求，基于式(3)配置发电机的容量大小。
超级电容、蓄电池的供求关系
超级电容和蓄电池在发生负荷突变情况时能够提供瞬时大功率支撑。在突加大功率负载时输出电能，在突卸大功率负载时吸收电能，通过输出和输入电能维持直流母线电压稳定。其功率供求关系需满足:
Pt≤PS+PB (4)
其中，Pt表示t时刻的负载功率的变化量，Ps、PB分别表示超级电容、蓄电池的输出或输入功率的能力。
考虑到脉充功率负载经常处于突加和突卸等量功率负载的状态，为满足吸收和释放电能都能满足负载的变化，本实施例将超级电容和蓄电池设置成在稳态工作时储存的能量为其满能量的50％。
单通道供电结构方案如下：
如图2所示，燃料电池系统经单向DC/DC连接到直流汇流条上，发电机系统、燃料电池系统构成分布式发电系统向270V汇流条供电；超级电容系统和蓄电池系统构成构成分布式储能系统，通过双向DC/DC连接到270V汇流条上。负载连接到270V汇流条上，不同负载根据功率要求分布在不同的汇流条上。
图2中R1表示发电机电压调节点到270V汇流条的阻抗。
单通道发电机控制方案如下：
如图3所示，发电机发出交流电经过不控整流电路整流后向270V汇流条供电，调节励磁机的励磁电流可控制发电机的电压，采用PI控制，采集输出电压与参考电压构成偏差，将偏差的比例和积分组合构成控制量控制电机励磁电流从而控制电机输出电压。
蓄电池和超级电容控制方案如下：
超级电容器(SC)功率密度高，作为功率型储能，在兼顾传统电容器大功率充放电的基础上，能够进行一定容量储能，并且寿命远大于传统的蓄电池，但不适合进行大容量储能。功率型储能能够满足对分布式电源间歇式供电要求，同时在发生负荷突变情况时能够提供瞬时大功率支撑。
蓄电池能量密度高，作为能量型储能，能够满足电力调度以及削峰填谷等能量变化较大的需求，同时当负荷出现稳定的小幅度波动时候能够保证长时间供电质量可靠。蓄电池不能承受大电流的冲击，而且充放电次数比超级电容少，因此应减小蓄电池的投入运行次数。
混合储能系统有机地结合了功率型储能以及能量型储能两者的优势，在储能系统结构紧凑的基础上提高了供电质量。
超级电容和蓄电池控制框图如图6所示。控制系统通过采集270V直流母线电压电流以及超级电容和蓄电池的SOC状态，输出PWM信号控制双向DC/DC的开关状态从而控制超级电容和蓄电池的充放电状态。超级电容和蓄电池充放电状态相同，同时充电或者放电。
超级电容和蓄电池的能量控制策略为：
蓄电池能量控制策略：稳态时储存额定容量的一半能量，突加脉冲负载时可全部放电，突卸脉冲负载时可充电至满能量；
超级电容能量控制策略：稳态时储存额定容量的一半能量，突加大功率负载时可全部放电，突卸大功率负载时可充电至满能量。
在MATLAB/simulink搭载单通道结构的仿真模型，分别设置0.3s突增负载和0.6s突卸负载进行单通道系统仿真验证，在不进行储能设备补偿时，系统直流母线电压的变化趋势如图7所示。由图7可以看出系统在0.3s突增负载时直流母线电压会降低到255左右，在0.6s突卸负载直流母线电压会升到285左右，超过高压直流母线电压波动范围250-280V的标准，影响系统稳定。增加储能设备补偿后，分别设置0.3s突增负载和0.6s突卸负载进行单通道系统仿真验证，系统直流母线电压的变化趋势如图8示。由图8看出系统在0.3s突增负载时直流母线电压只降低到268.2V，在0.6s突卸负载直流母线电压值升到274，在高压直流母线电压波动范围250-280V内，符合系统的运行要求。
发电机并联情况下的均流控制方案如下：
当发电机并联运行时，进行发电系统均流控制器的设置，其均流控制结构如图4所示。
均流控制器采取分布式主、从控制结构。最早通电工作的那台发电机控制器作为主控制器，其他的控制器都作为从控制器。各控制器之间通过通讯总线传递电压、电流、功率信息，主控制器经过均流控制策略计算后分配各发电机的输出定额值，由通讯将这些定额值发送给各从控制器。
各控制器的输出电压u与Ur和Uf(其中Ur表示基准电压；Uf表示反馈电压)进行综合比较，产生的误差信号经过调制后，用来控制和驱动发电机励磁E。其中如果单个电源模块出现故障，则该电源的均流控制器将会从汇流条上撤下来，系统对其余模块采取均流措施。
发电机并联情况下的均流控制策略结构框图如图5所示，具体方案如下：
发电机额定容量相同的情况下的均流控制策略：
发电系统支路电流平均值与其反馈电流进行比较之后，如果得到的差值在规定的范围之内，输出的电压控制信号为0，表示达到了均流，如果超出了规定的范围，则表示系统还未达到均流，需要输出相应的电压控制信号。
发电机额定容量不相同的情况下的均流控制策略：
当不同额定功率的发电系统并联运行时，其实际运行中输出功率大小设计成按照额定功率的大小成比例输出，因此需要进行相应的功率输出控制。输出的目标电压相同，只需要依据额定的输出功率的比例关系确定各电机电流的输出关系，即额定功率比例关系即为电流输出比例关系。
控制策略可描述如下：依据需要计算各电机需要输出的电流的基准值与其反馈电流进行比较之后，如果得到的差值在规定的范围之内，输出的电压控制信号为0，如果超出了规定的范围，则表示系统还未达到均流，需要输出相应的电压控制信号。
在MATLAB/simulink搭载三通道结构的仿真模型，设置发电机的额定输出功率的比值为1：2：3，设置负载的功率为500kw，输出的仿真结果如图9所示，均流控制能较好的完成功率分配的任务。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种飞机分布式电网结构的单通道模块，其特征在于包括一发电机系统、一燃料电池系统、一高压直流蓄电池系统、一超级电容系统、一直流汇流条；所述发电机系统、燃料电池系统、高压直流蓄电池系统、超级电容系统分别连接至所述直流汇流条，所述直流汇流条具有连接其他单通道模块以及负载的端口。
2.如权利要求1所述的单通道模块，其特征在于所述发电机系统经整流器与直线汇流条连接，所述燃料电池系统经单向DC/DC与直线汇流条连接，所述高压直流蓄电池系统和超级电容系统并联，分别经双向DC/DC与直线汇流条连接。
3.一种飞机分布式发电系统，其特征在于其电网结构包括多个权利要求1或2所述的单通道模块，各单通道模块之间通过单通道模块的汇流条提供的端口连接；各单通道模块基于能量优化原则配置发电机容量，发电机额定功率小于负载的最大功率，发电机输出平均功率处于发电机最大效率点；各单通道模块中的蓄电池在稳态时储存额定容量的一半能量，突加脉冲负载时可全部放电，突卸脉冲负载时可充电至满能量；各单通道模块中的超级电容在稳态时储存额定容量的一半能量，突加大功率负载时可全部放电，突卸大功率负载时可充电至满能量。
4.如权利要求3所述的飞机分布式发电系统，其特征在于各单通道模块中的发电机采用励磁反馈控制，采集输出电压与参考电压进行比较，控制励磁调节输出电压。
5.如权利要求3所述的飞机分布式发电系统，其特征在于各单通道模块的发电机并联运行时，依据选型的电机额定容量实施均流控制。
6.一种飞机分布式发电系统的控制方法，其特征在于：所述发电系统的电网结构包括多个权利要求1或2所述的单通道模块，各单通道模块之间通过单通道模块的汇流条提供的端口连接，各单通道模块的能量控制方法如下：
基于能量优化原则配置发电机容量：发电机额定功率小于负载的最大功率，发电机输出平均功率处于发电机最大效率点；
蓄电池能量控制：稳态时储存额定容量的一半能量，突加脉冲负载时可全部放电，突卸脉冲负载时可充电至满能量；
超级电容能量控制：稳态时储存额定容量的一半能量，突加大功率负载时可全部放电，突卸大功率负载时可充电至满能量。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于各单通道模块中的发电机采用励磁反馈控制，采集输出电压与参考电压进行比较，控制励磁调节输出电压。
8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于各单通道模块的电机并联运行时，依据选型的电机额定容量实施均流控制。
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