CN112952754B - 一种带故障保护的起动发电切换控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带故障保护的起动发电切换控制方法，方法包括：基于混合自动机理论对起动发电切换过程建模；给出切换过程的状态和状态迁移的模型；在切换瞬间发生的电流电压突变，增加故障保护模型；故障保护发生时，设定时限下通过断路器切除故障。该方法简单易实现，能够实现起动发电的切换过程，对过程中的故障能够识别并隔离措施。

Description

一种带故障保护的起动发电切换控制方法

技术领域

本发明属于起动发电控制领域，具体涉及一种带故障保护的起动发电切换控制方法。

背景技术

起动/发电的切换过程是一个复杂的过渡过程，根据航空发动机的起动原理，航空发动机在达到自持转速后成功起动，与起动机脱离，由负载变为原动机，为起动发电机提供功率。为了实现起动和发电状态的切换，通过控制开关管的开关状态，使起动发电机完成电动状态的退出和发电建压的过程，实现能量的双向流动。由于在起动阶段，起动发电机需要外接电源进行励磁，因此还需要通过继电器开关将外接电源断开，接到汇流条中，即与负载相连。为了解决切换过程各状态情况下的切换，本方法基于混合自动机理论的进行控制方法研究。

混合自动机是在有限状态自动机的基础之上发展而来的一种处理混合系统的控制方法。有限状态自动机主要用于处理计算有限内存下，利用有向图和形式化的语言实现有限状态的迁移，通过设立边界条件执行状态迁移。与之相比，混合自动机可以看作为一个泛化的时间自动机，由“状态”和“状态迁移”两种基本元素组成，更多的考虑各状态的内部连续状态，用一组微分方程表示内部变量，并随时间变化。当变量变化满足状态迁移条件时，即从一个连续状态迁移到另一个连续状态，变量由另一组微分方程表示。

发明内容

针对上述内容提到的起动发电切换的问题，本发明的目的在于提供一种带故障保护的起动发电切换控制方法，能够实现起动到发电过程中各工作状态的切换，同时建立故障保护模型实现故障的检测和有效隔离。

本发明的一种带故障保护的起动发电切换控制方法，包括如下步骤：

步骤1，基于混合自动机理论，对起动发电机从起动到发电切换过程进行建模，构建起动发电模型。

步骤1.1，起动发电模型中，对起动发电机工作状态进行划分；起动发电机工作状态分为起动状态、电动退出状态、空载建压状态、负载调压状态和稳态发电状态。

起动状态：该状态下，起动发电机在起动控制下顺利带动航空发动机起动。

电动退出状态：该状态下，起动发电机退出电动状态，电机电流开始降低。

空载建压状态：该状态下，航空发动机拖动起动发电机运行，开始发电建压。

负载调压状态：该状态下，开始接入电容和负载。

稳态发电状态：该状态下，转速到达慢车转速，接入汇流条给机载供电，进行扰动下的稳压控制。

步骤1.2，起动发电模型中，设置起动发电机工作状态之间的迁移条件，工作状态之间的迁移条件包括到达自持转速、退出完成、接入负载和达到慢车转速。

起动发电模型中，起动发电机工作状态之间的迁移条件具体为：

到达自持转速：当航空发动机转速达到自持转速时，航空发动机自行工作，起动发电机的状态从起动状态迁移至电动退出状态。

退出完成：起动发电机电流降为零，且起动发电机转速到达脱开转速，起动发电机的状态从电动退出状态迁移至空载建压状态。

接入负载：起动发电机的输出电压接近额定电压，起动发电机状态从空载建压状态迁移至负载调压状态。

达到慢车转速：起动发电机输出电压稳定至额定电压，到达慢车转速，起动发电机从负载调压状态迁移到稳态发电状态。

步骤2，基于混合自动机理论，构建故障保护模型。

步骤2.1，在故障保护模型中，起动发电机工作状态包括正常状态、延时状态、准备状态、故障保护状态和保护状态。

正常状态：该状态下，起动发电机正常运行。

延时状态：该状态下，故障信号延时，计时器开始计时。

准备状态：该状态下，为发出故障信号前的准备状态。

故障保护状态：该状态下，保护装置故障，未能正常进入保护的故障状态。

保护状态：该状态下，断开起动发电机中的故障设备，处于保护状态。

步骤2.2，在故障保护模型中，起动发电机工作状态之间的迁移条件包括：检测到故障、故障移除、延迟时间到、发出故障信号和发出保护信号。

检测到故障：当检测到电流值或电压值超过设定阈值时，起动发电机工作状态从正常状态迁移至延迟状态。

故障移除：延迟时间未到达，故障时间值小于设定阈值，起动发电机状态从延迟状态迁移至正常状态。

延迟时间到：延迟时间到达，故障未移除，起动发电机状态从延迟状态迁移至准备状态。

发出故障信号：保护装置发生故障，未能正常进入保护状态，起动发电机状态从准备状态迁移到保护故障状态。

发出保护信号：发出保护信号，保护装置工作，起动发电机状态从准备状态迁移至保护状态。

有益效果：本发明基于混合自动机理论，对起动发电机从起动到发电切换过程进行建模，构建起动发电模型，对切换过程的各个阶段进行了定性表达，实现了切换过程各个工作状态的切换动作，适合用于起动发电切换过程；通过添加故障保护模型，电压电流作为迁移变量，确保切换过程的顺利进行，避免由电流突变造成的故障对起动发电机的影响，基于混合自动机的故障保护模型，能够更加快速有效地对故障进行检测和隔离。

附图说明

图1为混合自动机模型结构示意图。

图2为基于混合自动机理论的起动发电切换过程图。

图3为基于混合自动机理论的故障保护原理图。

图4为故障下混合自动机各状态动作图。

图5为起动发切换过程的各状态图。

图6为起动发电切换过程的电流曲线图。

具体实施方式

为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明进一步清晰完整的阐述。

本发明设计的一种带故障保护的起动发电切换控制方法，是基于混合自动机理论提出的。混合自动机可以看作为一个泛化的时间自动机，包括“状态”和“状态迁移”两种基本元素组成，图1是混合自动机的模型结构，有s₁,s₂,…,s_i i个状态，还有状态之间的迁移条件e₁,e₂,…,e_i，f_i(·)为描述连续动态的微分和差分方程，x为状态变量，t为时间变量。该方法只需要根据控制目标的状态设定实现运行方式的改变，下面对基于混合自动机的起动发电切换进行详细说明。

步骤1，基于混合自动机理论，对起动发电机从起动到发电切换过程进行建模，构建起动发电模型。

步骤1.1，构建起动发电模型中，对起动发电机的工作状态进行划分。

起动发电机的工作状态分为起动状态、电动退出状态、空载建压状态、负载调压状态和稳态发电状态，五个状态。

起动状态：该状态下，起动发电机在起动控制下顺利带动航空发动机起动。

根据测得的实时转速值，起动发电机从零速起动，起动发电机做为电动机使用，拖动飞机发动机升速，当飞机发动机转速达到点火转速时，发动机点火，发动机成功点火后，此时发动机还未能自行起动，需要在经过一段时间后到达自持转速，此时发动机输出的转矩与自身转动所需要的转矩基本达到平衡，发动机能够自行工作。

电动退出状态：该状态下，起动发电机退出电动状态，电机电流开始降低。

起动发电机进入电动退出阶段，通过控制功率变换器将起动发电机电流降为零，由于与和航空发动机同轴安装，被航空发动机拖动转速继续上升，转速到达脱开转速，同时断开起动电源，起动发电机退出状态完成。

空载建压状态：该状态下，航空发动机拖动起动发电机运行，开始发电建压。

起动发电机进入发电状态，控制功率变换器开关管，起动发电机开始发电，但是起动发电机刚从电动机工作状态转变为发电机工作状态，此时起动发电机输出的交流电不能满足机载设备的要求，因此需要经历一个建压过程，相比于直接连接负载建压，空载建压的速度更快，闭环阻尼更小，起动发电机处于空载建压状态，直到空载建压的输出电压接近额定输出电压。

负载调压状态：该状态下，切入负载和滤波电容，进入负载调压阶段。

稳态发电状态：该状态下，转速到达慢车转速，接入汇流条给机载供电，进行扰动下的稳压控制。

步骤1.2，设置起动发电机工作状态之间的迁移条件，迁移条件包括到达自持转速、退出完成、接入负载和达到慢车转速；如图2所示，是起动发电机的状态切换过程的混合自动机原理图。

到达自持转速：当航空发动机转速达到自持转速时，航空发动机自行工作，起动发电机的状态从起动状态迁移至电动退出状态。

退出完成：起动发电机电流降为零，且起动发电机转速到达脱开转速，起动发电机的状态从电动退出状态迁移至空载建压状态。

接入负载：起动发电机的输出电压接近额定电压，起动发电机状态从空载建压状态迁移至负载调压状态。

达到慢车转速：起动发电机输出电压稳定至额定电压，到达慢车转速，起动发电机从负载调压状态迁移到稳态发电状态。

步骤2，基于混合自动机理论，构建故障保护模型。

在起动和发电切换的瞬间，起动发电机仍处于工作状态，但是起动发电机的电流无法通过功率变换器，反电动势电压小于外电电源电压，无法形成电流流通回路，导致起动发电机电流发生突变，绕组上产生电压尖峰，会对起动发电机造成影响，导致设备故障，因此在需要在设定的时限下进行过电压和过电流保护，使得断路器切除故障，保障设备和线路的安全。

因此，在步骤1的基础上添加故障保护模型，当故障电流增大，超过设定的阈值时，进入故障保护，并判断是否切除故障。图3为故障保护的混合自动机原理图。

步骤2.1，在故障保护模型中，起动发电机工作状态包括正常状态、延时状态、准备状态、故障保护状态和保护状态。

正常状态：该状态下，起动发电机正常运行。

延时状态：该状态下，故障信号延时，计时器开始计时。

准备状态：该状态下，为发出故障信号前的准备状态。

故障保护状态：该状态下，保护装置故障，未能正常进入保护的故障状态。

保护状态：该状态下，断开起动发电机中的故障设备，处于保护状态。

步骤2.2，故障保护模型中，起动发电机工作状态之间的迁移条件包括：检测到故障、故障移除、延迟时间到、发出故障信号和发出保护信号。

检测到故障：当检测到电流值或电压值超过设定阈值时，起动发电机工作状态从正常状态迁移至延迟状态。

故障移除：延迟时间未到达，故障时间值小于设定阈值，起动发电机状态从延迟状态迁移至正常状态。

延迟时间到：延迟时间到达，故障未移除，起动发电机状态从延迟状态迁移至准备状态。

发出故障信号：保护装置发生故障，未能正常进入保护状态，起动发电机状态从准备状态迁移到保护故障状态。

发出保护信号：发出保护信号，保护装置工作，起动发电机状态从准备状态迁移至保护状态。

以上即为基于混合自动机理论的，带故障保护的起动发电切换过程的控制方法，主要实现两个功能：一是对起动发电机进行从电动机运行状态切换为发电机运行状态；二是对切换过程中的起动发电机回路可能会发生电流突变进行故障保护，及时发出故障信号，以免造成更多设备损坏的连锁反应。

将本发明的方法应用于三级式同步电机的起动发电机中。如图4所示，首先仿真中以电流突变故障为例，依据给出的故障信号进行故障仿真。假设，利用三相故障模块进行故障模拟，图4中的(f)是模拟故障信号图，在第1s时故障发生，持续0.06s之后故障消失，起动发电机正常工作；为了说明延迟时间状态的情况，在第2s时刻，模拟故障再次出现，且一直存在。故障下的混合自动机各状态如下图4所示，“0”表示离开该状态；“1”表示处于该状态。实际电流值通过傅里叶模块得到。其中，图4中的(a)是故障保护模型中起动发电机正常状态图，图4中的(b)是故障保护模型中起动发电机延时状态图，图4中的(c)是故障保护模型中起动发电机准备状态图，图4中的(d)是故障保护模型中起动发电机故障保护状态图，图4中的(e)是故障保护模型中起动发电机保护状态图。

如图4中的(a)所示，在第1s时刻和第2s时刻出现故障信号，通过三相故障模块模拟A相短路故障，使得回路中电流突变，超过设定的电流阈值，在第一次出现故障信号时，在延迟时间内故障消失，回路电流恢复正常，起动发电机状态重新回到正常状态，由于三相故障模块本身延迟，导致在本来设定在第1s时刻发生的故障在1.0132s时实际测量的电流值才发生突变，如图4中的(b)所示，因此在1.0132s时起动发电机状态从正常状态切换迁移至延时状态，经过0.0584s后故障消失，未达到设定的延时时间上限，设定250个仿真步长为延迟时间上限，仿真中采用变步长，因此该上限在仿真中变化的，从图4中的(a)中看出，在1.0716s时起动发电机状态又再一次迁移为正常状态。在第2s时刻故障再次出现并一直持续存在，起动发电机在2.0132s从正常状态迁移至延时状态，到达设定的延迟时间上限，电流值仍超过设定阈值，如图4中的(c)所示，在2.1129s时刻从延时状态迁移至准备状态，在经过一个仿真步长的时间后，如图4中的(e)所示，保护装置工作，从准备状态迁移至保护状态，通过断路器将故障部分断开，至此实现故障保护和隔离。如图4中的(d)所示，本实施例中的保护装置未发生故障，可以正常进入保护状态。

基于混合自动机理论，对起动发电机切换过程的进行仿真结果分析。给出各状态动作如图5所示，图5中的(a)是起动发电机起动状态图，飞机发动机在0.1S到达自持转速，图5中的(b)是起动发电机电动退出状态图，起动发电机进入电动退出阶段，给出开关信号，关闭功率变换器的各开关管，电流降为零；图5中的(c)是起动发电机空载建压和负载调压状态图，进入建压状态，达到额定电压后，进入发电状态，如图5中的(d)所示，是起动发电机稳态发电状态图，此时转速到达慢车转速。本实施例中，同时给出了起动发电切换过程的电流曲线。根据图6给出的电流曲线看出，在开关管断开后，由于延时作用，经过一段时间后，电流降为零。在0.2秒开始建压状态，达到额定电压后，进入发电状态。

Claims (3)

1.一种带故障保护的起动发电切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，基于混合自动机理论，对起动发电机从起动到发电切换过程进行建模，构建起动发电模型；

步骤1.1，起动发电模型中，对起动发电机工作状态进行划分；起动发电机工作状态分为起动状态、电动退出状态、空载建压状态、负载调压状态和稳态发电状态；

步骤1.2，起动发电模型中，设置起动发电机工作状态之间的迁移条件，工作状态之间的迁移条件包括到达自持转速、退出完成、接入负载和达到慢车转速；

步骤2，基于混合自动机理论，构建故障保护模型；

步骤2.1，在故障保护模型中，起动发电机工作状态包括正常状态、延时状态、准备状态、故障保护状态和保护状态；

正常状态：该状态下，起动发电机正常运行；

延时状态：该状态下，故障信号延时，计时器开始计时；

准备状态：该状态下，为发出故障信号前的准备状态；

故障保护状态：该状态下，保护装置故障，未能正常进入保护的故障状态；

保护状态：该状态下，断开起动发电机中的故障设备，处于保护状态；

步骤2.2，在故障保护模型中，起动发电机工作状态之间的迁移条件包括：检测到故障、故障移除、延迟时间到、发出故障信号和发出保护信号；

检测到故障：当检测到电流值或电压值超过设定阈值时，起动发电机工作状态从正常状态迁移至延迟状态；

故障移除：延迟时间未到达，故障时间值小于设定阈值，起动发电机状态从延迟状态迁移至正常状态；

延迟时间到：延迟时间到达，故障未移除，起动发电机状态从延迟状态迁移至准备状态；

发出故障信号：保护装置发生故障，未能正常进入保护状态，起动发电机状态从准备状态迁移到保护故障状态；

发出保护信号：发出保护信号，保护装置工作，起动发电机状态从准备状态迁移至保护状态。

2.根据权利要求1所述的一种带故障保护的起动发电切换控制方法，其特征在于：起动发电模型中，起动发电机工作状态具体为：

起动状态：该状态下，起动发电机在起动控制下顺利带动航空发动机起动；

电动退出状态：该状态下，起动发电机退出电动状态，电机电流开始降低；

空载建压状态：该状态下，航空发动机拖动起动发电机运行，开始发电建压；

负载调压状态：该状态下，开始接入电容和负载；

稳态发电状态：该状态下，转速到达慢车转速，接入汇流条给机载供电，进行扰动下的稳压控制。

3.根据权利要求1所述的一种带故障保护的起动发电切换控制方法，其特征在于：起动发电模型中，起动发电机工作状态之间的迁移条件具体为：

到达自持转速：当航空发动机转速达到自持转速时，航空发动机自行工作，起动发电机的状态从起动状态迁移至电动退出状态；

退出完成：起动发电机电流降为0，且起动发电机转速到达脱开转速，起动发电机的状态从电动退出状态迁移至空载建压状态；

接入负载：起动发电机的输出电压接近额定电压，起动发电机状态从空载建压状态迁移至负载调压状态；

达到慢车转速：起动发电机输出电压稳定至额定电压，到达慢车转速，起动发电机从负载调压状态迁移到稳态发电状态。

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