CN113748064B - 用于监控航空器混合的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控混合动力推进系统中功率分配的方法，该混合动力推进系统包括一个或多个输送AC电压的电源以及一个或多个电池，每个AC电压与AC到DC的受控的整流器相关联，其中，AC到DC的受控的整流器和电池直接地连接到为一个或多个电气负载供电的HVDC DC母线，通过基于电池的测量功率(Pbat)的功率给定值(Pref)的反馈回路，以及基于HVDC母线的测量电压(VHVDC)的电压给定值(Vref)的反馈回路，通过单独的受控的AC/DC整流器(16)执行功率分配的监控，基于输送AC电压的电源的电流(Igen)，这两个反馈回路中的任一个为反馈回路输送RMS电流给定值Idref和Iqref。

Description

用于监控航空器混合的方法和装置
技术领域
本发明涉及航空器的混合动力推进系统，更具体地，涉及具有垂直起降(VTOL)的航空器的混合动力推进系统，并且它涉及用于根据航空器的不同额定值来控制电源之间的功率分配的系统。
背景技术
VTOL倾向于用作城市内和城市间运输的一种形式，适用于运输货物或运送人员，然而，由于当前电池的受限自主性，因此，对混合动力推进系统有很高的需求，优选地，集成的混合动力推进系统。
在这种混合动力推进系统中，有两个电源：涡轮发电机和一组电池，通过一个或多个DC电源母线(HVDC母线)为一个或多个电气负载(实际上，一个或多个电动机)供电。电池的作用是在涡轮发电机不能独自满足负载(瞬时或恒定)需求的运行点，对涡轮发电机进行补充，因此，避免涡轮发电机尺寸过大或过载。
涡轮发电机的最大功率取决于温度和海拔高度，并且是动态受限的。电池的优点由于事实：在快速耗电的情况下，与涡轮发电机供应的电力相比，电池可以以更快的动态性能供应电力。
常规地，这种混合动力推进系统包括几个额定值：
-涡轮发电机的启动额定值和母线的预充电(其中必须限制给DC母线供电的功率，直到给电容器预充电为止)，
-两种电源都供电的混合额定值，
-仅电池供电的电气额定值(在给定值或涡轮发电机损耗的情况下)，以及
-只有涡轮发电机提供电力的热额定值(在给定值或在电池损耗的情况下)。
图4更准确地示例了涵盖四种不同情况的混合额定值：
-在1)中，电池提供涡轮发电机未涵盖的高动态性能(在充电和放电期间)，
-在2)中，当涡轮发电机处于其功率极限时，电池提供功率富裕量，
-在3)中，电池上有负载峰值，以补偿负载的快速下降(涡轮发电机由于其动态性能缓慢而保持在高功率，因此不再被电气负载使用的该功率进入电池，直到涡轮发电机的功率等于电气负载要求的功率)，以及
-在4)中，涡轮发电机为电池充电。
考虑到不同的额定值，这需要控制混合动力推进系统，以管理两个电源之间的功率分配。
在当前系统中，当涡轮发电机的发电机输出端处的整流器不受控制时，通过将电池连接到HVDC母线的DC/DC变换器，或者当涡轮发电机的发电机输出端处的整流器受控制时，通过该DC/DC变换器和AC/DC整流器，经由电池电流的控制来完成这种混合控制，寻求局部最优。
然而，这种寻求最优已被证明特别地困难，因此，需要用于控制AC混合的系统。
发明内容
因此，本发明的目的是提供对混合动力推进系统的混合的控制，该混合动力推进系统更简单、更高效、更模块化和更可扩展，同时还允许优化的集成和安装在航空器上。本发明的另一个目的是允许电流和电压的控制模式，以适应不同的飞行阶段和不同的运行点。还有一个目的是使满足推进系统的不同用途(热、电或混合)的要求成为可能。
通过用于控制混合动力推进系统中功率分配的方法来实现这些目的，该混合动力推进系统包括电源和电池，该电源输送与受控的AC/DC整流器相关联的AC电压，该方法的特征在于，受控的AC/DC整流器和电池各自直接地连接到为至少一个电气负载供电的HVDC DC母线，通过基于电池的测量功率的功率给定值上的调节回路，以及基于HVDC母线的测量电压的电压给定值上的调节回路，通过受控的AC/DC整流器独自地执行功率分配的控制，基于输送AC电压的电源的电流，这两个调节回路各自为调节回路输送二次电流给定值。
这种配置省去了电池和HVDC母线之间的DC/DC变换器，因此间接地控制电池。
有利地，根据用于两个调节回路中一个的混合动力推进系统的混合额定值以及用于两个调节回路中另一个的混合动力系统的热或启动的额定值中的一个，通过功率或电压给定值上的两个调节回路中的一个或另一个，选择性地输送二次电流给定值Iqref。同样地，由磁通管理模块输送二次电流给定值Idref。
优选地，输送到调节回路的二次电流给定值Iqref预先与电流值相加，该电流值等于由至少一个电气负载所消耗的功率的估计值。
有利地，由功率管理器输送电压给定值，并且该电压给定值限定要被施加到至少一个电气负载的电压。
优选地，由混合组件输送功率给定值，并且该功率给定值限定输送AC电压的至少一个电源和至少一个电池之间的期望功率分配。
本发明还涉及一种用于控制实施上述方法的功率分配的装置，包括这种功率分配控制装置的混合动力推进系统，以及包括这种混合动力推进系统的航空器，特别是具有VTOL的航空器。
附图说明
参考以下附图而没有任何限制，本发明的其他特征和优点将从下面给出的详细描述中变得明显，其中：
图1示出了用于控制航空器中的混合以实现根据本发明的功率分配方法的架构，
图2是示出了在第一运行配置中方法的步骤的流程图，
图3是示出了在第二运行配置中方法的步骤的流程图，
图4示出了在现有技术的混合控制架构中电池负载、电源功率和负载总功率的变化。
具体实施方式
根据本发明，通过控制一个或多个受控的AC/DC整流器(即有源整流器)的电压、功率(或输出电流)完成混合的控制，而不是像传统的那样，通过设置在电池和HVDC DC母线之间DC/DC变换器。因此，由一个或多个有源整流器间接地控制电池的功率。
图1示出了允许混合动力推进系统中混合的这种控制的架构，该混合动力推进系统旨在从至少一个HVDC DC母线12向至少一个推进单元10供电，至少一个电池14和至少一个受控的AC/DC整流器16连接到该母线12。有源整流器16组装在输送AC电压的一个或多个电源18A、18B的输出端，并且这些有源整流器与这些AC电压相关联以将其转换成DC电压。该电源可以是简单的发电机、RAT、APU或配备有燃气轮机20的涡轮发电机(以虚线示出的其控制单元或FADEC 20A)。
根据本发明，通过包括三个调节回路的命令，通过受控的AC/DC整流器16，提供该混合动力推进系统中功率分配的控制，使得能够满足混合动力推进系统的所有额定值：基于HVDC母线VHVDC的电压测量的电压给定值Vref上的第一电压调节回路22，基于电池的功率测量Pbat的功率给定值Pref上的第二功率控制回路24，以及基于AC电源的电流Igen的测量的二次电流给定值Idref、Iqref上的第三局部电流调节回路26。
根据混合动力推进系统的额定值，选择性地使用电压和功率调节回路。因此，在用于HVDC DC母线12的预充电的启动时和无电池模式中(热额定值)使用电压调节，而功率调节用于混合额定值。根据期望额定值的这两种调节形式中的一种或另一种的选择由功率管理器28进行，该功率管理器28还输送电压给定值Vref。
请注意，通过从混合额定值中启用的功率调节模式改变为在热额定值或全电气额定值中启用的电压调节模式，由电源管理器28进行选择的两个调节回路22和24的存在使得能够非常简单地管理电池损耗或AC电源(例如，涡轮发电机)的损耗。
调节回路的输出端(电压或功率)产生一部分二次电流转矩给定值Iqref，其被发送到电流调节回路26，另一部分通量二次电流给定值Idref从通量管理模块30输出。该电流回路是单一的，并且在电压回路22和功率回路24的输出端使用，以同样地提供受控的AC/DC整流器16的矢量控制。后者是电压控制的，通过合适的转换模块32，二次电流必须转换为三相电压，就像来自AC电源的三相电流Igen一样，并且通过相应的转换模块34转换为二次电流Id、Iq。根据由合适的模块36提供的AC电源的位置，完成转换的同步。最后，调制模块38应用所需的矢量命令。
请注意，一旦由功率管理器28已经选择了额定值，就可以添加加法器40，以将电流给定值与电流值相加，该电流值等于它被发送到电流调节回路22中之前，负载10所消耗的功率的估计值。该电流值构成可选的负载补偿，其可以在合适的补偿模块42中从HVDC DC母线12的电流IHVDC的测量中被扣除。这允许有源整流器16更具有响应性，因此减轻电池14.
功率给定值Pref来自混合组件44，其功能是确定混合额定值，即，由电池提供的功率和由涡轮发电机提供的功率。该混合组件知道电池的充电状态Ebat和AC电压电源(涡轮发电机或其他)Egen可用的功率状态，因此，可以在合适的模块46、48中定义电池功率，以保证电池的充电状态和电池必须根据燃气轮机的供电能力(例如，在涡轮发电机的情况下)提供的功率，并且因此，在提供两者之间期望的功率分配。它还在阈值模块50中定义了电池的一些最小和最大功率阈值，例如，通过不要求它提供太多或太少的功率。如果在相同AC电压电源上有几个HDVC DC母线，则该混合组件还为每个HVDC DC母线分配每个HVDC DC母线的最小和最大功率。
图2和3示出了示例本发明方法的两个流程图。
在图2中，电池首先连接到HVDC DC母线，然后AC电源连接到HVDC DC母线，因此，已经由电池为HVDC DC母线预充电。更准确地，在第一步骤60中，执行电池14到HVDC DC母线12的预充电和连接。然后，在接下来的步骤62中，混合动力推进系统能够在负载电源额定值下运行。接着，在步骤64中，启动燃气轮机20。在接下来的步骤66中，存在电压调节模式下受控的AC/DC整流器16的电压的预充电，并且在步骤68中，仍然在电压调节模式下，存在对受控的AC/DC整流器16的电压的调节，达到与电池14电压相同的值。在接下来的步骤70中，一旦受控的AC/DC整流器16连接到HVDC DC母线12，则可以在最后的步骤72中，在功率调节模式下以混合额定值进行运行。
在图3中，AC电压电源首先连接到HVDC DC母线，然后电池连接到HVDC DC母线，因此，已经由该AC电压电源为该HVDC DC母线预充电。更准确地，在第一步骤80中，启动燃气轮机20，并且在步骤82中，受控的AC/DC整流器16连接到HVDC DC母线12。在接下来的步骤84中，存在电压调节模式下HVDC DC母线的电压的预充电，并且在步骤86中，仍然在电压调节模式，存在对受控的AC/DC整流器16的电压的调节，达到与电池14的电压相同的值。然后，在接下来的步骤88中，混合动力推进系统能够以热额定值运行。在步骤90中，一旦电池连接到HVDC DC母线，则可以在最后的步骤92中，在功率调节模式下以混合额定值运行。
因此，利用本发明，可以：
-通过限定什么功率来自于AC电压电源(例如，涡轮发电机)，以及什么功率来自电池，管理功率分配，并且通过检查实际上正在施用的由该分配限定的功率给定值来进行电源的控制，
-适应混合动力推进系统的不同额定值(热、电、混合)，
-适应两种电源的功率和能源供应能力以及电气负载(推进单元)的功率要求，
-提供可扩展的混合解决方案，其可以满足不同要求(串联混合、并联混合、全系统或部分系统、集中或隔离系统等)，并且跟上电池容量的变化，
-提供重量优化的混合解决方案，
-提供尽可能简单的混合解决方案(在模块数量、逻辑等方面)，
-优化可靠性。

Claims (8)

1.一种用于控制混合动力推进系统中功率分配的方法，该混合动力推进系统包括至少一个输送AC电压的电源和至少一个电池，该AC电压与受控的AC/DC整流器相关联，其中，受控的AC/DC整流器和电池各自直接地连接到为至少一个电气负载供电的HVDC DC母线，通过基于电池的测量功率的功率给定值上的调节回路，以及基于HVDC母线的测量电压的电压给定值上的调节回路，通过受控的AC/DC整流器独自地执行功率分配的控制，基于输送AC电压的电源的电流，这两个调节回路中的一个或另一个各自为调节回路输送二次电流给定值Idref和Iqref，其中，根据用于两个调节回路中一个的混合动力推进系统的混合额定值，以及用于两个调节回路中另一个的混合动力系统的热或启动的额定值中的一个，通过功率给定值或电压给定值上的两个调节回路中的一个或另一个，选择性地输送二次电流给定值Iqref。
2.如权利要求1所述的方法，其中，输送到调节回路的二次电流给定值Iqref预先与电流值相加，该电流值等于由所述至少一个电气负载所消耗的功率的估计值。
3.如权利要求1所述的方法，其中，由磁通管理模块输送二次电流给定值Idref。
4.如权利要求1所述的方法，其中，由功率管理器输送电压给定值，并且该电压给定值限定要被施加到至少一个电气负载的电压。
5.如权利要求1所述的方法，其中，由混合组件输送功率给定值，并且该功率给定值限定至少一个输送AC电压的电源和至少一个电池之间的期望功率分配。
6.一种用于控制电源和电池之间功率分配的装置，该电源输送与受控的AC/DC整流器相关联的AC电压，受控的AC/DC整流器和电池各自直接地连接到为至少一个电气负载供电的HVDC DC母线，其中，该装置被配置为通过基于电池的测量功率的功率给定值上的调节回路，以及基于HVDC母线的测量电压的电压给定值上的调节回路，通过受控的AC/DC整流器执行功率分配的控制，基于输送AC电压的电源的电流，这两个调节回路中的一个或另一个各自为调节回路输送二次电流给定值Idref和Iqref，其中，根据用于两个调节回路中一个的混合动力推进系统的混合额定值，以及用于两个调节回路中另一个的混合动力系统的热或启动的额定值中的一个，通过功率给定值或电压给定值上的两个调节回路中的一个或另一个，选择性地输送二次电流给定值Iqref，该混合动力推进系统包括至少一个输送AC电压的电源和至少一个电池，该AC电压与受控的AC/DC整流器相关联。
7.一种混合动力推进系统，其包括如权利要求6所述的用于控制电源和电池之间功率分配的装置。
8.一种VTOL垂直起降型航空器，其包括如权利要求7所述的混合动力推进系统。
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