楊樂，余海，周鑫

航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089

隨著多電、全電飛機(jī)的發(fā)展，機(jī)上電氣負(fù)載比重越來越大，電源功率需求也增大，電源的可靠性要求越來越高，因此，對(duì)于電源系統(tǒng)的驗(yàn)證過程更加嚴(yán)格。飛機(jī)電源系統(tǒng)的驗(yàn)證以往是通過地面試驗(yàn)、試飛等手段，耗費(fèi)資源多且周期長。若部分驗(yàn)證工作以數(shù)字化手段完成，所節(jié)省的資源和周期將相當(dāng)可觀。

數(shù)字化二期工程中提出“數(shù)字化性能樣機(jī)”的概念，即使用數(shù)字化手段建立由部件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)再到整機(jī)級(jí)的模型。最終的模型將會(huì)綜合機(jī)上所有的分系統(tǒng)以及所有的設(shè)備，必定是一個(gè)無比龐大的模型，對(duì)數(shù)字化平臺(tái)或者建模方法都是極大的挑戰(zhàn)。因此，提高平臺(tái)的可靠性和尋求高效的建模方法成為眾多工程師努力的方向。

目前，電源系統(tǒng)有基準(zhǔn)模型和功能模型兩種建模方法，本文以某型飛機(jī)為例，分別采用上述兩種方法對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果及仿真效率的對(duì)比分析，為電源系統(tǒng)仿真研究選取一種高效的建模方法。

1 電源系統(tǒng)及設(shè)備模型的選取

電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源系統(tǒng)分為三個(gè)主要部分：變頻交流主電源系統(tǒng)、直流二次電源系統(tǒng)和用電負(fù)載。變頻交流主電源為三相230V、360～720Hz的系統(tǒng)，單通道額定功率為120kVA。270V高壓直流二次電源有兩種：第一種是通過自耦變壓整流裝置（ATRU）將交流主匯流條提供的電信號(hào)變換為270V高壓直流電；第二種是通過變壓整流器（TRU）將交流主匯流條提供的電信號(hào)變換為28V直流電[1]。

考慮到ATRU作為典型的二次電源變換裝置，構(gòu)型相對(duì)復(fù)雜，啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)的沖擊效果明顯；而且高壓直流由于其易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供電、不存在趨膚效應(yīng)、電力線不存在電抗壓降等眾多優(yōu)點(diǎn)，無論是作為主電源或者二次電源，都是未來飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，因此，選取ATRU作為對(duì)比設(shè)備進(jìn)行建模。

ATRU輸入信號(hào)源為Y形連接的三相變頻交流電源，為了減少交流側(cè)輸入電流諧波，將整流電路進(jìn)行移相多重聯(lián)結(jié)，利用變壓器二次繞組接法的不同（Y-Y形和Y-Δ形），使兩組三相交流電源間錯(cuò)開30°，從而使輸出整流電壓Ud在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)12次。因此，整流部分也稱之為12脈波整流，ATRU原理如圖2所示。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition of electric power system

圖2 ATRU原理圖Fig.2 The schematic of ATRU

2 模型建立

2.1 基準(zhǔn)建模

根據(jù)圖2的原理圖，將ATRU設(shè)備變壓器部分拆解為三相獨(dú)立建模，原邊及副邊的電壓、電流參數(shù)等效為受控電壓源、電流源，得到ATRU的基準(zhǔn)模型，如圖3所示。

2.2 功能建模

將ATRU的基準(zhǔn)模型在與電網(wǎng)頻率同步旋轉(zhuǎn)的DQ參考坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分解得到靜止坐標(biāo)系下D軸和Q軸方向的分量[2]，交流電信號(hào)便可以表示為直流電壓和電流的關(guān)系式。在DQ參考坐標(biāo)系下分析電信號(hào)，可以消除諧波電壓和不對(duì)稱電壓的影響，容易實(shí)現(xiàn)基波和諧波的分離，理論上仿真的結(jié)果波形會(huì)更加穩(wěn)定。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，所有交流分量分解完成之后僅有D軸和Q軸方向的分量，原來的三相交流電源結(jié)構(gòu)就簡化成了兩個(gè)軸向上的單相模型，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上來說優(yōu)化了至少30%，在數(shù)字化仿真過程中，互感線圈以及受控電源都會(huì)大量消耗仿真的解算時(shí)間，因此，此類優(yōu)化極其必要。

將ATRU結(jié)構(gòu)模型中各電信號(hào)轉(zhuǎn)換到DQ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，分別得到D軸和Q軸方向的副邊電流表達(dá)式用式（1）表示，副邊電壓表達(dá)式用式（2）表示，原邊電流用式（3）表示，根據(jù)ATRU等效電路的數(shù)學(xué)模型建立功能模型如圖4所示。

圖3 ATRU基準(zhǔn)模型Fig.3 The ATRU benchmark model

圖4 ATRU功能模型Fig.4 The ATRU functional model

3 仿真結(jié)果

3.1 電源系統(tǒng)正常運(yùn)行

飛機(jī)電源系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，在t=0.02s時(shí)在自耦變壓整流器輸出端接入環(huán)境調(diào)節(jié)負(fù)載，運(yùn)行仿真，自耦變壓整流器電壓vHdc1的波形如圖5所示。

圖5 vHdc1的仿真波形Fig.5 Simulation waveform of vHdc1

3.2 電源系統(tǒng)非正常運(yùn)行

在飛機(jī)電源系統(tǒng)仿真過程中，模擬機(jī)上可能出現(xiàn)的各種工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的意義。斷開2號(hào)發(fā)電機(jī)開關(guān)，1號(hào)發(fā)電機(jī)向兩通道同時(shí)供電。其中，vACBUS1為1號(hào)交流主匯流條電壓，vACBUS2為2號(hào)交流主匯流條電壓。

在t=1.2s時(shí)，斷開GC2，GCU2控制接通AXTC，使1號(hào)發(fā)電機(jī)向2號(hào)通道供電。2號(hào)交流主匯流條電壓vACBUS2和1號(hào)交流主匯流條電壓vACBUS1的仿真波形如圖6所示。

圖6 vACBUS1和vACBUS2波形Fig.6 Simulation waveform of vACBUS1 and vACBUS2

4 仿真結(jié)果對(duì)比

4.1 仿真時(shí)間

仿真時(shí)間設(shè)置為2s，設(shè)置不同截?cái)嗾`差記錄系統(tǒng)仿真2s所需的時(shí)間，見表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，ATRU使用功能模型后，系統(tǒng)模型仿真同樣時(shí)間速度明顯加快，時(shí)間縮短20%以上。

仿真運(yùn)行速度加快的主要原因有兩方面：第一，模型簡化，解算內(nèi)容減少；第二，在DQ參考坐標(biāo)系下，諧波含量減少，交流分量可等效為直流分量解算，復(fù)雜度降低。

表1 不同截?cái)嗾`差下兩種模型的仿真時(shí)間對(duì)比Table1 The comparison table of time in different truncation errors

4.2 仿真波形

觀察電壓結(jié)果波形可以看出，無論是正常運(yùn)行狀態(tài)，還是非正常運(yùn)行狀態(tài)，兩種建模方法的仿真結(jié)果趨勢完全相同。但是功能模型由于DQ坐標(biāo)變換消除了電網(wǎng)中的大量諧波，因此，電壓幅值更加穩(wěn)定，沒有明顯的毛刺諧波，具體參數(shù)見表2。

表2 仿真結(jié)果對(duì)比Table2 The comparison table of simulation result

5 結(jié)束語

本文以某型號(hào)飛機(jī)簡化雙通道電源系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立該電源系統(tǒng)電網(wǎng)模型，將其中二次電源裝置ATRU分別建立功能模型與基準(zhǔn)模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真。在功能和性能方面比對(duì)仿真結(jié)果，功能建模方法至少在三個(gè)方面優(yōu)于基準(zhǔn)建模：第一，仿真速度上更快；第二，仿真結(jié)果更加穩(wěn)定；第三，諧波含量更小。