楊文俊

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

直升機(jī)供電系統(tǒng)要向用電設(shè)備提供電能，必須具有電能產(chǎn)生與變換和電能傳輸與分配的功能。實現(xiàn)電能產(chǎn)生與變換的環(huán)節(jié)與設(shè)施稱為電源系統(tǒng)；而實現(xiàn)電能傳輸與分配功能的環(huán)節(jié)與設(shè)施則稱為輸配電系統(tǒng)。直升機(jī)上，由于電能傳輸?shù)穆窂蕉蹋话銓⑵漭斉潆娤到y(tǒng)簡稱為配電系統(tǒng)。

直升機(jī)電源系統(tǒng)傳統(tǒng)上采用低壓直流電源體制。在低壓直流電源體制下，主電源主要是有刷直流起動發(fā)電機(jī)，二次電源為28VDC轉(zhuǎn)115V/400Hz的靜止變流器，應(yīng)急電源為蓄電池。有刷直流電機(jī)電壓一般為28V，最大容量一般為12kW。受電刷制約，其容量和電壓等級均難以進(jìn)一步提高，且可靠工作高度有限，壽命較短，效率低，使用維護(hù)不便。中型、大型直升機(jī)的電功率較大，一般采用交直流混合電源體制。在交直流混合電源體制下，主電源主要包含有刷直流起動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和大容量無刷交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，起動發(fā)電機(jī)用于起動發(fā)動機(jī)和向低壓直流負(fù)載供電，交流發(fā)電機(jī)向大功率負(fù)載供電，蓄電池向關(guān)鍵負(fù)載提供應(yīng)急電能。交流電源體制下，主電源提供近似于115V/400Hz的窄變頻交流電，二次電源為115V/400Hz轉(zhuǎn)28VDC的變壓整流器，提供氣源的輔助動力裝置可裝備輔助發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，構(gòu)成輔助電源，應(yīng)急電源仍為蓄電池。交流電源體制能夠適應(yīng)直升機(jī)對大功率電能的需求，但是仍存在一些缺陷，如對供電頻率的要求限制了發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。隨著直升機(jī)電功率需求的進(jìn)一步提高，需要配備容量更大的發(fā)電機(jī)，而直升機(jī)上發(fā)電機(jī)的安裝空間狹小，難以滿足這一發(fā)展需要。同時機(jī)載交流電源無法并聯(lián)運行，無法實現(xiàn)如同直流電源那樣的不間斷供電。

270V高壓直流電源是當(dāng)前機(jī)載電源系統(tǒng)的發(fā)展方向，高壓直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不再受發(fā)電頻率限制，能夠以更高的轉(zhuǎn)速運行，實現(xiàn)更高的功率密度，可減小大功率電源系統(tǒng)的體積重量，且采用無刷化設(shè)計，工作可靠性高，發(fā)電效率高。高壓直流電源可并聯(lián)運行，易于實現(xiàn)不中斷供電，滿足關(guān)鍵飛行負(fù)載對供電可靠性的要求。高壓直流電源對非線性負(fù)載的適應(yīng)性更好，同時電纜更輕，有助于降低系統(tǒng)整體的重量。美國RAH-66科曼奇武裝直升機(jī)采用270V高壓直流供電系統(tǒng)，主電源為兩臺30kW的高壓直流發(fā)電機(jī)，輔助電源為1臺30kW的高壓直流發(fā)電機(jī)，二次電源為變流器和DC/DC變換器，顯著地改善了直升機(jī)綜合作戰(zhàn)性能。隨著直升機(jī)任務(wù)需求的多樣化，機(jī)載任務(wù)設(shè)備急劇增加，對機(jī)載供電系統(tǒng)的容量和功率密度都提出了更高的要求。因此，為了滿足新一代直升機(jī)機(jī)載設(shè)備的供電需求，開展高壓直流供電系統(tǒng)的研究具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)型

為滿足余度供電的要求，必須具有余度電源以及正確的控制策略，從而保證供電系統(tǒng)在故障發(fā)生時能夠自動將故障切除和隔離，并將電能輸送到需要供電的負(fù)載，而具有容錯能量的供電系統(tǒng)構(gòu)型是實現(xiàn)以上目的的基礎(chǔ)。

高壓直流供電系統(tǒng)中采用直流發(fā)電機(jī)作為主電源，易于實現(xiàn)與蓄電池并聯(lián)供電，消除開關(guān)動作引起的延遲，工作可靠，保證供電連續(xù)性。同時各匯流條之間由可控接觸器相互連接，便于實現(xiàn)故障隔離，能夠進(jìn)行電源切換，對電網(wǎng)的功率流向進(jìn)行重構(gòu)，容錯能力較高。

（1）一次電源：主電源為兩臺直流發(fā)電機(jī)G1和G2，輔助電源為輔助動力裝置APU發(fā)電機(jī)，應(yīng)急電源為28V蓄電池。

（2）二次電源：直流變換器（DC/DC1、DC/DC2） 將 270V高壓直流電轉(zhuǎn)為28V低壓直流電。

（3）供電通道：為了實現(xiàn)余度供電，供電系統(tǒng)中存在兩個獨立的供電通道。兩通道之間通過兩個接觸器（BTB3、BTB4）相互連接，正常工作狀態(tài)下兩個接觸器均斷開，從而保證兩個主電源獨立為兩個不并聯(lián)的通道供電。

2 高壓直流供電系統(tǒng)控制策略

為保證高壓直流供電系統(tǒng)能夠可靠供電，設(shè)計高壓直流供電系統(tǒng)工作邏輯如下：

（1）直升機(jī)在正常工作狀態(tài)下，由左右發(fā)電機(jī)提供電能。1號發(fā)電機(jī)G1向270V左匯流條供電，2號發(fā)電機(jī)G2向270V右匯流條供電。雙發(fā)供電時，通過電源控制板給GCU1和GCU2發(fā)送控制信號，GB1和GB2接觸器在接收到GCU1和GCU2的控制信號后接通，BPCU1控制接觸器BTB1和BTB2，由G1和G2分別向270V左匯流條和270V右匯流條供電，再由270V左匯流條和270V右匯流條供電向270V應(yīng)急匯流條供電。輔助電源APU和地面電源EXP不工作，APUB，EXPB均斷開。

（2）單發(fā)故障：當(dāng)直升機(jī)上單臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時，供電模式進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換，兩臺發(fā)電機(jī)相互備份供電。當(dāng)1號發(fā)電機(jī)G1故障時，接觸器GB1斷開，將1號發(fā)電機(jī)G1與電網(wǎng)隔離。GCU2控制GB2接通，2號發(fā)電機(jī)G2向270V右匯流條供電，BPCU1控制BTB1和BTB2，向270V應(yīng)急匯流條和270V左匯流條供電；當(dāng)2號發(fā)電機(jī)G2故障時，接觸器GB2斷開，將2號發(fā)電機(jī)G2與電網(wǎng)隔離。GCU1控制GB1接通，1號發(fā)電機(jī)G1向270V左匯流條供電，BPCU1控制BTB1和BTB2，向270V應(yīng)急匯流條和270V右匯流條供電。

（3）雙發(fā)故障：當(dāng)直升機(jī)上兩臺發(fā)電機(jī)G1，G2均發(fā)生故障時，接觸器GB1，GB2均斷開，將兩臺故障的發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)中切除隔離。接觸器APUB接通，由APU發(fā)電機(jī)向270V應(yīng)急匯流條供電，由BPCU1控制BTB1和BTB2向270V左匯流條和270V右匯流條供電。由于APU的額定功率一般小于主發(fā)的額定功率和，此時應(yīng)當(dāng)合理切除部分負(fù)載。

（4）地面電源供電：主發(fā)均不運作，地面通電時，通過電源控制板給外電源監(jiān)控器（EPU）發(fā)送控制信號，一次配電中心中的EXPB接觸器在接收到EPU的控制信號后接通，由EXP向270V應(yīng)急匯流條供電。由BPCU1控制BTB1和BTB2向270V左匯流條和270V右匯流條供電。

3 系統(tǒng)仿真與分析驗證

■3.1 系統(tǒng)建模

根據(jù)圖1的高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)型，在MATLAB/SIMULINK平臺上搭建高壓直流供電系統(tǒng)仿真模型。

圖1 高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)型

圖2 高壓直流供電系統(tǒng)模型圖

■3.2 供電系統(tǒng)處于正常狀態(tài)

根據(jù)以上建立的仿真模型，對高壓直流供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試。270V匯流條、28V匯流條電壓波形如圖3所示。0至0.1s，270V匯流條電壓幾乎為零，0.1s后開始上升，在0.12s時電壓達(dá)到最大值380V，0.32s后電壓穩(wěn)定達(dá)到額定值270V。0至0.15s，28V匯流條電壓幾乎為零，0.15s后開始上升至28V，并保持穩(wěn)定。

圖3 270V匯流條、28V匯流條電壓波形

■3.3 供電系統(tǒng)處于故障狀態(tài)

設(shè)定如下故障情況：0至0.5s，發(fā)電機(jī)G1、G2正常工作；0.5至0.8s時，G1故障，G2正常工作；0.8s之后G1和G2均故障。如圖4所示，約0.3s以后270V左、右匯流條電壓均達(dá)到額定電壓270V，0.5s時G1故障，無法為左側(cè)供電通道中的負(fù)載供電，由于負(fù)載功率較大，無法維持電壓在正常范圍內(nèi)，270V左匯流條迅速失電。經(jīng)50ms延時后BTB1閉合，由APUG為左側(cè)通道負(fù)載供電。但由于APUG此時為加載狀態(tài)，故270V左匯流條上的電壓出現(xiàn)較大波動，經(jīng)過調(diào)節(jié)后迅速穩(wěn)定。0.8s時G2故障，270V右匯流條迅速失電，此時雙發(fā)故障，供電系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。經(jīng)50ms延時后BTB3閉合，APUG為左右兩側(cè)通道負(fù)載供電。此時270V右匯流條上的電壓出現(xiàn)較大波動，經(jīng)過調(diào)節(jié)后迅速穩(wěn)定。由于APUG的輸出功率有限，必須切除左側(cè)供電通道的一部分負(fù)載，導(dǎo)致270V左匯流條電壓也出現(xiàn)波動。

圖4 發(fā)電機(jī)故障下的270V左、右匯流條電壓波形

4 小結(jié)

本文提出了一種高壓直流供電系統(tǒng)的構(gòu)型，并設(shè)計其控制策略，在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行部件建模并搭建系統(tǒng)，對故障下供電系統(tǒng)的重構(gòu)過程進(jìn)行仿真，供電系統(tǒng)能夠按照預(yù)設(shè)指令進(jìn)行故障處理，滿足預(yù)設(shè)要求。