張卓然，許彥武，于立，李進(jìn)才，夏一文

南京航空航天大學(xué) 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106

多電飛機(jī)利用電能作為統(tǒng)一的二次能源形式驅(qū)動(dòng)機(jī)載設(shè)備，逐步取代傳統(tǒng)飛機(jī)上的氣壓能、液壓能和機(jī)械能[1-3]。全電飛機(jī)在多電飛機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將二次能源乃至一次能源完全統(tǒng)一為電能[4-6]。相比于傳統(tǒng)飛機(jī)，多電飛機(jī)具有更高的能源利用效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，并可減少污染排放，簡(jiǎn)化地勤維護(hù)[7]。目前，多電技術(shù)已在空客A380、波音B787和洛克希德·馬丁公司F-35等型號(hào)飛機(jī)上獲得了驗(yàn)證和應(yīng)用，充分展示了多電飛機(jī)技術(shù)的優(yōu)越性和巨大潛力[8-9]。

在低壓直流供電系統(tǒng)和恒頻交流供電系統(tǒng)相繼獲得成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上，寬變頻交流(VFAC)和高壓直流(HVDC)供電系統(tǒng)成為飛機(jī)機(jī)載供電系統(tǒng)發(fā)展的新方向。高壓直流供電系統(tǒng)具有容量大、重量輕、效率高、簡(jiǎn)化航電設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)化地勤維護(hù)、可靠性高和電磁兼容性能好等突出優(yōu)勢(shì)[10]。目前，高壓直流供電系統(tǒng)已經(jīng)在F-22、F-35和RAH-66等多款先進(jìn)軍機(jī)上作為主電源得到了應(yīng)用[11]。波音B787客機(jī)雖然采用了230 V寬變頻交流供電系統(tǒng)作為總體架構(gòu)，但實(shí)際上有近一半的供電功率通過自耦變壓整流器(ATRU)轉(zhuǎn)換為270 V高壓直流電，并通過高壓直流母線進(jìn)行分配和使用[12]。同時(shí)，如果對(duì)防除冰、廚房設(shè)備等現(xiàn)有交流系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造，即可實(shí)現(xiàn)72.4%的機(jī)載功率直接由高壓直流提供[12]。高壓直流供電已成為多電飛機(jī)電源的主要形式和發(fā)展方向。

在多電/全電飛機(jī)中，高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)可以獲得更加充分的發(fā)揮。首先，飛機(jī)的多電/全電化意味著更高的機(jī)載電氣功率。高壓直流供電系統(tǒng)可以提供更大的容量，滿足日益增長(zhǎng)的負(fù)載功率需求。其次，高壓直流供電系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化調(diào)速電機(jī)、電作動(dòng)器(EMA)/電液作動(dòng)器(EHA)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)，更加適應(yīng)多電/全電負(fù)載特性。第三，高壓直流供電系統(tǒng)具備更高的效率和更輕的重量，有助于進(jìn)一步提高多電/全電飛機(jī)的系統(tǒng)效率，減少能源的消耗和污染的排放。

理論上，高壓直流供電系統(tǒng)的另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)是易于多通道電源并聯(lián)。大型飛機(jī)上通常配置有多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)與相應(yīng)的發(fā)電機(jī)，部分型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝有多臺(tái)發(fā)電機(jī)。有些飛機(jī)上還安裝有輔助動(dòng)力裝置(APU)發(fā)電機(jī)。多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)，可以更加有效利用機(jī)載電源，擴(kuò)充電網(wǎng)容量，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)不中斷供電。另外，高壓直流電源的并聯(lián)運(yùn)行也更利于滿足激光武器等高能機(jī)載裝備脈沖功率負(fù)載的需求。

然而，飛機(jī)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的運(yùn)行原理和特性、并聯(lián)控制策略、控制保護(hù)邏輯以及非線性負(fù)載下穩(wěn)定性判據(jù)等問題相比單通道供電系統(tǒng)有很大不同，且更加復(fù)雜，尚沒有系統(tǒng)深入的研究與實(shí)踐，成為高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)在多電/全電飛機(jī)上應(yīng)用的瓶頸。

本文以飛機(jī)多電/全電化為背景，圍繞高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與研究。分析了高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，討論了高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和問題。提出并研究基于新型雙凸極無刷直流電機(jī)的并聯(lián)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的均流控制，針對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，以期為探索實(shí)現(xiàn)下一代飛機(jī)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)提供參考。

1 高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)

1.1 高壓直流供電系統(tǒng)

飛機(jī)供電系統(tǒng)總體可以劃分為直流供電系統(tǒng)和交流供電系統(tǒng)兩大類(以及2種結(jié)合的混合供電系統(tǒng))。直流供電系統(tǒng)可以分為28 V直流供電系統(tǒng)為代表的低壓直流供電系統(tǒng)和270 V直流供電系統(tǒng)為代表的高壓直流供電系統(tǒng)。交流供電系統(tǒng)可以分為115 V/400 Hz交流供電系統(tǒng)為代表的恒頻交流供電系統(tǒng)和230 V/360～800 Hz交流供電系統(tǒng)為代表的變頻交流供電系統(tǒng)。

飛機(jī)高壓直流供電系統(tǒng)一般采用270 V/540 V直流電壓作為標(biāo)準(zhǔn)。高壓直流供電系統(tǒng)突破了交流供電系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)頻率的約束，發(fā)電機(jī)可工作于更高轉(zhuǎn)速?gòu)亩嵘β拭芏?，另外，性能?yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在對(duì)饋線壓降的抑制和對(duì)趨膚效應(yīng)的規(guī)避。高壓直流供電系統(tǒng)大幅消除了線路交流阻抗損耗，線路壓降明顯小于三相115/200 V交流供電系統(tǒng)，因此在高壓直流供電系統(tǒng)中，機(jī)載用電設(shè)備供電品質(zhì)的一致性較好，避免了遠(yuǎn)離發(fā)電機(jī)的設(shè)備供電電壓大幅降低等問題。高壓直流供電系統(tǒng)規(guī)避了趨膚效應(yīng)，相比于交流供電系統(tǒng)，具有更好的輸電質(zhì)量。由于規(guī)避了趨膚效應(yīng)，電流密度在導(dǎo)線內(nèi)均勻分布，在輸電電流相同時(shí)，高壓直流供電系統(tǒng)可采用更細(xì)的導(dǎo)線，節(jié)約更多的導(dǎo)線材料，并降低整個(gè)輸電網(wǎng)絡(luò)的重量。

高壓直流供電系統(tǒng)可以大幅度降低輸配電網(wǎng)的重量。由于高壓直流供電系統(tǒng)采用了雙線制或單線制(金屬機(jī)殼作為地線)，與交流供電系統(tǒng)的三相四線制相比，大幅度減輕了線纜重量。采用高壓直流供電系統(tǒng)還可取消恒頻交流供電系統(tǒng)復(fù)雜的恒速傳動(dòng)裝置，簡(jiǎn)化發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、減輕發(fā)電系統(tǒng)重量。

高壓直流供電系統(tǒng)有較高的可靠性。美國(guó)海軍一項(xiàng)研究表明，如果用高壓直流供電系統(tǒng)取代F-18戰(zhàn)斗機(jī)所采用的變速恒頻供電系統(tǒng)，則可靠性可提升至大約2倍[10]。高壓直流供電系統(tǒng)中集中式的整流有利于提升變換效率和散熱效率，還可以通過與發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)共用油冷系統(tǒng)提高散熱效率。高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在簡(jiǎn)化航電設(shè)計(jì)、提升對(duì)操作者的安全性、降低電磁輻射。高壓直流供電系統(tǒng)的另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)是易于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。相比于交流并聯(lián)供電系統(tǒng)，高壓直流供電系統(tǒng)中電源的并聯(lián)無需考慮頻率和相位的匹配問題。

1.2 高壓直流供電系統(tǒng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

高壓直流供電系統(tǒng)已經(jīng)在F-22和F-35等多種機(jī)型中獲得了應(yīng)用，其突出性能獲得了驗(yàn)證。

F-22采用270V高壓直流供電系統(tǒng)，主電源為2臺(tái)65 kW高壓直流發(fā)電機(jī)，2臺(tái)發(fā)電機(jī)不并聯(lián)，互為備份。二次電源采用了2臺(tái)6 kVA的變流器和4臺(tái)2.1 kW的270 V-28 V直-直變換器，輔助電源為輔助動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)的一臺(tái)22 kW高壓直流發(fā)電機(jī)。

在F-35上，高壓直流供電系統(tǒng)和多項(xiàng)多電飛機(jī)技術(shù)都得到了應(yīng)用。F-35供電系統(tǒng)如圖1所示[11]。F-35搭載了一臺(tái)雙路獨(dú)立輸出的高壓直流起動(dòng)發(fā)電機(jī)，每路輸出為80 kW。應(yīng)急電源為80 kW高壓直流應(yīng)急電源。二次電源部分則包含了兩臺(tái)4.5 kVA容量的270 V-28 V DC/DC變換器和一臺(tái)5.4kVA的270V DC-115V AC逆變器。機(jī)載設(shè)備多采用270 V高壓直流直接驅(qū)動(dòng)，還采用了電液作動(dòng)器系統(tǒng)等典型的多電負(fù)載。從電氣系統(tǒng)角度，F(xiàn)-35飛機(jī)充分體現(xiàn)了高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖1 F-35供電系統(tǒng)示意圖[11]

B787客機(jī)上445 kW的230 V變頻交流供電功率經(jīng)過自耦變壓整流器轉(zhuǎn)換，通過高壓直流母線分配至負(fù)載。其中，40 kW用于液壓系統(tǒng)，40 kW用于冷卻系統(tǒng)，32 kW用于環(huán)控系統(tǒng)的風(fēng)扇，320 kW用于環(huán)控系統(tǒng)的客艙增壓[12]。

1.3 低壓直流與交流并聯(lián)供電系統(tǒng)

大型飛機(jī)通常配置多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均安裝有一臺(tái)甚至多臺(tái)發(fā)電機(jī)。多發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行可以有效擴(kuò)充系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)供電可靠性。20世紀(jì)40年代，底特律愛迪生公司在詳細(xì)分析飛機(jī)供電系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了由多臺(tái)交流發(fā)電機(jī)組成的交流并聯(lián)供電系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了定量的分析[13]。GE公司則提出一種模擬電壓調(diào)節(jié)裝置和一種模擬電流均衡器，成功實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的400 Hz發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電系統(tǒng)[14]。GE公司[15]和美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室[16]還針對(duì)400 Hz并聯(lián)系統(tǒng)的故障分析展開了研究。波音B747-400的供電系統(tǒng)中，4臺(tái)發(fā)電機(jī)可以并聯(lián)運(yùn)行，也可以各發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的2臺(tái)發(fā)電機(jī)分別并聯(lián)運(yùn)行，還可以4臺(tái)發(fā)電機(jī)分別獨(dú)立運(yùn)行。波音B747-400采用的分裂并聯(lián)的400 Hz交流架構(gòu)提高了供電系統(tǒng)靈活性和可靠性。

圖2 2臺(tái)400 Hz交流發(fā)電機(jī)構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)[14]

20世紀(jì)40年代，GE公司進(jìn)行了低壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的研發(fā)，采用了炭片式電壓調(diào)節(jié)器，并實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)并聯(lián)發(fā)電機(jī)之間的電流均衡，如圖3所示[17]。對(duì)均流中的不平衡、發(fā)電機(jī)組的退出等工況進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的控制手段。對(duì)低壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的伏安特性、動(dòng)態(tài)特性和短路特性進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)。

圖3 4臺(tái)28 V直流發(fā)電機(jī)構(gòu)成的并聯(lián)供電系統(tǒng)[17]

低壓直流供電系統(tǒng)存在著容量難以提升的固有不足；恒頻交流供電系統(tǒng)需要恒速傳動(dòng)裝置或者復(fù)雜的頻率變換器，并且并聯(lián)過程中需要保證參與并聯(lián)的電源之間頻率、相位相同；變頻交流供電系統(tǒng)則難以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。因此，相比而言，高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)從飛機(jī)供電系統(tǒng)容量和供電可靠性角度具有重要優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

1.4 高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)

高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)是將多臺(tái)高壓直流電源連接至共同的高壓直流匯流條，由參與并聯(lián)的多臺(tái)高壓直流電源共同承擔(dān)負(fù)載功率。其中，高壓直流主電源，即高壓直流主發(fā)電機(jī)的并聯(lián)最為重要。盡管具備上述諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但一方面關(guān)鍵技術(shù)尚待研究與驗(yàn)證，另一方面受傳統(tǒng)飛機(jī)電氣負(fù)載的實(shí)際需求所限，尚未見現(xiàn)役機(jī)型采用大功率高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)。

德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)的學(xué)者提出了一種包含2臺(tái)高壓直流電源的并聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)架，如圖4所示[18]。實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)高壓軸起動(dòng)發(fā)電機(jī)和一臺(tái)低壓軸發(fā)電機(jī)的并聯(lián)，并利用主從控制方法進(jìn)行了均流控制。

圖4 起動(dòng)發(fā)電機(jī)與發(fā)電機(jī)并聯(lián)的高壓直流供電系統(tǒng)[18]

諾丁漢大學(xué)的學(xué)者基于永磁發(fā)電機(jī)(PMG)構(gòu)建了高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)，如圖5所示[19]。采用獨(dú)立控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了均流精度的提高，減小了線路損耗。利用交流電源加3臺(tái)可控整流器替代發(fā)電機(jī)系統(tǒng)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了均流控制效果。在驗(yàn)證了均流控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。

圖5 多臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)系統(tǒng)[19]

在多臺(tái)永磁起動(dòng)發(fā)電機(jī)(PMSG)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中，永磁起動(dòng)發(fā)電機(jī)通過可控整流器連接至直流母線，如圖6所示[20]。對(duì)比了多臺(tái)發(fā)電機(jī)下垂控制和主從控制方法的控制效果。通過仿真研究了負(fù)載變化過程中的母線電壓波動(dòng)情況，驗(yàn)證了主從控制能在負(fù)載變化時(shí)獲得更好的均流效果和母線電壓調(diào)節(jié)精度。

圖6 多臺(tái)永磁起動(dòng)發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)系統(tǒng)[20]

南京航空航天大學(xué)的學(xué)者分別對(duì)三級(jí)式發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)[21]和開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)[22]展開了研究。驗(yàn)證了平均值均流控制方法在穩(wěn)態(tài)和投入并聯(lián)、退出并聯(lián)、突加突卸負(fù)載等瞬態(tài)過程中的特性。

多臺(tái)高壓直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的優(yōu)點(diǎn)包括：

1) 提高容錯(cuò)性能：多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電可以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的不中斷供電。某臺(tái)電機(jī)故障時(shí)可迅速退出并聯(lián)并將負(fù)載分配至其他并聯(lián)發(fā)電機(jī)。

2) 提高供電容量：采用并聯(lián)供電系統(tǒng)可以突破單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量限制，擴(kuò)大供電系統(tǒng)容量。

3) 優(yōu)化動(dòng)態(tài)特性：并聯(lián)運(yùn)行擴(kuò)充了系統(tǒng)的容量。因此在面對(duì)相同大小的擾動(dòng)時(shí)，如相同功率的負(fù)載變化過程和相同的轉(zhuǎn)速變化過程，并聯(lián)系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

4)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：通過多臺(tái)電源的并聯(lián)運(yùn)行，減小源端阻抗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性提升。

5)降低熱負(fù)荷：通過并聯(lián)運(yùn)行提升了對(duì)大功率負(fù)載、脈沖式負(fù)載的包容性，減少發(fā)電機(jī)滿載和過載工況，降低熱負(fù)荷。同時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行使系統(tǒng)吸收回饋能量的能力增強(qiáng)，進(jìn)一步降低了廢熱排放。

多臺(tái)高壓直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的要求包括：

1) 參與并聯(lián)的多臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電壓應(yīng)當(dāng)極性一致、幅值相近。

2) 參與并聯(lián)的多臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電流應(yīng)當(dāng)與發(fā)電機(jī)額定容量成正比。

3) 并聯(lián)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性仍應(yīng)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4) 完善的投入并聯(lián)和退出并聯(lián)控制方法，減小發(fā)電機(jī)的投入和退出對(duì)系統(tǒng)的影響。

5) 應(yīng)有完善可靠的控制保護(hù)邏輯，以適應(yīng)并聯(lián)供電系統(tǒng)的可靠供電和匯流條轉(zhuǎn)換需求。

2 高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的研究目前仍處于起步階段，研究主要圍繞以下關(guān)鍵技術(shù)展開：① 并聯(lián)供電系統(tǒng)的構(gòu)架；② 并聯(lián)電源的均流控制；③ 并聯(lián)供電系統(tǒng)的故障模式分析與保護(hù)策略；④ 并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法；⑤ 能量回饋與能量綜合管理。

2.1 并聯(lián)供電系統(tǒng)架構(gòu)

高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中包含參與并聯(lián)的多臺(tái)電源設(shè)備。對(duì)不同架構(gòu)拓?fù)涞姆治龊蛯?duì)比，是保證并聯(lián)供電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮的先決條件。文獻(xiàn)[23]以115 V/400 Hz恒頻交流供電系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，對(duì)比了115 V/360-800 Hz變頻交流與270 V高壓直流混合供電系統(tǒng)、230 V/360-800 Hz變頻交流與±270 V高壓直流混合供電系統(tǒng)以及包含兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)的±270 V純高壓直流供電系統(tǒng)。采用第四種±270 V純高壓直流供電系統(tǒng)可以更加方便地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，降低重量，提高穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[24]進(jìn)一步針對(duì)4臺(tái)高壓直流發(fā)電機(jī)組成的并聯(lián)供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開展對(duì)比研究。多層拓?fù)渫ㄟ^4條匯流條分級(jí)依次連接4臺(tái)發(fā)電機(jī)；雙層拓?fù)湎葍蓛刹⒙?lián)2臺(tái)發(fā)電機(jī)，再并聯(lián)左右匯流條；單層拓?fù)涫抢靡粭l總匯流條連接所有發(fā)電機(jī)；環(huán)形拓?fù)鋭t是將單層拓?fù)涞目倕R流條兩端相接，形成環(huán)形架構(gòu)。通過對(duì)比分析，提出環(huán)形拓?fù)涫墙Y(jié)構(gòu)復(fù)雜度適中、可靠性較高的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，較為適應(yīng)多臺(tái)高壓直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成的供電系統(tǒng)。

與分裂結(jié)構(gòu)的供電系統(tǒng)相比，高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中參與并聯(lián)的電源較多，饋線穿越整個(gè)飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，因此具有更加復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)構(gòu)架的設(shè)計(jì)和選擇，需要充分結(jié)合供電系統(tǒng)的性能指標(biāo)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體外形、電氣負(fù)載特性與配置、控制保護(hù)邏輯可行性等因素進(jìn)行綜合考慮。

2.2 均流控制

飛機(jī)供電系統(tǒng)中每臺(tái)發(fā)電機(jī)都受到相應(yīng)的發(fā)電機(jī)控制器(GCU)的控制。供電系統(tǒng)中的匯流條功率控制器(BPCU)則具有更高的控制權(quán)限，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的管理。在高壓直流供電系統(tǒng)中，匯流條功率控制器可以充當(dāng)控制中心的角色，因此適合采用集中式均流控制。

參與并聯(lián)的電源種類和型號(hào)可能存在不同，相同型號(hào)的電源由于性能參數(shù)漂移、工況不同也會(huì)呈現(xiàn)出不同的外特性。在這些電源參與并聯(lián)時(shí)，如果不增加額外的控制，會(huì)引起各個(gè)電源承擔(dān)的負(fù)載不相同，甚至?xí)?dǎo)致一些電源承擔(dān)了全部負(fù)載，而其他電源空載的極端情況。輸出電流的不均衡會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱和壽命的失衡，也會(huì)影響系統(tǒng)性能的發(fā)揮。因此，在高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中還必須增加均流控制，保證參與并聯(lián)的電源按照額定功率所占比例輸出電流。

常用的均流控制方法包括主從控制、最大值控制和平均值控制等。主從控制是從參與并聯(lián)的電源中選取一臺(tái)電源作為主電源，其他電源以主電源的輸出電流作為輸出電流參考值。最大值控制則是以輸出電流最大值作為其他電源的輸出電流參考值。平均值控制計(jì)算各個(gè)電源輸出電流平均值，并以此作為所有電源的輸出電流參考值。

在高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中，一方面需要考慮均流控制的精度，另一方面需要考慮均流控制的容錯(cuò)性能，保證在并聯(lián)電源故障退出等情況下的正常均流控制。

2.3 故障模式和保護(hù)策略

高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)多臺(tái)電源并聯(lián)運(yùn)行，這些電源在控制和電氣上相互連接。在發(fā)生故障后如果不進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)，很容易引起故障的擴(kuò)大和蔓延，進(jìn)而威脅整個(gè)機(jī)載供電系統(tǒng)的安全。另一方面，由于并聯(lián)電源的輸出在電氣上相互連接，共用母線電壓信號(hào)，為故障發(fā)生后的故障定位帶來困難。

需要對(duì)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行梳理，并通過分析故障模式采取相應(yīng)的保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)并聯(lián)供電系統(tǒng)故障的抑制和保護(hù)。

文獻(xiàn)[24]分別分析了單臺(tái)三級(jí)式高壓直流發(fā)電機(jī)和由多臺(tái)三級(jí)式發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的故障模式和故障現(xiàn)象。并根據(jù)故障現(xiàn)象提出了相應(yīng)的故障保護(hù)方法。

針對(duì)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的故障模式和保護(hù)邏輯的研究是保障高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行和發(fā)揮效能的關(guān)鍵。目前，對(duì)該方面的研究仍然處于起步階段。

2.4 穩(wěn)定性分析

多電飛機(jī)中調(diào)速電機(jī)類負(fù)載、電力電子變換器負(fù)載和電作動(dòng)器等恒功率負(fù)載(CPL)的大量應(yīng)用，使得高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)面臨著穩(wěn)定性問題。在高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中，由于負(fù)載種類繁雜，負(fù)載數(shù)量的增加，造成系統(tǒng)級(jí)建模和分析更加困難，為系統(tǒng)穩(wěn)定性分析帶來巨大挑戰(zhàn)。

目前常用的穩(wěn)定性分析方法主要包括小信號(hào)分析方法和大信號(hào)分析方法。

小信號(hào)分析方法是對(duì)非線性的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，用于分析小信號(hào)干擾下的穩(wěn)定性問題。小信號(hào)分析方法建立在阻抗模型的基礎(chǔ)上，主要依據(jù)Middlebrook準(zhǔn)則、Opposing Argument準(zhǔn)則、ESAC準(zhǔn)則、幅值裕度和相角裕度準(zhǔn)則、三階段阻抗準(zhǔn)則等[25]。

大信號(hào)分析方法則建立在李雅普諾夫判據(jù)的基礎(chǔ)上，采用非線性的模型分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)大信號(hào)擾動(dòng)下的穩(wěn)定性分析。常用的大信號(hào)穩(wěn)定性分析方法包括TS方法、反向軌跡跟蹤方法、BDQLF方法和Brayton-Moser方法[25]。

2.5 能量回饋與能量綜合管理

多電飛機(jī)中非線性和恒功率負(fù)載將會(huì)不斷增多，因此需要充分重視對(duì)電機(jī)類負(fù)載的能量回饋和管理，以提升系統(tǒng)的能量利用率和效率，減少?gòu)U熱和排放。

文獻(xiàn)[26]中研究了利用發(fā)電機(jī)直接吸收負(fù)載回饋能量的技術(shù)。如圖7所示，負(fù)載直接將制動(dòng)能量回饋至高壓直流母線，并通過發(fā)電機(jī)的雙向變換器吸收?；裟犴f爾公司則針對(duì)多臺(tái)發(fā)電機(jī)組成的高壓直流供電系統(tǒng)的能量回饋開展了研究，提出了如圖8所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[27]。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)的高壓直流供電系統(tǒng)能夠提升應(yīng)對(duì)峰值功率的能力，還可以通過發(fā)電機(jī)的雙向變換器吸收負(fù)載能量回饋產(chǎn)生的多余能量，保持母線電壓的穩(wěn)定[28]。該方案的核心技術(shù)包括發(fā)電機(jī)的雙向變換器和發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的直驅(qū)。

圖7 負(fù)載回饋能量直接返回直流母線[26]

圖8 提高峰值功率容量和實(shí)現(xiàn)能量回饋管理的拓?fù)鋄27]

高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)通過多臺(tái)電源并聯(lián)運(yùn)行，擴(kuò)充了系統(tǒng)容量，從而為更大功率的回饋能量吸收提供了有利條件。

3 新型雙凸極直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 雙凸極無刷直流電機(jī)并聯(lián)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

目前常用的和具備潛力的航空發(fā)電機(jī)主要包括三級(jí)式發(fā)電機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)(DSEG)等。永磁發(fā)電機(jī)的功率密度較大，但不易實(shí)現(xiàn)故障滅磁；三級(jí)式發(fā)電機(jī)的安全性較高，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高速運(yùn)行受到限制；開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，適用于高速應(yīng)用，但變換器與控制相對(duì)復(fù)雜。

電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)是一種變磁阻類電機(jī)，其轉(zhuǎn)子由鐵芯疊片疊壓而成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且強(qiáng)度高[29]。在定子上有專門的勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁，三相繞組通過不控整流器連接至直流母線。通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，即可控制直流側(cè)輸出電壓與輸出電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)故障滅磁。電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，特別適合于航空發(fā)電機(jī)這樣高速和惡劣環(huán)境下的應(yīng)用[30]。安裝有可控整流器的電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)[31]，通過發(fā)電/電動(dòng)模態(tài)的轉(zhuǎn)換吸納能量回饋的峰值功率。

目前針對(duì)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的研究處于起步階段，且集中于永磁發(fā)電機(jī)和三級(jí)式發(fā)電機(jī)組成的并聯(lián)供電系統(tǒng)。電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的研究目前尚屬空白。本文提出了基于電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的新型高壓直流供電系統(tǒng)。這種構(gòu)架結(jié)合了電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)與高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，因此具有較強(qiáng)的研究和應(yīng)用價(jià)值。

提出的電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)如圖9所示。2臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)分別通過發(fā)電機(jī)控制斷路器(GCB)連接至各自的直流母線，兩部分直流母線通過匯流條斷路器(BTB)連接。每臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)由對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)行控制，發(fā)電機(jī)控制器內(nèi)部包含一臺(tái)結(jié)合不對(duì)稱半橋(AHB)變換器的數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器，可以通過控制不對(duì)稱半橋的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的控制，進(jìn)而控制電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流。匯流條功率控制器則可以通過發(fā)電機(jī)控制器獲得每臺(tái)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行信息，并根據(jù)輸出電流狀態(tài)通過相應(yīng)的發(fā)電機(jī)控制器對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行間接地控制，從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)發(fā)電機(jī)的均衡控制。

圖9 兩臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)

3.2 雙凸極高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)控制方法

單臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)通常采用直流側(cè)電壓外環(huán)、勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的控制方法。

電壓外環(huán)比例-積分(PI)控制器的輸入為檢測(cè)到的母線電壓和預(yù)設(shè)的電壓參考值。電壓外環(huán)PI控制器的輸出為勵(lì)磁電流參考值。

(1)

ifref=kpv(uref-udc)+kivSv

(2)

式中：Sv代表對(duì)母線電壓誤差的積分操作；udc為母線電壓；uref為母線電壓的參考值；ifref為勵(lì)磁電流的參考值；kpv和kiv為電壓外環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)控制以勵(lì)磁電流為控制對(duì)象，采用比例-積分-微分(PID)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)。勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)的輸入為勵(lì)磁電流檢測(cè)值和勵(lì)磁電流參考值，輸出為不對(duì)稱半橋功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比。

(3)

(4)

ds=kpi(ifref-if)+kiiSi+kdiDi

(5)

式中：Si代表對(duì)勵(lì)磁電流誤差值的積分操作；Di代表對(duì)勵(lì)磁電流誤差值的微分操作；if為勵(lì)磁電流；ds為不對(duì)稱半橋功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比；kpi、kii和kdi分別為勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。

2臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中，除了對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，還需要增加額外的均流控制模塊。本文采用平均值均流方法進(jìn)行均流控制。

首先計(jì)算每臺(tái)發(fā)電機(jī)應(yīng)承受的平均電流iavg：

(6)

在平均均流控制中包含2個(gè)均流PID控制器，均以平均電流iavg作為輸入的參考值，分別以2臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流作為反饋輸入量。以x代表其中一臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)，則第x臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的均流PID控制器可以表示為

(7)

(8)

umodx=kpidcx(iavg-idcx)+kiidcxSidcx+kdidcxDidcx

(9)

式中：Sidcx代表對(duì)第x臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電流與平均電流之間誤差的積分操作；Didcx代表對(duì)第x臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電流與平均電流之間誤差的微分操作。umodx為第x臺(tái)均流PID控制器輸出結(jié)果，是對(duì)該發(fā)電機(jī)電壓參考值的修正；kpidcx，kiidcx和kdidcx分別為均流PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)。

第x臺(tái)均流PID控制器的輸出umodx為相應(yīng)母線電壓控制PI控制器參考值的修正，即式(1)和式(2)改寫為

(10)

ifref=kpv(uref+umodx-udc)+kivSv

(11)

每臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制環(huán)節(jié)則不需要改動(dòng)。

基于兩臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 基于平均值均流的控制方法

該均流控制方法也可以應(yīng)用于更多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)[19,24]和并聯(lián)發(fā)電機(jī)功率不相等的情況。假設(shè)系統(tǒng)中并聯(lián)發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)為n，第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的額定功率為Pi(i=1,2，…，n)。每臺(tái)發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁電流內(nèi)環(huán)、直流側(cè)電壓外環(huán)之外均增加一個(gè)均流PID控制器，該控制器的輸入為發(fā)電機(jī)輸出電流與該臺(tái)發(fā)電機(jī)的平均電流iavgi的差值。其中，iavgi的計(jì)算方法為

(12)

3.3 雙凸極高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照?qǐng)D9所示的結(jié)構(gòu)搭建了由2臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)中，兩臺(tái)9 kW電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)分別由兩臺(tái)不同原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由各自的發(fā)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓控制。匯流條功率控制器用于兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的均流控制。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖11 高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

表1 高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)

2臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)均運(yùn)行在5 000 r/min轉(zhuǎn)速，負(fù)載為1 kW。如果不進(jìn)行均流控制，則第2臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)DSEG2投入并聯(lián)后，負(fù)載電流會(huì)由其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)承擔(dān)，而另一臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流會(huì)減小，如圖12所示。

圖12 不進(jìn)行均流控制時(shí)的母線電壓、輸出電流波形(100V/格、5A/格)

采用平均值均流控制方法時(shí)，可以保證均流誤差較小，如圖13所示。在負(fù)載較小時(shí)，均流誤差較大，這主要是電流傳感器和采樣電路的固有誤差導(dǎo)致的。隨著負(fù)載功率的增加，2臺(tái)發(fā)電機(jī)的誤差可以縮小至2%以下，實(shí)現(xiàn)較高精度的均流控制。采用平均值均流控制方法時(shí)，控制負(fù)載仍為1 kW。當(dāng)DSEG2投入并聯(lián)時(shí)，母線電壓的峰值為280 V，調(diào)節(jié)時(shí)間為20 ms，最終負(fù)載電流在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間平均分配，如圖14(a)所示。當(dāng)DSEG2退出并聯(lián)時(shí)，母線電壓谷值為266 V，調(diào)節(jié)時(shí)間為31 ms，最終負(fù)載電流完全由另一臺(tái)發(fā)電機(jī)承擔(dān)，如圖14(b)所示。

圖13 均流誤差

圖14 投入和退出并聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中，突加突卸負(fù)載時(shí)的母線電壓和輸出電流波形如圖15所示。當(dāng)負(fù)載從1 kW突加至7 kW時(shí)，電壓谷值為258 V，調(diào)節(jié)時(shí)間為20 ms。當(dāng)負(fù)載從7 kW突卸至1 kW時(shí)，電壓峰值為286 V，調(diào)節(jié)時(shí)間為35 ms。在負(fù)載突加突卸過程中，經(jīng)過短暫的調(diào)整，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流能夠保持均衡。

圖15 突加突卸負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

通過對(duì)2臺(tái)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，可以驗(yàn)證：高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)過程中的精確均流控制；高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)在投入并聯(lián)、退出并聯(lián)、突加負(fù)載和突卸負(fù)載等動(dòng)態(tài)過程中，能夠保持母線電壓的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)良好的均流控制。

2臺(tái)電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中故障特征分析與相應(yīng)的故障保護(hù)方法是確保高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要技術(shù)。文獻(xiàn)[24]詳細(xì)分析了電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)中電樞繞組開路、短路故障，整流器開路、短路故障，勵(lì)磁繞組開路、短路故障，發(fā)電機(jī)控制器開路、短路故障，電壓、電流傳感器故障，發(fā)電機(jī)至整流器差動(dòng)故障，勵(lì)磁脈動(dòng)故障，支路匯流條短路故障和并聯(lián)匯流條短路故障的現(xiàn)象和相應(yīng)的保護(hù)方法。上述故障模式分析對(duì)于新型雙凸極發(fā)電機(jī)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)同樣具有重要參考意義。

穩(wěn)定性分析建立在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，求取發(fā)電系統(tǒng)輸出阻抗和負(fù)載系統(tǒng)輸入阻抗的基礎(chǔ)上。由于電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)本身特性較為復(fù)雜，存在著強(qiáng)烈的非線性和耦合性[30]，因此精確數(shù)學(xué)模型的建立仍存在一定難度。對(duì)電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)組成的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與優(yōu)化方法，將作為未來研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)與交流并聯(lián)供電系統(tǒng)相比顯著簡(jiǎn)化并聯(lián)控制，易于實(shí)現(xiàn)不中斷供電，并實(shí)現(xiàn)了多發(fā)動(dòng)機(jī)/多發(fā)電機(jī)布局下供電容量的擴(kuò)展，提升了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，有助于進(jìn)一步發(fā)揮高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和潛力。本文的主要工作和結(jié)論包括：

1) 在總結(jié)低壓直流和恒頻交流并聯(lián)供電系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，闡釋了高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的基本概念、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和研究現(xiàn)狀。隨著機(jī)載電氣負(fù)載種類和容量不斷增加，高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)在新一代多電/全電飛機(jī)上有重要研究和應(yīng)用價(jià)值。

2) 總結(jié)了高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和問題。分析了并聯(lián)供電系統(tǒng)的架構(gòu)、并聯(lián)電源的均流控制、并聯(lián)供電系統(tǒng)的故障模式分析與保護(hù)策略、并聯(lián)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、能量回饋與能量綜合管理技術(shù)等。

3) 提出并研究了基于新型雙凸極無刷直流電機(jī)的高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)，采用平均值均流控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的高精度的負(fù)載電流分配。

4) 新型雙凸極高壓直流無刷發(fā)電機(jī)的并聯(lián)供電系統(tǒng)在投入和退出并聯(lián)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓的穩(wěn)定控制，在投入并聯(lián)后能夠迅速實(shí)現(xiàn)均流，在突加突卸負(fù)載時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

5) 針對(duì)多電/全電飛機(jī)高壓直流并聯(lián)供電系統(tǒng)的特性分析、系統(tǒng)級(jí)建模方法、保護(hù)邏輯和控制策略等方面仍存在諸多需要深入研究和突破的關(guān)鍵技術(shù)。