航空用三相電壓型PWM整流器并聯(lián)控制技術(shù)

0 引言
    航空270V高壓直流供電系統(tǒng)由于擁有效率高、電網(wǎng)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)余度和不中斷供電等優(yōu)點，有著良好的應(yīng)用前景，成為研究的熱點。目前該系統(tǒng)普遍由基于二極管整流的方式實現(xiàn)，其主要缺點是難以獲得較高的功率因數(shù)。針對此問題，本文采用可控的三相電壓型PWM整流器替代不可控的二極管整流器來實現(xiàn)高功率因數(shù)的直流系統(tǒng)供電。
    余度供電是提高飛機電源系統(tǒng)可靠性的重要手段。為擴大系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)的可靠性，本文采用整流器系統(tǒng)并聯(lián)的運行方式。對于并聯(lián)整流系統(tǒng)而言，均流是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。均流的目的是保證各交流器之間電流應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻分配，防止一臺或多臺變流器運行在電流極限值狀態(tài)，而另外的變流器輕載運行，甚至空載運行，導(dǎo)致分擔(dān)電流多的交流器熱應(yīng)力大，壽命下降，降低系統(tǒng)的可靠性。為此，本文提出一種共電壓外環(huán)的主從均流策略，實現(xiàn)了系統(tǒng)的均流運行。

1 整流器并聯(lián)原理分析
    兩路三相電壓型PWM整流器并聯(lián)示意電路圖如圖1所示。

    圖中u1、u2分別為兩路三相VSR輸出的直流電壓(輸出濾波電容電壓)，R1、R2分別為線路電阻，R為負載電阻，則按圖1參考方向及結(jié)點電壓法可得：
   
    經(jīng)化簡可得負載電壓u：
   
    分析式(6)可知：由于R1、R2為線路電阻，其值非常小，所以任一路三相VSR輸出直流電壓有很小的變化時，都可以產(chǎn)生很大的環(huán)流△i，由于這一電流不經(jīng)過負載，僅在整流器之間形成環(huán)流，環(huán)流較大時極易損壞整流器，因此需要引入并聯(lián)控制策略以減小△i，亦即實現(xiàn)均流。[!--empirenews.page--]

2 均流控制原理
    對于組成并聯(lián)系統(tǒng)的單路電壓型PWM整流系統(tǒng)(簡稱VSR)而言，可采用雙閉環(huán)控制策略，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。電壓外環(huán)控制輸出使直流電壓穩(wěn)定在270V左右，電流內(nèi)環(huán)控制交流側(cè)電流以獲得高功率因數(shù)。電壓外環(huán)PI控制器計算出作為電流內(nèi)環(huán)的有功電流給定值，為使功率因數(shù)為1，無功電流給定值為0，經(jīng)過電流前饋解耦(解耦所需各dq軸分量由坐標(biāo)變換得到)獲得三相交流側(cè)指令電壓作為SVPWM的給定空間電壓矢量，通過三相VSR空間電壓矢量的合成，使實際的空間電壓矢量逼近給定的空間電壓矢量，最終實現(xiàn)交流側(cè)電流跟蹤控制，即系統(tǒng)的高效率運行。

    由上節(jié)分析可知，均流是并聯(lián)系統(tǒng)必須要解決的問題之一。對于DC／DC變流器的均流控制，研究人員已經(jīng)做了很多工作，主要有以下兩種方法：主從均流法和下垂特性法。主從控制均流法是在若干個模塊中指定某一模塊為主模塊，其余為從模塊，從模塊將根據(jù)主模塊的電流值進行均流調(diào)節(jié)。該均流方案的實現(xiàn)可采取內(nèi)環(huán)控制式、外環(huán)控制式和外置控制器式三種方式。針對此整流系統(tǒng)，本文提出了一種共電壓外環(huán)的主從均流策略，以此實現(xiàn)均流。
    以雙路整流器并聯(lián)系統(tǒng)為例，其控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。圖中整個并聯(lián)系統(tǒng)只采用單一的電壓外環(huán)，反饋直流電壓為負載電壓vdc，如把三相VSR1作為主整流器，那么將其電壓環(huán)PI控制器計算出的q軸電流傳給從整流器，從而使各整流器均獲得相同的q軸電流指令，通過電流環(huán)PI控制器，實現(xiàn)了整個整流系統(tǒng)各個整流器的精準(zhǔn)均流，而且直流輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)三柑VSR1發(fā)生故障時，三相VSR2的電壓外環(huán)接替三相VSR1的電壓外環(huán)工作，產(chǎn)生有功電流給定值。

    從圖3可以看出，單臺PWM整流器仍然采用跟蹤電壓指令的SVPWM控制策略，而主從PWM整流器各自都有自己的電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)產(chǎn)生了指令除以n(n為并聯(lián)的整流器數(shù))來實現(xiàn)多臺變流器的電流指令相等且匹配對直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

3 雙路電壓型PWM整流器并聯(lián)系統(tǒng)的仿真分析
    本節(jié)在Matlab-Simulink仿真軟件中通過仿真驗證雙路VSR并聯(lián)系統(tǒng)共電壓外環(huán)均流策略的均流效果。仿真模型包括兩路PWM整流器，它們在直流側(cè)并聯(lián)。每個整流器有單獨的三相橋前電感和直流側(cè)電容。兩路三相交流電壓輸出相電壓互差30°電角度，有效值76V，頻率400H z，交流側(cè)電感0．8mH，直流側(cè)電容1000μF，輸出線路電阻R1=R2=0.01Ω，為了抑制輸出電流的脈動，分別在兩路輸出端加入L1=L2=0．1mH的濾波電感，開關(guān)頻率18kHz，帶阻性負載6kW，主電路仿真模型見圖4，圖5為控制模塊模型。[!--empirenews.page--]

    圖6為未使用均流策略時并聯(lián)系統(tǒng)交流側(cè)相電壓ea1、ea2及其對應(yīng)相電流ia1、ia2的穩(wěn)態(tài)波形，其中ia1的峰值約是28A，此路的輸出功率為4965W；ia2的峰值約是7．5A，由此可見一路重載運行，另一路輕載運行，系統(tǒng)處于不均流狀態(tài)。圖7為使用均流策略后的并聯(lián)系統(tǒng)交流側(cè)相電壓ea1、ea2及其對應(yīng)相電流ia1、ia2的穩(wěn)態(tài)波形，兩路相電流的峰值相同，均約為19A，即并聯(lián)系統(tǒng)的兩路輸出功率相同，達到交流側(cè)均流的目的。且從圖中可以看出，每路交流側(cè)的相電壓和相電流的相位差都為零，即功率因數(shù)為1，實現(xiàn)了系統(tǒng)對高功率因數(shù)的要求。
    本文僅給出了三相電源相電壓為76V，頻率為400Hz情況下的仿真均流效果。經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，三相交流電源相電壓有效值在35～110V，頻率在200～660Hz之間時，采用共電壓外環(huán)的主從均流策略，均可以實現(xiàn)組成整流并聯(lián)系統(tǒng)中各整流器的精確均流。

4 雙路整流器并聯(lián)系統(tǒng)實驗結(jié)果
    本文提出的整流電源系統(tǒng)并聯(lián)均流控制策略，在兩臺三相輸入電壓有效值為76V，頻率為400Hz，直流側(cè)輸出電壓為270V，輸出功率1.5kW的整流器上進行了并聯(lián)實驗。系統(tǒng)主控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812DSP，電流指令的傳輸，采用DSP本身集成的CAN總線模塊，主整流模塊采用的是富士公司產(chǎn)的6MBP50RA060，系統(tǒng)硬件電路如圖8所示：

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    實驗結(jié)果如下：

   
    圖10穩(wěn)態(tài)直流電壓Vdc波形

    兩路整流系統(tǒng)并聯(lián)的均流效果如圖9所示，在圖9(a)中，使用了均流控制策略的主整流器交流側(cè)a相電流的幅值約為9A，在圖9(b)中，從整流器的交流側(cè)電流的幅值也大約為9A。實驗結(jié)果表明，使用共電壓外環(huán)的均流策略，可以使每路整流系統(tǒng)平均分擔(dān)系統(tǒng)功率，且均流效果良好。
    并且從圖9中，可以看出每路交流側(cè)的相電壓和相電流的相位差都為零，即功率因數(shù)為1，實現(xiàn)了系統(tǒng)對高功率因數(shù)的要求。圖10為直流側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓波形，從圖中可以看出，穩(wěn)態(tài)直流電壓一直穩(wěn)定在270V附近，滿足飛機供電系統(tǒng)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

5 結(jié)論
    采用270V高壓直流體制是飛機供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。在大功率應(yīng)用場合中，整流器電源系統(tǒng)的并聯(lián)不僅可以擴大系統(tǒng)的容量，提高系統(tǒng)的可靠性，還可以有效地降低成本，對于飛機供電系統(tǒng)的模塊化設(shè)計、提高系統(tǒng)的冗余度以及易維護性都有著重要的意義。
    本文詳細分析了輸出270V直流電壓的航空用三相電壓型PWM整流器的控制策略，在此基礎(chǔ)上，提出了共電壓外環(huán)的主從均流方式，并在輸出直流為270伏的雙路三相電壓型PWM整流并聯(lián)系統(tǒng)的仿真和硬件實驗中得到驗證，仿真和實驗結(jié)果均表明該整流器并聯(lián)系統(tǒng)均流效果良好，每個模塊可以均分負載系統(tǒng)的總功率，同時在這種均流方式下，當(dāng)一個整流器出現(xiàn)故障停止運行時不會影響到整個并聯(lián)系統(tǒng)的運行。如前面分析，本均流方法同樣可推廣到多路整流器并聯(lián)運行的情況。