民用飛機(jī)電源系統(tǒng)電能管理技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

陳強(qiáng)

【摘 要】民用飛機(jī)多電化發(fā)展使得更多的電氣設(shè)備投入到使用中，能源利用率提高的同時(shí)也帶來了用電負(fù)載增加、用電類型增加、發(fā)電機(jī)容量增大以及起動(dòng)功率增大等問題，電能管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文闡述了三種不同的電能管理技術(shù)，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)做了一定展望。

【關(guān)鍵詞】多電飛機(jī)；電能管理；功率管理；負(fù)載管理

0 概述

民用飛機(jī)在過去幾十年中朝著多電飛機(jī)（MEA， More Electrical Aircraft）飛速發(fā)展，波音空客等大公司也都陸續(xù)推出了自己的新一代多電飛機(jī)。多電飛機(jī)防冰系統(tǒng)（IPS， Ice Protection System）、環(huán)控系統(tǒng)（ECS， Environment Control System）和作動(dòng)系統(tǒng)等系統(tǒng)正逐步趨向電力驅(qū)動(dòng)[1]，其提供更高的電能利用率和燃油效率的同時(shí)，卻也面臨著更多的電力設(shè)備所帶來的減重問題和電能管理問題[2]。為了改善上述問題，先進(jìn)的電能管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文將探討現(xiàn)階段可行的一些電能管理技術(shù)，并將對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)做一定展望。

1 典型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)介紹

電能管理和飛機(jī)的電源系統(tǒng)的發(fā)/配電系統(tǒng)息息相關(guān)，盡管各型號(hào)的飛機(jī)有著不同的電源系統(tǒng)方案，但歸納而言，一個(gè)典型的電源系統(tǒng)通常由以下及部分組成（如圖1所示）：

a）電源：由主發(fā)電機(jī)、輔助動(dòng)力裝置、外電源和應(yīng)急電源等組成；

b）電源控制器：用于控制、監(jiān)測(cè)各電源裝置；

c）電能變換器：用于實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換；

d）匯流條及饋線：用于連接各電源、電能轉(zhuǎn)換器及用電負(fù)載；

e）開關(guān)：由接觸器、斷路器、繼電器等組成。

多電飛機(jī)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足MIL-STD-704的要求，從而保障不同工況下的供電品質(zhì)。

2 電能管理

電能管理概念的提出是為了防止發(fā)電機(jī)過載、控制機(jī)上電能品質(zhì)。

2.1 電能管理自由度

電源系統(tǒng)中，以下幾個(gè)設(shè)備的自由度為電能管理帶來可能：

a）發(fā)電機(jī)

根據(jù)MIL-STD-704的要求，發(fā)電機(jī)通常允許一定的短時(shí)過載，以應(yīng)對(duì)某些負(fù)載啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)大于額定電流的情況。

b）負(fù)載

負(fù)載需要被設(shè)計(jì)成可開通/關(guān)斷，以應(yīng)對(duì)飛機(jī)起飛、發(fā)電機(jī)過載等特殊情況，開通/關(guān)斷動(dòng)作可以通過固態(tài)功率控制器（SSPC， Solid-State Power Controller）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

c）儲(chǔ)能設(shè)備

可以將蓄電池、超級(jí)電容器組等儲(chǔ)能設(shè)備集成到配電網(wǎng)絡(luò)中，必要時(shí)進(jìn)行沖/放電動(dòng)作，以提高電能質(zhì)量。

2.2 電能管理技術(shù)

電能管理通常由一種或多種技術(shù)組成。根據(jù)控制對(duì)象的不同，電能管理技術(shù)可分為：電能管理、功率管理和負(fù)載管理。

a）電能管理

電能管理（EM， Energy Management）用于控制電源之間或電源和負(fù)載之間的能量流動(dòng)（如圖1所示），通常適用于擁有儲(chǔ)能設(shè)備的電源系統(tǒng)?，F(xiàn)如今，得益于電力電子技術(shù)的發(fā)展，不同電壓等級(jí)、功率等級(jí)的電源通過雙向電能變換器轉(zhuǎn)化后，被投入到電能管理中去。例如，將雙向變換器應(yīng)用到蓄電池充放電電路中，通過對(duì)雙向變換器中高速開關(guān)的有效控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池的儲(chǔ)能和應(yīng)急放電[3]。

b）功率管理

對(duì)于沒有儲(chǔ)能設(shè)備的電源系統(tǒng)，通常用功率管理（PM， Power Management）的概念控制電網(wǎng)上的瞬時(shí)功率，保證發(fā)電機(jī)發(fā)出功率與負(fù)載吸收功率之間的平衡（如圖1所示）。功率管理的概念適用于目前大部分飛機(jī)的電源系統(tǒng)，因?yàn)檫@些系統(tǒng)的蓄電池往往只有在應(yīng)急供電或啟動(dòng)輔助動(dòng)力裝置（APU， Auxiliary Power Unit）時(shí)才會(huì)被投入使用。

目前，有學(xué)者將儲(chǔ)能設(shè)備當(dāng)作有源濾波器來吸收電網(wǎng)浪涌的案例，從而更好地控制直流匯流條上的電壓品質(zhì)[4]。

c）負(fù)載管理

電氣負(fù)載管理（ELM， Electrical Load Management）技術(shù)的核心在于限制電氣負(fù)載的數(shù)量及其功率吸收，負(fù)載管理和負(fù)載之間的關(guān)系如圖1所示。目前，較為通用的負(fù)載管理技術(shù)是，通過負(fù)載管理中心和發(fā)電機(jī)控制器/匯流條控制器等之間的信息交互實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)/匯流條電壓/電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到卸載閾值時(shí)，負(fù)載管理中心按一定的優(yōu)先級(jí)次序完成自動(dòng)卸載，直至負(fù)載功率降至設(shè)定閾值以下；同樣的，當(dāng)電源恢復(fù)時(shí)，負(fù)載管理中心會(huì)按一定的優(yōu)先級(jí)次序完成負(fù)載的自動(dòng)恢復(fù)。此外，還允許通過人工方式手動(dòng)卸載或恢復(fù)一些特定負(fù)載[5]。

除了電氣負(fù)載的優(yōu)先級(jí)之外，負(fù)載管理通常還會(huì)考慮負(fù)載的設(shè)計(jì)安全等級(jí)（DAL， Design Assurance Level）。對(duì)于那些DAL等級(jí)高的負(fù)載，一般不會(huì)將其納入卸載清單中。

3 電能管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

以上闡述了幾種現(xiàn)有的電能管理技術(shù)。對(duì)于多電飛機(jī)甚至全電飛機(jī)，其負(fù)載數(shù)量將成倍增加，其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也將變得更為復(fù)雜。因此，迫切需要一種更為先進(jìn)、智能的電能管理手段來降低系統(tǒng)重量、提高供電質(zhì)量、提升電能效率。本文從以下幾方面設(shè)想了電能管理技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì)：

a）負(fù)載可變優(yōu)先級(jí)

飛機(jī)飛行過程中，由于負(fù)載的重要性存在差異，因此可將其優(yōu)先級(jí)做動(dòng)態(tài)調(diào)整，以提高電能使用效率。

b）電源管理技術(shù)

多電飛機(jī)一般會(huì)擁有多個(gè)主發(fā)電機(jī)、APU發(fā)電機(jī)等多個(gè)電源，可以對(duì)這些電源實(shí)施電源關(guān)機(jī)，使整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能達(dá)到最優(yōu)。

c）能量再生技術(shù)

如前文所述，多電飛機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)等正逐步趨向電力驅(qū)動(dòng)，適當(dāng)情況可以回收再生其能量，最大程度的利用一次能源。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了三種不同的電能管理技術(shù)，即電能管理、功率管理和負(fù)載管理；對(duì)電能管理的發(fā)展做了展望，負(fù)載動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)技術(shù)、能量再生技術(shù)等可能會(huì)成為其將來的發(fā)展趨勢(shì)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]L.Faleiro，“Beyond the more electric aircraft，”Aerospace America， September 2005，pp.35-40.

[2]T. Schr6ter and D. Schulz，“Efficiency of the electrical system on large modern civil aircraft - status quo analysis，”in Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress， 2010.

[3]胡云濤.小型長(zhǎng)程飛行器不間斷供電系統(tǒng)的技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)， 2011.

[4]H.Zhang，F(xiàn).Mollet，S.Breban，C.Saudemont and B.Robyns，“Power flow management strategies for a local DC Distribution System of More Electric Aircraft，”2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference， Lille，2010，pp.1-6.

[5]Karimi K J， Breit J S， Helton S B， et al. Intelligent energy management architecture： US， US 7872368 B2[P].2011.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]