基于雙發(fā)大功率高壓直流供電系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

楊文俊

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jiǎn)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(dòng)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(jí)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(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和大容量無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，起動(dòng)發(fā)電機(jī)用于起動(dòng)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)大功率電能的需求，但是仍存在一些缺陷，如對(duì)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(shí)機(jī)載交流電源無(wú)法并聯(lián)運(yùn)行，無(wú)法實(shí)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(yùn)行，實(shí)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(wú)刷化設(shè)計(jì)，工作可靠性高，發(fā)電效率高。高壓直流電源可并聯(lián)運(yùn)行，易于實(shí)現(xiàn)不中斷供電，滿足關(guān)鍵飛行負(fù)載對(duì)供電可靠性的要求。高壓直流電源對(duì)非線性負(fù)載的適應(yīng)性更好，同時(shí)電纜更輕，有助于降低系統(tǒng)整體的重量。美國(guó)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(tái)30kW 的高壓直流發(fā)電機(jī)，輔助電源為1臺(tái)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(duì)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(shí)用價(jià)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(shí)能夠自動(dòng)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(cuò)能量的供電系統(tǒng)構(gòu)型是實(shí)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(shí)現(xiàn)與蓄電池并聯(lián)供電，消除開關(guān)動(dòng)作引起的延遲，工作可靠，保證供電連續(xù)性。同時(shí)各匯流條之間由可控接觸器相互連接，便于實(shí)現(xiàn)故障隔離，能夠進(jìn)行電源切換，對(duì)電網(wǎng)的功率流向進(jìn)行重構(gòu)，容錯(cuò)能力較高。

（1）一次電源：主電源為兩臺(tái)直流發(fā)電機(jī)G1 和G2，輔助電源為輔助動(dòng)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(shí)現(xiàn)余度供電，供電系統(tǒng)中存在兩個(gè)獨(dú)立的供電通道。兩通道之間通過兩個(gè)接觸器（BTB3、BTB4）相互連接，正常工作狀態(tài)下兩個(gè)接觸器均斷開，從而保證兩個(gè)主電源獨(dú)立為兩個(gè)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(jì)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(hào)發(fā)電機(jī)G1 向270V 左匯流條供電，2 號(hào)發(fā)電機(jī)G2 向270V 右匯流條供電。雙發(fā)供電時(shí)，通過電源控制板給GCU1 和GCU2 發(fā)送控制信號(hào)，GB1 和GB2 接觸器在接收到GCU1 和GCU2 的控制信號(hào)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(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，供電模式進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)相互備份供電。當(dāng)1號(hào)發(fā)電機(jī)G1 故障時(shí)，接觸器GB1 斷開，將1 號(hào)發(fā)電機(jī)G1 與電網(wǎng)隔離。GCU2 控制GB2 接通，2 號(hào)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(hào)發(fā)電機(jī)G2 故障時(shí)，接觸器GB2 斷 開，將2 號(hào) 發(fā)電機(jī)G2 與電網(wǎng)隔離。GCU1 控制GB1 接通，1 號(hào)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。

圖2 高壓直流供電系統(tǒng)模型圖

（3）雙發(fā)故障：當(dāng)直升機(jī)上兩臺(tái)發(fā)電機(jī)G1，G2 均發(fā)生故障時(shí)，接觸器GB1，GB2 均斷開，將兩臺(tái)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(shí)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(yùn)作，地面通電時(shí)，通過電源控制板給外電源監(jiān)控器（EPU）發(fā)送控制信號(hào)，一次配電中心中的EXPB 接觸器在接收到EPU 的控制信號(hào)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(yàn)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(tái)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

■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(duì)高壓直流供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)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(shí)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(shí)，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(shí)G1 故障，無(wú)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(wú)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(shí)后BTB1 閉合，由APUG 為左側(cè)通道負(fù)載供電。但由于APUG此時(shí)為加載狀態(tài)，故270V 左匯流條上的電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，經(jīng)過調(diào)節(jié)后迅速穩(wěn)定。0.8s 時(shí)G2 故障，270V 右匯流條迅速失電，此時(shí)雙發(fā)故障，供電系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。經(jīng)50ms延時(shí)后BTB3 閉合，APUG 為左右兩側(cè)通道負(fù)載供電。此時(shí)270V 右匯流條上的電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，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(dòng)。

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(jì)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(duì)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。