電推進飛機定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機并聯(lián)系統(tǒng)

蘇寧，黃文新

南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 211106

航空運輸?shù)娘w行動力來自于航空發(fā)動機轉(zhuǎn)化的燃油能量，其工作方式是將燃燒獲得的高溫高壓氣體大部分向后噴出以獲得推力。目前，這種方式的效能較低，因此需要發(fā)展更高效、節(jié)能、環(huán)保的分布式電推進系統(tǒng)。分布式電推進的概念是用多個分布式小功率電機推進系統(tǒng)替代傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機集中式大功率推進系統(tǒng)，使用電動機驅(qū)動涵道式風(fēng)扇、螺旋槳或者其他裝置直接將電能轉(zhuǎn)化為機械能。

按照系統(tǒng)一次能源類型分類，分布式電推進系統(tǒng)可以分為純電動電推進系統(tǒng)與油電混合推進系統(tǒng)。純電動電推進系統(tǒng)不需要發(fā)動機與燃油，以電池作為系統(tǒng)一次能源，主要由供電系統(tǒng)與電推進系統(tǒng)組成。油電混合推進系統(tǒng)是指由發(fā)動機與電動機共同作用的推進系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機是否直接提供動力可分為并聯(lián)式與串聯(lián)式。受目前電池技術(shù)的制約，由于能量密度大大低于燃油，純電動飛機的載重、飛行速度、續(xù)航里程、飛行時間等性能都被極大地限制，因此渦輪發(fā)電分布式電推進系統(tǒng)(Turboelectric Distributed Propulsion, TeDP)，是未來一段時期航空電氣化發(fā)展的必然技術(shù)途徑。相關(guān)研究表明，油電混合動力分布式推進方式可以大大提升系統(tǒng)涵道比，從而進一步提升燃油轉(zhuǎn)化效率，節(jié)省燃油消耗達70%，被驗證為飛機電氣化的必然技術(shù)途徑，尤其適用于亞聲速飛機，即絕大多數(shù)客機及運輸機。

根據(jù)各研究機構(gòu)的技術(shù)研究與實踐，分布式電推進系統(tǒng)可候選的電力系統(tǒng)架構(gòu)有以下3種：直流輸電型DC架構(gòu)、交流輸電型AC-DC架構(gòu)和全交流型AC-AC架構(gòu)。文獻[8]表明，目前電推進飛機電力系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中沿用了航空變頻交流(Variable Frequency AC, VFAC)發(fā)電系統(tǒng)廣泛使用的變速變頻同步發(fā)電機。通常大飛機推進功率達數(shù)MW至數(shù)十MW之大，單個推進電機也將達MW級功率等級，因此在這3類架構(gòu)的發(fā)電側(cè)一般采用一臺航空發(fā)動機同時驅(qū)動2臺(或多臺)發(fā)電機的結(jié)構(gòu)。航空變頻交流發(fā)電系統(tǒng)的研究和實踐已經(jīng)表明，由于沒有安裝恒速驅(qū)動裝置，所有的變速變頻同步發(fā)電機均工作于非并聯(lián)模式，在常規(guī)狀態(tài)下向各自的負載獨立提供變頻交流電源。作為典型變頻交流體制的多電飛機，現(xiàn)役民航客機波音787的發(fā)電系統(tǒng)即采用這種布置方式。

然而回顧航空供電系統(tǒng)的發(fā)展，并聯(lián)發(fā)電架構(gòu)卻是恒頻交流發(fā)電系統(tǒng)中一個常見的選擇。飛機電源系統(tǒng)采用并聯(lián)形式的主要優(yōu)點有：① 總電氣負載在并聯(lián)供電的各臺發(fā)電機之間自動均勻分配；② 多發(fā)電機系統(tǒng)中單臺發(fā)電機發(fā)生故障不會導(dǎo)致整個發(fā)電系統(tǒng)停止工作。每臺發(fā)電機都具備足夠的過載能力，從而保障了系統(tǒng)安全性；③ 高電力集成度的并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)在給定的干擾特性下，可以滿足更大的尖峰負載和起動電流要求；設(shè)計時能更有效地利用發(fā)電機的安裝容量，從而使所需發(fā)電機的數(shù)量更少、每臺額定功率值更小;④ 降低配電系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度。當(dāng)飛機需要增加或減少一些負載時，不必對已有負載分配方案作較大改動。當(dāng)單臺發(fā)電機故障時，在正常運行的發(fā)電機之間，系統(tǒng)仍能實現(xiàn)負載自動均勻分配;⑤ 由于并聯(lián)電網(wǎng)總?cè)萘枯^大，機載用電設(shè)備通斷產(chǎn)生的干擾作用相對減弱，電壓和頻率的波動較小，因此電能質(zhì)量較高。另外，發(fā)電機組并聯(lián)工作，有效消除了會影響一些重要機載設(shè)備正常運行的拍頻效應(yīng);⑥ 并聯(lián)系統(tǒng)可以使過流保護裝置的動作更迅速。

普遍的觀點認為，由于棄用恒速驅(qū)動裝置，因此變速變頻同步發(fā)電機并聯(lián)發(fā)電是不可行的。其理由是：缺少恒速驅(qū)動裝置會導(dǎo)致頻率偏差，這會在并聯(lián)控制中帶來頻率相位同步調(diào)節(jié)的困難，導(dǎo)致并聯(lián)失敗。與連接大量同步發(fā)電機(Synchronous Generator, SG)的地面大電網(wǎng)不同，在航空交流供電系統(tǒng)中，沒有主導(dǎo)頻率進行牽引同步，貿(mào)然并聯(lián)不僅會導(dǎo)致發(fā)電功率分配失衡，甚至使整個發(fā)電系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)。然而，上述推斷隱含了一個基本假設(shè)-在主流飛機供電系統(tǒng)中廣泛使用的同步發(fā)電機。換句話說，同步發(fā)電機的同步特性正是無恒速驅(qū)動裝置的航空交流供電系統(tǒng)并聯(lián)困難的根本原因。

本文將提出基于定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(Dual-stator Winding Induction Generator, DWIG)的電推進飛機航空交流并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)。在航空應(yīng)用中，DWIG是一種可選的變速變頻主發(fā)電機,它具有感應(yīng)發(fā)電機籠型轉(zhuǎn)子的無刷特性，易維護性和良好的過載性能等優(yōu)點。文獻[16-17]將其他類型發(fā)電機與DWIG進行對比發(fā)現(xiàn)：相比于永磁發(fā)電機，DWIG易于滅磁且不會有永磁體失磁風(fēng)險；相比于航空主流采用的三級式同步發(fā)電機，DWIG轉(zhuǎn)子簡單可靠，勵磁單元結(jié)構(gòu)簡單，起動方案簡單；相比于同樣應(yīng)用在航空的開關(guān)磁阻電機，DWIG在風(fēng)磨損耗和鐵心損耗上有優(yōu)勢，同時作為一種感應(yīng)發(fā)電機，DWIG的轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲和振動也較小。

DWIG有2組定子繞組，分別稱為控制繞組和功率繞組?？刂评@組連接到調(diào)節(jié)勵磁的靜態(tài)勵磁變換器(Static， Excitaion Converter，SEC)；功率繞組輸出交流供電。2組定子繞組僅具有磁場耦合，在發(fā)電機內(nèi)部沒有物理連接，從而實現(xiàn)勵磁控制和輸出供電的解耦。近年來，已有針對單臺DWIG變頻交流發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計優(yōu)化、多種控制策略、及穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能等一系列研究。這些研究表明，DWIG變頻交流發(fā)電系統(tǒng)具有優(yōu)良的動靜態(tài)性能品質(zhì)。

在此基礎(chǔ)上，本文提出的基于DWIG的航空交流供電系統(tǒng)并聯(lián)運行技術(shù)將進一步提高電推進飛機供電系統(tǒng)的電力集成度，同時獲得并聯(lián)供電系統(tǒng)的以上諸多優(yōu)點。本文的主要貢獻在于，使用DWIG實現(xiàn)了無恒速驅(qū)動裝置下該變速變頻發(fā)電機的交流并聯(lián)運行；同時僅依靠DWIG的異步發(fā)電特性，以及控制繞組側(cè)設(shè)計的交-直-交(AC-DC-AC)功率拓撲結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的控制策略完成機組并聯(lián)控制。本文首先詳細論證了無恒速驅(qū)動裝置的航空變速變頻同步發(fā)電機并聯(lián)發(fā)電的不可行性和DWIG機組并聯(lián)發(fā)電的可行性及功率自平衡特性機理；闡述了DWIG并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理；然后提出一種基于功率流調(diào)節(jié)的頻率相位同步調(diào)整策略作為機組協(xié)調(diào)并聯(lián)控制方案，可以使機組從建壓后的獨立發(fā)電狀態(tài)平穩(wěn)切換至并聯(lián)發(fā)電狀態(tài)，而無需發(fā)動機控制的參與。最后使用硬件在環(huán)實驗平臺驗證了DWIG并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)的可行性，展示了該并聯(lián)系統(tǒng)良好的動靜態(tài)并聯(lián)運行性能。

1 變速變頻發(fā)電機并聯(lián)運行機理

交流發(fā)電機并聯(lián)運行有以下幾個先決條件：波形、相序、電壓幅值、電壓頻率和相位。通?？梢酝ㄟ^部署相同類型的發(fā)電機和接線配置來統(tǒng)一波形和相序的條件，發(fā)電機的輸出電壓幅值則可以通過各自的勵磁調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)。因此，波形、相序和輸出電壓幅值是較為容易滿足的條件。實現(xiàn)并聯(lián)的關(guān)鍵在于電壓頻率和相位這兩個更不易滿足的條件，因為它們的狀態(tài)由原動機(發(fā)動系統(tǒng))和發(fā)電機(電氣系統(tǒng))以及兩者的控制器共同決定。下面以配有無恒速驅(qū)動裝置的變速變頻同步發(fā)電機的波音787為例說明這個問題。圖1展示了其主電源系統(tǒng)的一部分。波音787有2臺主發(fā)動機，每臺主發(fā)動機驅(qū)動2臺三級式同步發(fā)電機，共享相同發(fā)動機和變速箱的雙發(fā)電機無疑具有相同的轉(zhuǎn)子頻率。然而，對于波音787上使用的2臺由同一發(fā)動機驅(qū)動的三級式同步發(fā)電機組，轉(zhuǎn)子的相對位置由變速箱固定，在飛機的組裝階段中準確地調(diào)整相位差在工程上也是不切實際的。由此可見，即使沒有頻率偏差，相位的難以調(diào)整直接導(dǎo)致了變速變頻同步發(fā)電機交流并聯(lián)的不可行。因此，在實際運行中，波音787共發(fā)動機的雙發(fā)電機獨立交流供電，如圖1(b)所示。然而感應(yīng)發(fā)電機則沒有如上所述的限制，其電壓相位不依賴于轉(zhuǎn)子位置，所以定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機組比三級式同步發(fā)電機組更容易滿足相位條件進行并聯(lián)。

圖1 波音787的主電源系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of part of Boeing 787’s main power system

就并聯(lián)所需的頻率同步條件而言，在飛行控制中，各發(fā)動機的轉(zhuǎn)速指令需要保持一致，以維持兩翼平衡的推進力。在電推進系統(tǒng)中，出于對稱的考慮，轉(zhuǎn)速指令依然需要保持一致。另外，電推進系統(tǒng)的發(fā)動機不直接產(chǎn)生推進力而主要用來驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子，更加不需要差速工況，因此交流并聯(lián)發(fā)電的頻率條件的關(guān)鍵在于小轉(zhuǎn)子頻率偏差下系統(tǒng)是否存在穩(wěn)定的發(fā)電運行狀態(tài)。

在穩(wěn)態(tài)空載頻率存在較小偏差的情況下，并聯(lián)運行的變速變頻發(fā)電機的調(diào)速特性有2種情況，如圖2所示。圖2(a)具有下垂特征，顯示了發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制中非零穩(wěn)態(tài)誤差的調(diào)速特性，這意味著穩(wěn)態(tài)電頻率會隨著有功功率的增加而下降，而圖2(b)無下垂，表示頻率嚴格保持穩(wěn)定。對于具有較小斜率的較硬調(diào)速特性(I)的并聯(lián)發(fā)電機組，總有功功率的分配分別為和。對于具有較大斜率的較軟調(diào)速特性(II)的并聯(lián)發(fā)電機組，同樣的有功功率的分配分別為和。從圖中可以明顯看出，調(diào)速特性越軟意味著功率分配的平衡度越高。圖2(b)可被視為無限剛性的調(diào)速特性，在這種極端情況下，對于同步發(fā)電機而言，沒有附加措施的情況下將沒有任何有效功率分配，系統(tǒng)實際處于失步狀態(tài)，并聯(lián)發(fā)電失敗。

圖2 發(fā)動機速度控制中非零以及零穩(wěn)態(tài)誤差的 調(diào)速器特性Fig.2 Governor characteristic of non-zero and zero steady-state errors in engines’ speed control

在現(xiàn)代的全權(quán)限數(shù)字電子控制(Full Authority Digital Electronic Control, FADEC)系統(tǒng)中，高控制精度意味著發(fā)動機調(diào)速器具有非常硬的特性，因此圖2(b)更接近于當(dāng)前變速變頻同步發(fā)電機的調(diào)速情況：轉(zhuǎn)子頻率間的微小差異直接導(dǎo)致并聯(lián)后功率分配的極大不平衡乃至系統(tǒng)失控。正是同步發(fā)電機的同步特性使得并聯(lián)頻率條件也難以滿足，因為同步發(fā)電機的發(fā)電頻率與轉(zhuǎn)子頻率保持一致，沒有恒速驅(qū)動裝置的電頻率調(diào)節(jié)只能通過FADEC系統(tǒng)校正，這帶來發(fā)動與發(fā)電控制系統(tǒng)間的額外復(fù)雜耦合。這個問題也可以被感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)解決。DWIG作為一種感應(yīng)發(fā)電機，具有滑差特性，這意味著發(fā)電功率越高則交流電頻率越低。這種滑差特性與圖2(a)展示的軟調(diào)速特性等效。因此無需借助發(fā)動機控制系統(tǒng)的參與，DWIG并聯(lián)發(fā)電更容易有效運行并獲得輸出功率自平衡。

由上述討論可知，無恒速驅(qū)動裝置的變速變頻同步發(fā)電機的應(yīng)用使得交流并聯(lián)供電系統(tǒng)的相位和頻率條件難以滿足，而這些限制卻對感應(yīng)發(fā)電機無效。DWIG作為一種變速變頻感應(yīng)發(fā)電機，擁有更好的并聯(lián)運行可行性。剩下的一個重要問題是發(fā)電機的并車，即如何控制發(fā)電機組投入并聯(lián)運行模式。為避免FADEC參與并車過程并減少控制耦合，發(fā)電機的電控系統(tǒng)必須提供頻率相位調(diào)節(jié)功能。沒有恒速驅(qū)動裝置的發(fā)電機控制系統(tǒng)一般也沒有頻率相位的電控調(diào)節(jié)能力，只能依靠調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。DWIG發(fā)電系統(tǒng)將通過其特殊的雙繞組結(jié)構(gòu)，利用控制繞組側(cè)AC-DC-AC拓撲交換功率流，提供了無需借助發(fā)動機調(diào)速器的頻率相位調(diào)整功能，從而滿足機組并車條件。下面將借助具體的電力系統(tǒng)架構(gòu)進行展開說明。

2 定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)

圖3以電推進飛機AC-DC供電架構(gòu)為樣例，展示了基于同步發(fā)電機的非并聯(lián)交流輸電架構(gòu)和基于定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的并聯(lián)交流輸電架構(gòu)的示意圖。其中，“AC-DC供電”指推進系統(tǒng)中的電動機依靠整流器和逆變器進行驅(qū)動?；谕桨l(fā)電機的非并聯(lián)交流輸電型AC-DC架構(gòu)中，雖然不同的交流母線可以依靠配電設(shè)備橋接，但這種連接僅發(fā)生在某些緊急工況下。對于基于定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的并聯(lián)交流輸電型AC-DC架構(gòu)，按照第1節(jié)的分析，在常規(guī)運行時，共發(fā)動機的發(fā)電機組具有相同的轉(zhuǎn)子速度，這意味著它們在正常情況下始終可以保持功率繞組交流并聯(lián)運行；同時，不共發(fā)動機的發(fā)電機組間的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也基本相同，常規(guī)狀態(tài)下也可以相互并聯(lián)運行。

比較圖3的2個輸電架構(gòu)，并聯(lián)型的電力集成度較非并聯(lián)型高。在基于同步發(fā)電機的非并聯(lián)交流輸電型AC-DC架構(gòu)中，推進電動機的負載容量較大，因此需要平均分配給獨立運行的發(fā)電機組。然而除推進電機外，系統(tǒng)中還有大量其他機載用電設(shè)備。對于非并聯(lián)型架構(gòu)，只能進行額外的配電系統(tǒng)設(shè)計以盡量保證對稱的交流功率輸出。

以圖3為例，考慮2臺容量差別較大的機載用電設(shè)備接入系統(tǒng)。在非并聯(lián)型架構(gòu)中，機載用電設(shè)備連接不同的交流母線，一方面會造成發(fā)電機組輸出功率的不對稱；另一方面，大容量機載設(shè)備的接入使得對應(yīng)發(fā)電機容量裕度的下降，帶來潛在的過載、干擾等一系列問題。而對于基于DWIG的并聯(lián)型輸電架構(gòu)，機載用電設(shè)備被統(tǒng)一接入高電力集成度的并聯(lián)交流母線上，上述的問題將不復(fù)存在。

圖3 并聯(lián)交流輸電架構(gòu)Fig.3 Parallel AC transmission architecture

在本文的并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)中，所有DWIG控制繞組側(cè)變換器的直流端都連接到同一條直流母線，這一布局對調(diào)頻調(diào)相的頻率相位同步控制至關(guān)重要。為了闡明該技術(shù)而又不失一般性，圖4給出了更具體的DWIG雙機組并聯(lián)運行模型。在圖4中，2個獨立的DWIG發(fā)電系統(tǒng)具有相同的結(jié)構(gòu)，這在文獻[14]中被證明是一種具有良好動靜態(tài)性能的獨立發(fā)電系統(tǒng)。在圖4中，控制繞組DC總線側(cè)被設(shè)計為AC-DC-AC拓撲，而電池和二極管則在電壓建立過程中作為初始激勵單元。原動機從FADEC模擬系統(tǒng)獲取轉(zhuǎn)速給定。如果將轉(zhuǎn)速給定設(shè)定為嚴格相同，這個模型即代表共發(fā)動機的發(fā)電機組；如果將轉(zhuǎn)速給定設(shè)定為圖2所示的調(diào)速特性，這個模型即可以用來研究不同發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機組并聯(lián)運行。

圖4 定子雙繞組發(fā)電機并聯(lián)運行的一般模型Fig.4 General model of two-DWIG’s parallel generation

3 機組協(xié)調(diào)并聯(lián)控制

定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機組在開始工作時，需要通過控制各自的控制繞組功率變換器進行空載建壓運行。由于目前的建壓控制策略都是針對單臺獨立運行的發(fā)電機，因此建壓后的發(fā)電機組一開始均處于非并聯(lián)運行狀態(tài)。對于共發(fā)動機的發(fā)電機組，由于參數(shù)或控制偏差等因素，建壓完成后的功率繞組輸出電壓可能存在微小的頻率偏差和緩慢交變的相位偏差；對于不共發(fā)動機的發(fā)電機組，可能存在更大的電頻率偏差和快變的相位偏差。輸出電壓幅值的調(diào)整可以依靠各臺發(fā)電機的獨立控制；而由于沒有恒速驅(qū)動裝置，相位和頻率的調(diào)節(jié)則必須依賴DWIG機組之間的協(xié)調(diào)控制。

為了使DWIG的功率繞組側(cè)安全穩(wěn)定地進入交流并聯(lián)發(fā)電狀態(tài)，這里提出一種基于功率流調(diào)節(jié)的機組協(xié)調(diào)并聯(lián)控制方案。依靠恒速驅(qū)動裝置并聯(lián)的航空交流發(fā)電機組，在并聯(lián)操作時依靠該裝置的獨立控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，并通過控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速連帶調(diào)節(jié)發(fā)電頻率和相位，從而滿足條件進行發(fā)電機組并車。本文提出的基于功率流調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)并聯(lián)控制方案，不依賴恒速驅(qū)動裝置，而依靠DWIG機組控制繞組側(cè)建立的AC-DC-AC通道在機組間協(xié)調(diào)電功率傳遞，并利用異步發(fā)電特性調(diào)節(jié)機組的輸出電壓相量并使之同步，從而避免使用額外設(shè)備進行復(fù)雜的機械或液壓并聯(lián)控制。

根據(jù)雙繞組感應(yīng)發(fā)電機機電能量轉(zhuǎn)換原理，其電機總電磁功率大約與轉(zhuǎn)差頻率成正比，即

(1)

式中：為感應(yīng)發(fā)電機的電磁功率；為轉(zhuǎn)差率；為轉(zhuǎn)子頻率；為電頻率。

式(1)依照了電動機慣例，電磁功率和轉(zhuǎn)差率在發(fā)電狀態(tài)下為負，在電動狀態(tài)下為正。通過圖4中的控制繞組側(cè)AC-DC-AC拓撲將一部分電功率從具有較高電頻率的DWIG引向具有較低電頻率的DWIG，會導(dǎo)致較高的電頻率降低而較低的電頻率升高。圖5推演了這個使電頻率相向而行的調(diào)節(jié)機制。與此同理，如果傳遞功率方向反向，那么2臺發(fā)電機的電頻率將相背而行。根據(jù)這個原理設(shè)計基于功率流控制的反饋調(diào)節(jié)器，就可以調(diào)節(jié)待并聯(lián)DWIG的功率繞組側(cè)的輸出電壓的頻率以及相位，以滿足并聯(lián)運行條件。

圖5 功率流控制并車調(diào)節(jié)機制Fig.5 Mechanic of parallel operation through power flow control

圖6展示了機組獨立起動建壓和投入并聯(lián)運行的總體控制框圖。在機組獨立起動建壓時，獨立機組(DWIG 1和DWIG 2)通過相同的磁場定向矢量控制策略分別獨立建壓。這里的矢量控制器由功率繞組電壓環(huán)、直流母線電壓環(huán)、磁鏈環(huán)、電流內(nèi)環(huán)、調(diào)制等模塊組成。矢量控制器中的功率繞組交流電壓幅值外環(huán)首先使并聯(lián)的幅值條件被滿足。進入?yún)f(xié)調(diào)并聯(lián)控制時，獨立機組(DWIG 1和DWIG 2)被分為被動并聯(lián)DWIG和主動并聯(lián)DWIG，被動并聯(lián)DWIG的控制框圖沒有發(fā)生改變，而主動并聯(lián)DWIG的直流母線電壓環(huán)此時被主動切換為一個功率流控制模塊。

圖6 機組獨立建壓和投入并聯(lián)控制總體框圖Fig.6 Overall diagram of DWIGs’ standalone voltage buildup control and coordinated parallelizing control

圖7進一步給出了具體的模塊實現(xiàn)框圖。功率繞組電壓環(huán)，直流母線電壓環(huán)，磁鏈環(huán)，電流內(nèi)環(huán)這些模塊的實現(xiàn)可以從被動并聯(lián)DWIG控制策略框圖下得到，同時這些也是獨立起動建壓過程和主動并聯(lián)DWIG控制中各同名模塊的實現(xiàn)。

圖7 模塊實現(xiàn)框圖Fig.7 Diagram of modules’ implementation

統(tǒng)一DWIG機組電頻率后的一個附帶效果即是固定了機組的輸出電壓相位差。然后，旨在消除并車機組輸出電壓相位差的第二步調(diào)節(jié)開始啟動，此時S2閉合，S1保持閉合。與頻率差調(diào)節(jié)的單方向性不同，減小相位差異的方法既可以加速滯后相的交流電壓也可以減速超前相的交流電壓。換言之，直接對相位代數(shù)差進行PI調(diào)節(jié)可能會發(fā)生逆向調(diào)節(jié)。為了防止逆向調(diào)節(jié)，需要對相位差進行重新定向。圖7中的重定向模塊可以表示為

(2)

式中：Δ為相位輸入；Δ為相位輸出。

經(jīng)過式(2)的處理，相位調(diào)節(jié)的雙方向性被轉(zhuǎn)化為單方向性。在這2個步驟的共同作用下，最終調(diào)節(jié)器會消除待并聯(lián)機組的頻率和相位差，這意味著所有并聯(lián)條件都被滿足，可以安全并車。圖8展示了協(xié)調(diào)并聯(lián)的調(diào)頻調(diào)相的控制流程圖，總結(jié)了上文對控制結(jié)構(gòu)的闡述。

圖8 協(xié)調(diào)并聯(lián)控制流程圖Fig.8 Flow chart of coordinated parallel control

協(xié)調(diào)并聯(lián)操作之后，按照分析，DWIG交流并聯(lián)發(fā)電同時會擁有良好的功率自平衡效果。正是定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的異步運行特性和雙繞組結(jié)構(gòu)帶來了這種獨特且簡單可靠的并聯(lián)方式。下一節(jié)將通過硬件在環(huán)實驗來驗證本文所提出的并聯(lián)控制方案以及并聯(lián)運行效果。

4 硬件在環(huán)實驗驗證

實驗驗證是在基于PleximRT-Box的硬件在環(huán)(Hardware in Loop, HIL)實驗平臺上執(zhí)行的。RT-Box用來模擬本文提出的并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)的功率模塊，而基于數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)TMS320F28335的硬件控制器執(zhí)行本文提出的機組協(xié)調(diào)并聯(lián)控制策略。圖9是HIL實驗平臺的照片。這里部署了2個串行連接的PleximRT-Box，以實時模擬圖4的并聯(lián)運行模型?；贒SP的控制器通過數(shù)字和模擬I/O接口連接到RT-Box，運行圖5～圖8所示的協(xié)調(diào)控制方案。RT-Box輸出表示功率信號的模擬信號，該信號由示波器探測顯示。

表1中列出了用于在環(huán)實驗驗證的250 kVA定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的單機參數(shù)，這個參數(shù)表是仿照與波音787主發(fā)電機相同的額定功率而設(shè)計的。

通過PleximRT-Box生成的模擬輸出(代表實際物理信號)演示了硬件在環(huán)實驗結(jié)果。圖10展示了協(xié)調(diào)控制并車過程，該過程首先統(tǒng)一了機組功率繞組電壓的電頻率然后消除其相位差。在圖10中，3張波形圖的放大部分按時間順序顯示了同一過程(見波形圖上方)的放大細節(jié)。當(dāng)相位差變?yōu)楹愣〞r，代表電頻率已經(jīng)同步，而當(dāng)相位差變?yōu)榱銜r，代表消除了電壓相位差。在整個過程中，控制繞組側(cè)的直流母線電壓保持穩(wěn)定。DWIG的轉(zhuǎn)子頻率的相對誤差設(shè)置為0.4%。這個過程顯示，無需發(fā)動機調(diào)速器的干預(yù)，僅依靠DWIG機組的功率變換器控制就可以實現(xiàn)并聯(lián)控制。

圖9 硬件在環(huán)實驗平臺Fig.9 HIL experimental platform

表1 定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機參數(shù)Table 1 Parameters of DWIG

圖10 協(xié)調(diào)并聯(lián)控制中統(tǒng)一電頻率并消除功率繞組電壓相位差的連續(xù)過程Fig.10 Continuous process of unifying electric frequencies and eliminating phase difference of power winding voltage in coordinated parallel control

圖11給出了并聯(lián)發(fā)電時額定功率的加載過程。圖11(a)和圖11(b)中的圖是同一圖，示波器不同的光標(biāo)指示了幅值。此時轉(zhuǎn)子頻率的相對誤差仍為0.4%。如負載電流所示，該頻率誤差對穩(wěn)定運行沒有不良影響，但是對于同步發(fā)電機，這種條件下的穩(wěn)定運行是不可能實現(xiàn)的?？蛰d條件下有較小的有功功率環(huán)流，這是因為并聯(lián)系統(tǒng)中統(tǒng)一的電頻率使較高轉(zhuǎn)速的DWIG在發(fā)電機模式下運行，而較低轉(zhuǎn)速的DWIG在電動機模式下運行。在以額定功率(即兩臺DWIG的總額定功率)加載后，2臺DWIG均進入發(fā)電機模式。光標(biāo)顯示代表電磁轉(zhuǎn)矩的模擬電壓信號為-6.6 V和-7.4 V，這意味著2臺DWIG之間的有功功率分配比率為47%∶53%，這是一個相當(dāng)自平衡的結(jié)果。與之可以對比的是，當(dāng)存在恒定的轉(zhuǎn)子頻率差時，同步發(fā)電機的并聯(lián)發(fā)電必定會失敗并且根本沒有功率分配。因此，所提出的基于DWIG的并聯(lián)運行發(fā)電系統(tǒng)在電推進應(yīng)用場合是可行的。在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越接近的情況下，所有的發(fā)電機都能并聯(lián)運行且獲得良好的功率自平衡效果。對于共發(fā)動機的同型號DWIG機組，并聯(lián)時的有功功率分配自然接近50%∶50%，而同步發(fā)電機受限于無恒速驅(qū)動裝置依然無法并聯(lián)。

圖11 并聯(lián)發(fā)電時額定功率加載過程Fig.11 Loading process by rated power in parallel generation

5 結(jié) 論

提出了一種適用于電推進飛機的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)；分析闡述了無恒速驅(qū)動裝置情況下變速變頻同步發(fā)電機并聯(lián)運行的不可行性和感應(yīng)發(fā)電機并聯(lián)運行的可行性機理；提出了DWIG機組并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)拓撲；提出了基于功率流調(diào)節(jié)的機組協(xié)調(diào)并聯(lián)控制方案。研究結(jié)果表明:

1) 定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的雙繞組結(jié)構(gòu)和異步發(fā)電特性非常適合并聯(lián)發(fā)電場合，可以在沒有發(fā)動機調(diào)速器參與的情況下完成電頻率和相位的同步以滿足并聯(lián)條件。

2) 定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的異步特性使額定功率運行下的并聯(lián)發(fā)電機組之間具有合適的功率分配自平衡。