杜辰韜，鄭嘉揚(yáng)

(南京航空航天大學(xué)，南京 211100)

0 引 言

多電飛機(jī)中的二次動(dòng)力系統(tǒng)中大部分以電能的形式傳輸，這可以大大降低系統(tǒng)重量和成本，提高飛機(jī)的維護(hù)性和可靠性。電氣系統(tǒng)是多電飛機(jī)的中樞系統(tǒng)，而隨著多電飛機(jī)恒功率負(fù)載的增多，使得電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此建立用于研究分析飛機(jī)電氣發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型十分有必要[1]。

本項(xiàng)目采用典型的高壓直流電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：通過(guò)對(duì)電容、負(fù)載功率等電路參數(shù)以及閉環(huán)控制參數(shù)的改變研究系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍。在負(fù)載功率需求發(fā)生波動(dòng)時(shí)，采用超級(jí)電容及儲(chǔ)能電池相結(jié)合支撐電壓，利用超級(jí)電容器功率密度高和循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電過(guò)程的優(yōu)化控制，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，提高儲(chǔ)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[4]。在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建電氣系統(tǒng)，分別搭建270 V高壓直流發(fā)電機(jī)、電動(dòng)泵和電力作動(dòng)器負(fù)載、電池單元充放電系統(tǒng)模型，并分析了并網(wǎng)電氣系統(tǒng)在不同運(yùn)行自控下的穩(wěn)定性，再進(jìn)行了并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。為多電飛機(jī)提供測(cè)試電氣部分的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為多電飛機(jī)的構(gòu)建提供可靠的測(cè)試方法。

1 HVDC270V主電源建模及控制策略

1.1 永磁同步發(fā)電機(jī)建模

永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)具有損耗小、可靠性強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。本文利用恒轉(zhuǎn)速輸入的永磁同步發(fā)電機(jī)，作為多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)270 V的高壓直流主電源[5]。在理想情況下，忽略永磁電機(jī)的鐵心飽和、不計(jì)鐵耗，忽略渦流和磁滯損耗、認(rèn)為定子繞組電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì)[6]。

運(yùn)用坐標(biāo)變換理論，可以得到在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型[7]。

定子電壓方程可表示為

(1)

轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

式中,ud、uq為定子電壓d、q軸分量，id、iq為定子電流軸分量，Ld、Lq為d、q軸電感分量，ψd、ψq為定子磁鏈d、q軸分量，ψf為永磁體磁鏈，R為定子電阻，ωe為電角速度，Te為pn為極對(duì)數(shù)[8]。

1.2 空間矢量脈寬調(diào)制的基本原理和實(shí)現(xiàn)

為了使電機(jī)輸入的三相正弦電壓在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，直接按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的目標(biāo)來(lái)控制PWM電壓，即磁鏈跟蹤控制原理。通過(guò)電壓空間矢量的疊加得到磁鏈，故稱為空間矢量脈寬調(diào)制，即SVPWM[9]。

由于三相PWM整流器的每個(gè)橋臂有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管，同一個(gè)橋臂只能有一個(gè)器件導(dǎo)通，共8種狀態(tài)，(如圖所示)。8種狀態(tài)用各橋臂通斷狀態(tài)的組合表示為6個(gè)非零的空間矢量 (001)、 (010)、 (011)、 (100)、 (101)、 (110)和2個(gè)零矢量 (000)、 (111)。

SVPWM的實(shí)現(xiàn)方法就是，當(dāng)電壓空間矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)扇區(qū)時(shí)，控制整流器中的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和開(kāi)斷時(shí)間，就可以控制交流測(cè)的電壓正弦化[10]。

在每個(gè)周期Ts中控制電壓矢量的作用時(shí)間，從而控制合成矢量。以扇區(qū)Ⅰ為例，根據(jù)平衡等效原則得:

(3)

式中,T4、T6、T0分別為U4，U6和零矢量U0(U7)的作用時(shí)間。在兩相靜止參考坐標(biāo)系(a，β)中，令Uout和U4間的夾角是θ，由正弦定理可得

(4)

因?yàn)橛行щ妷菏噶糠祙U4|=|U6|=2Udc/3，代入式(4)可得:

(5)

1.3 PMSG-PWM整流系統(tǒng)的矢量控制

PMSG-PWM整流系統(tǒng)采用外電壓內(nèi)電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，由式可知，由于ψf恒定，當(dāng)id=0時(shí)控制iq即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制[11]。

并且為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)解耦，采用前饋補(bǔ)償?shù)姆绞较詈?，即將ωeLqiq，-ωeLdid+ωeψf作為前饋補(bǔ)償?？傮w的控制框圖如圖2所示。

圖1 電壓空間矢量示意圖

圖2 PMSG-PWM系統(tǒng)矢量控制圖

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)建模及控制策略

在多電飛機(jī)負(fù)載中，永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)應(yīng)用很廣泛，所以本文將搭建電動(dòng)泵和電力作動(dòng)器負(fù)載系統(tǒng)，以研究多電飛機(jī)的負(fù)載特性。

永磁同步電機(jī)(PMSM)的結(jié)構(gòu)同永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)，但需要以電動(dòng)機(jī)慣例進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，規(guī)定流入定子電樞繞組的方向?yàn)殡娏鞯恼较颉?/p>

PMSM的矢量控制系統(tǒng)為外轉(zhuǎn)速內(nèi)電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)模塊：永磁同步電機(jī)模塊、外速度/內(nèi)電流環(huán)模塊、坐標(biāo)變換模塊、空間矢量脈寬調(diào)制、逆變器模塊、測(cè)量模塊。整個(gè)控制過(guò)程與PMSG-PWM系統(tǒng)類似，不同之處在于：在外環(huán)，轉(zhuǎn)速給定值n*與轉(zhuǎn)速實(shí)際值n的偏差經(jīng)PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，輸出q軸定子電流分量給定值。具體參考文獻(xiàn)[10-11]，這里不再詳述。

3 雙向DC/DC充放電系統(tǒng)建模與控制

3.1 雙向變換器的基本原理和小信號(hào)建模

雙向直流變換器是將開(kāi)關(guān)管代替單向直流變換器中的二極管[12]。在Buck、Boost、Buck/Boost、Cuk、Zeta、Sepic六種基本單向直流變換器中，將其二極管用開(kāi)關(guān)管來(lái)替代，就變?yōu)橄鄳?yīng)雙向直流變換器。

本項(xiàng)目中的270/28 V雙向DC/DC變換器要求的變比較高，輸出功率較大(≥10 kW)，經(jīng)過(guò)考慮，選用半橋結(jié)構(gòu)的雙向變換器，并使用獨(dú)立PWM控制方式[13],如圖3所示。

圖3 半橋變換器電路結(jié)構(gòu)

在升壓模式下(Boost)，開(kāi)關(guān)管Q1及二極管D2工作，Q2與D1總處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，僅控制Q1的通斷，將蓄電池電壓升高至母線電壓，給后級(jí)負(fù)載供電。

在降壓模式下(Buck)，開(kāi)關(guān)管Q2及二極管D1工作，Q1與D2總處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，僅控制Q2的通斷，將母線電壓降低至蓄電池電壓，給蓄電池充電[14-15]。

對(duì)于控制信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的高低電平，可以得到半橋變換電路的兩種工作狀態(tài)[16]，如圖4所示。

圖4 半橋變換器的兩種狀態(tài)

如圖4(a)所示，在電流連續(xù)的狀態(tài)下，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)(0,Ts)，電感電壓vL(t)與電容iC(t)電流分別為

(6)

如圖4(b)所示，變換器工作在狀態(tài)2時(shí)，有：

(7)

將變換器中的各變量分解為直流分量和擾動(dòng)量，作小信號(hào)分析，再經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換可得：

(8)

聯(lián)立后消除電流擾動(dòng)量，可得：

(9)

變換器的閉環(huán)控制框圖如圖5所示。

圖5 變換器的閉環(huán)控制框圖

3.2 閉環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)的控制器模型為電壓?jiǎn)伍]環(huán)的PI控制[17]。應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)控制效果不理想。單電壓環(huán)控制時(shí)，PID參數(shù)對(duì)于輸出的調(diào)節(jié)效果很不顯著，僅僅只能控制系統(tǒng)穩(wěn)定與否，且穩(wěn)定性對(duì)參數(shù)很敏感。

由此，考慮采用兩個(gè)控制回路級(jí)聯(lián)。對(duì)于雙環(huán)控制系統(tǒng)，要求內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于外環(huán)[18]。在變換器回路中，電感電流對(duì)于輸入信號(hào)的傳遞函數(shù)為

(10)

對(duì)于一個(gè)一階響應(yīng)，相比于輸出電壓的二階響應(yīng)，電感電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程要快得多，適合作為內(nèi)環(huán)被控對(duì)象。于是考慮采用輸出電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)的控制方式。

在接入電機(jī)負(fù)載時(shí)，對(duì)于電機(jī)不同狀態(tài)，變換器需要的控制效果不同。故改進(jìn)傳統(tǒng)電壓，電流雙環(huán)中由電壓信號(hào)調(diào)制出電流環(huán)基準(zhǔn)值的方法，將電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載情況信號(hào)引入變換器，根據(jù)電機(jī)工作狀態(tài)給予電流環(huán)不同的基準(zhǔn)。

電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)，由于只有轉(zhuǎn)速上升時(shí)需要蓄電池輸出電流，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)基本無(wú)電流。故將實(shí)際轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)PD調(diào)節(jié)器的輸出作為電流基準(zhǔn)。電機(jī)帶不同負(fù)載時(shí)的需求電流不同。故電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，根據(jù)負(fù)載情況設(shè)置額定電流基準(zhǔn)值。

4 電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

本文搭建的并網(wǎng)電力系統(tǒng)存在兩種工作模式：其一，發(fā)電機(jī)正常工作，向直流母線輸出電壓，為電動(dòng)機(jī)負(fù)載供能，同時(shí)為電池單元充電；其二，發(fā)電機(jī)由于故障原因無(wú)法輸出電能，則電池單元切換至輸出模式，維持直流母線電壓，為電動(dòng)機(jī)負(fù)載供能。

圖6 多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

PMSM在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩恒定可以等效成恒功率負(fù)載(constant power loads, CPL)，而28 V蓄電池單元在充電過(guò)程中的電壓電流恒定，功率約為2.8 kW，也可以視作恒功率負(fù)載(CPL)，所以可以將PMSM負(fù)載和電池單元等效成一個(gè)恒功率負(fù)載。

由于恒功率負(fù)載具有負(fù)阻抗特性，會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故進(jìn)行分析驗(yàn)證[19-20]。

4.1 電氣系統(tǒng)正常工作情況

組網(wǎng)后電氣系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)輸出并聯(lián)恒功率負(fù)載與恒阻性負(fù)載，據(jù)此分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。直流側(cè)輸出的物理等效模型如圖7所示[21]。

圖7 正常工作時(shí)直流母線等效圖

圖中，idc其中為直流負(fù)載電流，iCRU為PMSG輸出電流，iR為恒阻性負(fù)載電流，iCPL為恒功率負(fù)載輸出電流。采用泰勒級(jí)數(shù)，將PMSG控制電氣系統(tǒng)線性得到狀態(tài)空間表達(dá)式形如

(11)

y=C(x0,y0)x+D(x0,u0)u

(12)

其中，狀態(tài)變量為x=[idiqXeXdXqEdcEdcfiCRUf],輸入變量u=[Edcriqr],輸出變量為y=Edc，而矩陣A為系統(tǒng)矩陣[22]。為進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，采用李雅普諾夫第一法，即計(jì)算系統(tǒng)矩陣A的特征值來(lái)驗(yàn)證穩(wěn)定性。

帶入電機(jī)參數(shù)計(jì)算矩陣A的特征值，并選取距離零點(diǎn)最近的為主特征值。固定恒阻性負(fù)載為5 kW, 由于Udc=270 V，即負(fù)載大小R≈15 Ω，逐漸增加恒功率負(fù)載(CPL)的功率值大小。并將系統(tǒng)的主特征值繪制在復(fù)平面上，得到圖8所示，其中箭頭表示CPL增大方向。

圖8說(shuō)明當(dāng)CPL逐漸增大時(shí)，主特征值在復(fù)平面的位置逐漸右移，超過(guò)虛軸后不再穩(wěn)定。所以CPL的大小與系統(tǒng)穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系。

圖8 隨CPL增加的系統(tǒng)主特征值

現(xiàn)對(duì)CPL進(jìn)行的單變量研究，由仿真結(jié)果(如圖所示)可知，隨著恒功率負(fù)載大小的增加，輸出波形的最終發(fā)生振蕩，即發(fā)電機(jī)會(huì)趨于不穩(wěn)定。從而驗(yàn)證了理論分析，故系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)需關(guān)注負(fù)載的大小，來(lái)維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖9 發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)系統(tǒng)對(duì)CPL變化的響應(yīng)

4.2 發(fā)電機(jī)故障情況

當(dāng)發(fā)電機(jī)故障時(shí)，電池單元單獨(dú)供電，系統(tǒng)可以等效為28 V蓄電池單元經(jīng)DC/DC變換器輸出并聯(lián)恒功率負(fù)載和恒阻性負(fù)載,如圖10所示。

圖10 電池單元單獨(dú)供電時(shí)等效圖

(13)

(14)

根據(jù)經(jīng)典控制理論中，傳遞函數(shù)H1(s)和H2(s)的極點(diǎn)均需有負(fù)實(shí)部，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，故必須滿足：

(15)

對(duì)CPL進(jìn)行的單變量研究后，得到結(jié)果電壓波形圖如圖11所示。隨著CPL的增大，輸出波形的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間明顯增加，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。

圖11 發(fā)電機(jī)故障時(shí)系統(tǒng)對(duì)CPL的響應(yīng)

值得注意的是，發(fā)電機(jī)故障情況下，由于電池單元的負(fù)載能力受限，當(dāng)負(fù)載功率到達(dá)一定范圍時(shí)，輸出電壓由于受限無(wú)法保持輸出270 V穩(wěn)態(tài)電壓。

5 仿真結(jié)果

在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)的仿真模型，其中分為永磁同步發(fā)電機(jī)、永磁同步電機(jī)負(fù)載、電池單元三個(gè)子系統(tǒng)。對(duì)這三個(gè)子系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真運(yùn)行，觀測(cè)分析參數(shù)和模型的可靠性。其次，對(duì)并網(wǎng)的電氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，分別分析正常工作和發(fā)電機(jī)故障運(yùn)行的情況。驗(yàn)證電氣系統(tǒng)仿真模型的正確和可靠性。

5.1 永磁同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真結(jié)果

表1給出的是額定轉(zhuǎn)速6000 r/min的永磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)，根據(jù)以上參數(shù)分析PMSG-PWM整流系統(tǒng)雙閉環(huán)系統(tǒng)，計(jì)算內(nèi)電流環(huán)和外電壓環(huán)調(diào)節(jié)器的PI值大小，經(jīng)調(diào)試后得到如表2所示參數(shù)。

表1 PMSG參數(shù)

表2 PMSG-PWM系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)參數(shù)表

使用表2中參數(shù)對(duì)雙閉環(huán)PMSG-PWM系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，得到如圖12所示波形結(jié)果。

圖12 輸出直流電壓波形圖

可見(jiàn)輸出電壓經(jīng)過(guò)很短的調(diào)節(jié)時(shí)間就穩(wěn)定在了270 V，響應(yīng)時(shí)間短，且超調(diào)量較小。

圖13可以看出id在穩(wěn)定階段維持在0附近，這與id=0的解耦策略一致。而iq也在很短時(shí)間內(nèi)完成了調(diào)節(jié)，到達(dá)恒定狀態(tài)。

圖13 PMSG-PWM系統(tǒng)iq和id波形圖

5.2 永磁同步電機(jī)負(fù)載仿真結(jié)果

本文以永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)為核心，搭建了6000 r/min電力作動(dòng)器和11500 r/min電動(dòng)泵的仿真模型，作為多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)的負(fù)載。

其中6000 r/min電力作動(dòng)器的參數(shù)同永磁同步發(fā)電機(jī)如表1所示，而11500 r/min電動(dòng)泵負(fù)載參數(shù)如表3所示。

表3 電動(dòng)泵負(fù)載參數(shù)

首先給出6000 r/min電力作動(dòng)器的仿真結(jié)果：為驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性，設(shè)置在仿真時(shí)間t=0.7 s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從突變?yōu)?。仿真結(jié)果如表4所示，從圖14可見(jiàn)id一直在0附近振蕩，而iq波形在t=0.45 s時(shí)穩(wěn)定，在t=0.7 s時(shí)，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，iq也發(fā)生突變。而從圖15可知，轉(zhuǎn)速很快穩(wěn)定在6000 r/min，且在發(fā)生轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)后，迅速回到穩(wěn)定值，動(dòng)態(tài)性能較好。

圖14 電力作動(dòng)器iq和id波形圖

圖15 電力作動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)速大小波形圖

表4 電力作動(dòng)器PI調(diào)節(jié)參數(shù)表

表4中，電流環(huán)限幅值設(shè)定同PMSG-PWM系統(tǒng)，但是轉(zhuǎn)速環(huán)輸出參考值為iq,限幅值設(shè)定同PMSG-PWM電壓環(huán)。

同 6000 r/min電力作動(dòng)器模型，改變電機(jī)和PI調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，如表5所示即可實(shí)現(xiàn)11500 r/min電動(dòng)泵的仿真結(jié)果，其運(yùn)行特征和電力作動(dòng)器相似，現(xiàn)只給出d-q軸電流和轉(zhuǎn)速大小波形圖，可以看出模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好(如圖16和圖17所示)。

表5 電動(dòng)泵PI調(diào)節(jié)參數(shù)表

圖16 電動(dòng)泵iq和id波形圖

圖17 電動(dòng)泵輸出轉(zhuǎn)速大小波形圖

5.3 DC/DC充放電系統(tǒng)仿真結(jié)果

首先，測(cè)試系統(tǒng)接阻性負(fù)載時(shí)的輸出情況[23]，可見(jiàn)響應(yīng)快速且無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，符合要求,如圖18所示。

圖18 純阻性負(fù)載下輸出電壓波形

再次在單方向的蓄電池供電模式下，測(cè)試電機(jī)啟動(dòng)和帶負(fù)載的過(guò)程。270 V母線電壓及電機(jī)轉(zhuǎn)速波形如圖19所示。

圖19 電機(jī)負(fù)載下的母線電壓及電機(jī)轉(zhuǎn)速

可見(jiàn)電機(jī)起動(dòng)和帶載轉(zhuǎn)速都正常，母線電壓會(huì)在接入負(fù)載時(shí)發(fā)生波動(dòng)，最后會(huì)恢復(fù)到正常值。

當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在正常狀態(tài)下，電池單元處于充電狀態(tài)，蓄電池的電量、電流、電壓如圖20所示，可見(jiàn)電量在上升，電壓穩(wěn)定在28 V，而電流因?yàn)閰⒖挤较蛟驗(yàn)樨?fù)，即電流輸入到電池單元。說(shuō)明雙向DC/DC變換器可以正常運(yùn)行。

圖20 蓄電池充電時(shí)電量、電流、電壓波形圖

5.4 并網(wǎng)電氣系統(tǒng)仿真結(jié)果

5.1至5.3小節(jié)分析了電氣系統(tǒng)部件級(jí)的仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了子系統(tǒng)的正確和可靠性。下面進(jìn)行并網(wǎng)電氣系統(tǒng)的仿真分析。分別在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和發(fā)電機(jī)故障情況下，分析系統(tǒng)的響應(yīng)情況，驗(yàn)證模型在不同工況下運(yùn)行的可靠性。

在發(fā)電機(jī)正常工作情況下，母線由永磁同步發(fā)電機(jī)供電，此時(shí)變換器工作在降壓模式，給蓄電池恒流充電。此時(shí)電機(jī)負(fù)載也都由永磁同步發(fā)電機(jī)供電。

圖21 正常供電時(shí)的母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速

在電機(jī)轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，母線電壓有輕微波動(dòng)。負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速均正常，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，轉(zhuǎn)速突降，變換器通過(guò)檢測(cè)母線電壓值來(lái)判斷故障情況，切換模式，由蓄電池經(jīng)變換器給電機(jī)負(fù)載供電。Matlab/Simulink仿真中，將母線電壓值與允許的最低值進(jìn)行比較，其結(jié)果通過(guò)一個(gè)RS觸發(fā)器，作為切換信號(hào)。RS觸發(fā)器的作用是防止變換器供電后母線電壓上升超過(guò)閾值時(shí)的反復(fù)切換,如圖22所示。

圖22 模式切換控制器

仿真中，假設(shè)為最惡劣情況(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速突降到0)。此時(shí)，加大變換器輸出端的電容值(為100 mF)，使得電壓突降時(shí)，濾波電容同時(shí)充當(dāng)儲(chǔ)能的超級(jí)電容，短時(shí)間內(nèi)給負(fù)載供電，減緩電壓波動(dòng)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)，在切換工作模式之后，再引入負(fù)載波動(dòng)，仿真波形如圖23、圖24所示。

圖23 蓄電池供電時(shí)負(fù)載波動(dòng)下的母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖24 蓄電池的電量，輸出電流，輸出電壓

在發(fā)電機(jī)故障后，變換器可以及時(shí)切換狀態(tài)，以使得母線電壓變化在允許范圍內(nèi)，從而負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速基本無(wú)波動(dòng)。蓄電池在發(fā)電機(jī)供電時(shí)處于正常的恒流充電狀態(tài)。同時(shí)，變換器可以通過(guò)檢測(cè)電機(jī)負(fù)載變化，調(diào)整電流基準(zhǔn)值，維持母線電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

6 結(jié) 論

將多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)劃分為發(fā)電機(jī)、電機(jī)負(fù)載和電池單元3個(gè)子系統(tǒng)。依次分析了永磁同步電機(jī)和雙向DC/DC充放電系統(tǒng)的原理和各自的控制方法，以及電氣系統(tǒng)在不同運(yùn)行工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性。運(yùn)用Matlab/Simulink平臺(tái)，進(jìn)行了電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分析表明恒功率負(fù)載對(duì)電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性存在影響，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合電氣系統(tǒng)的運(yùn)行特性，并能夠在發(fā)電機(jī)故障和負(fù)載波動(dòng)情況下快速穩(wěn)定地響應(yīng)。