270V 高壓直流供電系統穩態特性仿真研究

楊文俊

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001）

0 引言

直升機供電系統是現代直升機的一個重要組成部分，它為直升機上一切用電設備提供電能，以保證用電設備能夠正常工作，直升機能夠安全飛行并完成指定任務。直升機供電系統一般分為電源系統和配電系統，電源系統 實現電能的產生與變換，配電系統實現電能的傳輸與分配。

目前，國內直升機供電系統的發展從最初的低壓直流供電系統，到交、直流混合供電系統，再到交流供電系統，直至高壓直流供電系統。現階段，國內直升機主要采用28V低壓直流、115V 交流系統，難于滿足日益增長的用電負載的供電需求，更不能滿足多電全電直升機技術要求，迫切需要270V 高壓直流供電系統來提高整機的競爭力。高壓直流發電機轉速不再受發電頻率限制，能夠以更高的轉速運行，實現更高的功率密度，可減小大功率電源系統的體積重量，且采用無刷化設計，工作可靠性高，發電效率高。而且還能夠并聯運行，易于實現不中斷供電，滿足關鍵飛行負載對供電可靠性的要求。同時，高壓直流電源對非線性負載的適應性更好，電纜更輕，有助于降低系統整體的重量。高壓直流供電系統在美國已經實現了裝機應用，美國RAH-66 科曼奇武裝直升機采用270V 高壓直流供電系統，主電源為兩臺30kW 的高壓直流發電機，輔助電源為1 臺30kW 的高壓直流發電機，次級電源為變流器和3 臺直流－直流變換器，顯著地改善了直升機綜合作戰性能。

目前，國內直升機供電系統主要通過實物試驗來進行研究，效果直觀，但有成本高、周期長、風險大等缺點，尤其對于直升機故障狀態的研究，不僅付出的代價大，而且往往對故障狀態不能進行全面考察。如果能通過計算機仿真軟件，采用仿真軟件內置的各類模型快速搭建器件級、部件級、系統級仿真模型，通過不同級別的模型構建、集成，對直升機供電系統各種工作狀態下進行仿真，準確模擬實際機上供電系統的工作狀態，就能夠使用仿真模型代替實際機上供電系統。這將對直升機供電系統的設計與優化提供重要的設計思路參考，大幅度降低勞動強度，提高設計效率，提高設計方案的合理性，減少系統設計錯誤，減少系統故障發生。因此，開展直升機270V 高壓直流供電系統的仿真研究具有重要的工程實用價值。

1 高壓直流供電系統

1.1 高壓直流供電系統的優勢

目前國產直升機上所使用的最新供電體制為115V 交流供電體制，主電源為115V 交流電。270V 高壓直流電是通過對交流115V 整流得到的，在并聯供電及不間斷供電設計上存在很大優勢。經評估，270V 供電體制與115V 供電體制相比，特點主要有：

（1）重量輕、體積小。傳輸同樣功率，高壓直流輸、配電系統重量輕、體積小、損耗小。

（2）適應性好。隨著航空技術水平的不斷發展，用電設備逐漸從線性特性轉化為非線性特性，如大量使用的電力電子變換器、調速電動機具有非線性特性，照明設備也從具有線性特性的白熾燈轉變為具有非線性特性的LED 燈。非線性負載將增大高次諧波，改變交流電壓、電流的波形，加大電磁干擾，非線性負載的增加對交流電源的負面影響會更嚴重，而高壓直流更易滿足非線性負載的供電需求。

（3）軟起動能力好。270V 直流電機，具有良好的軟起動能力以及與負載匹配特性，轉速穩定性好，不受頻率變化影響，也沒有功率因數對電網的不利影響。

（4）安全性好。270V 直流系統對人身安全優于115V、400Hz 交流系統。

（5）二次電源變換裝置整體性能好。DC/DC 變換器與AC/DC 變換器相比，具有的優勢有前者效率高，超過92%，后者大約在85%左右；前者的輸出電壓不因電源電壓和負載大小而變；前者的重量更輕。

（6）直流固態功率控制器比交流固態功率控制器結構簡單，體積小，損耗小，工作可靠。

（7）交流系統可用異步電動機來驅動泵和風扇，簡單、方便；高壓直流電動機需要增加控制器，具有良好的軟起動能力及與泵負載匹配特性，不受頻率變化影響，轉速穩定性好。

270V 高壓直流電源系統為以后直升機大功率用電設備奠定了基礎，大大提高了電源系統的轉換效率，減輕了直升機的設計重量，成為未來直升機發展的趨勢。

1.2 高壓直流供電系統構型

供電系統發電通道一般根據主發電機的數量進行分類，具體分為單發電通道、雙發電通道、三發電通道、四發電通道等類型。由于需考慮大容量供電，如果采用單發電通道，將大大降低系統完成任務的能力；而采用三、四發電通道，系統復雜，動力裝置又無現成接口可以利用，因此，將采用雙發電通道，這是目前使用的最多的一種供電系統，在戰斗機、運輸機、直升機上得到廣泛運用。

供電系統的運行方式可分為轉換供電、并聯供電、分組并聯供電。并聯供電系統需要自動負載均衡電路；在系統發生故障時，需考慮的保護比較復雜，既要考慮并聯運行引發的故障保護，又要考慮發電機退出電網后單機運行的故障保護；另外，還要考慮系統發生短路故障時，短路電流高于轉換供電系統，對接觸器的分斷能力要求更高。因此，綜合上述因素考慮，擬采用轉換供電方式。

綜上分析，初步設計270V 高壓直流供電系統總體構型如圖1 所示。主電源系統由兩個獨立的分系統組成，每個分系統在正常工作狀態下獨立工作，分別給各自的匯流條供電，當某一個系統故障時，正常工作的系統自動切換，給全機負載提供所需電力。APU 輔助電源系統提供機上備份電源。在地面，無地面電源時提供機上設備地面維護、校準、裝載和準備等階段所需的電源；當主電源系統失效時，提供全機重要用電負載所需電源，此時，直升機盡快返航著陸。二次電源系統由兩個獨立的子系統組成，每個子系統在正常工作狀態下獨立工作，分別給各自的匯流條供電，當某一個系統故障時，正常工作的系統自動切換，給全機負載提供所需電力。蓄電池組電源系統提供機上應急直流電源。在野外無地面電源的條件下，提供輔助動力裝置起動電源。在主直流電源兩個子系統都失效的情況下，向飛行安全所必需的用電設備提供應急供電電源。

圖1 270V 高壓直流供電系統總體構型

2 高壓直流主電源發電機仿真模型

2.1 三級式無刷同步電機

目前高壓直流主電源發電機有幾種方案可供選擇，例如三級無刷同步電機、雙凸極發電機、籠型異步發電機、開關磁阻發電機等。開關磁阻發電機和雙凸極發電機都是磁阻類電機，結構簡單，適合高速運行。但開關磁阻電機發電運行時需要全功率變換器和位置傳感器，發電控制難度大，系統效率較低；雙凸極發電機與三相全橋整流器組合即可構成高壓直流發電機，通過調節勵磁電流穩定輸出電壓，發電控制簡單，但功率密度相對較低。三級式無刷同步電機具有發電技術成熟的優點，廣泛應用于機載電源系統中。

三級無刷同步直流發電機由三級無刷同步發電機、輸出三相整流橋和輸出濾波電路等組成。圖2 為三級無刷同步直流發電機的等效電路示意圖，該發電機是由主發電機、交流勵磁機、旋轉整流器、永磁副勵磁機（永磁發電機）組成。主發電機為凸極旋轉磁極式同步電機，轉子上有勵磁繞組與阻尼繞組，定子裝電樞繞組，轉子繞組與定子繞組之間通過磁場耦合進行機電能量轉換；交流勵磁機為旋轉電樞式同步電機，勵磁繞組裝在定子上，電樞繞組裝在轉子上，且無阻尼繞組；交流勵磁機的電樞繞組通過旋轉整流器和主發電機的勵磁繞組相連，提供主發電機的勵磁電流；永磁副勵磁機為旋轉磁極式永磁發電機，為控制電路和交流勵磁機的勵磁回路供電。輸出整流橋、輸出濾波電路實現將主發電機發出的交流電轉化為高壓直流電為直升機提供電源。

圖2 三級無刷同步直流發電機等效電路圖

2.2 數學模型

勵磁機和主發電機都是凸級同步發電機，氣隙磁場均為正弦分布，兩者區別僅在于：勵磁機磁極上沒有阻尼繞組，但主電機磁極上裝有直軸阻尼繞組和正交軸阻尼繞組。因此勵磁機的數學模型與主發電機一致，簡化主發電機數學模型中的交直軸阻尼繞組項，就可得到勵磁機的數學模型。發電機由定子（電樞）和轉子（磁極）兩部分組成。定子上有電樞鐵心和嵌在槽內的電樞繞組，轉子上有磁極鐵心和勵磁繞組。當勵磁繞組通上直流電后形成磁場。當原動機驅動轉子旋轉時，電樞繞組將切割磁場并感應出一定頻率的交流電。同步電機的轉子轉速與頻率以及極對數保持著如下關系式：n=60/p。

根據圖3 的參考方向來寫定子電壓方程，可列出同步發電機的電壓方程如下：

圖3 凸級同步電機等效電路圖

對磁鏈的方程式進行分析，首先，對于定子a 相所交鏈的總磁通，除了定子三相電流產生的與a 相交鏈的部分外，還包括轉子上每個繞組中的電流所產生的與a 相交鏈的部分，故可得：

式中L表示自感系數，m表示互感系數。

根據以上的分析，可同樣得出b 相、c 相以及轉子上每個繞組的磁鏈，可列出同步發電機的磁鏈方程如下：

2.3 仿真模型

整體三級無刷同步高壓直流發電機的整體仿真模型如圖4 所示。包括永磁發電機（副勵磁機）(sub exciter)、旋轉電樞式同步電機（勵磁機）(main exciter)、旋轉磁極式同步電機（主發電機）(main motor)、旋轉整流橋（Bridge）、主發輸出整流橋（Bridge1、Bridge2）、輸出濾波電路等主要組成部分。輸入為電機轉速n（r/min），輸出m1、m2、m3 分別為永磁發電機（副勵磁機）、旋轉電樞式同步電機（勵磁機）、旋轉磁極式同步電機（主發電機）的電壓、電流等參量；FA、FB、FC 為永磁機輸出三相端口，F+、F-為勵磁繞組端口，Uo、GND 端口為主發三相輸出整流后的直流輸出端口。利用該仿真模型輸出的電壓波形如圖5 所示。

圖4 三級式同步直流發電機的Matlab 仿真模型

圖5 三級式無刷同步電機輸出的270V 電壓波形

3 直流穩態特性參數測試

3.1 穩態直流電壓和穩態直流電流

穩態電壓為在任意長時段內供電電壓保持在正常工作穩態特性范圍內的電壓大小，穩態可有微小瞬變。穩態電流為在不大于且接近 1s 的時間間隔內直流瞬時電壓的時間平均值。穩態電壓和穩態電流的區別僅僅在于外部使用的測試模塊是電壓表還是電流表，其內部測試模塊是相同的。uZi為采樣點電壓瞬時值，i為采樣序列，n為1s 期間總采樣次數，按下式計算穩態直流電壓Uz：

在Simulink 中搭建模塊，Switch 是一個關于時間邏輯的開關，當Clock 中的時間小于1 時，開關向下導通，時間大于等于1 時，開關向上導通。向下導通時，由于是第一秒的平均值，在一秒內使用Mean 模塊直接取得平均值。向上導通時，由于進入了第二秒后，要計算一秒內的平均值需要減去前一秒的累加值，通過Integrator 模塊積分求出累加值，后使用一個Transport Delay 模塊，將Time Delay 設置為1，通過減去前一秒的累加值，得到一秒內的積分。

3.2 直流畸變系數

直流畸變與穩態直流電壓之比即為直流畸變系數。先測試計算直流畸變UZJ，T 為采集時間，uZJi為直流畸變波形采樣點的電壓瞬時值，i為采樣序列，n為1s 期間總采樣次數，Δt為采樣周期。按下式計算出直流畸變：

直流畸變系數kZJ如下式所示：

3.3 直流電壓脈動幅度

脈動幅度為瞬時電壓與穩態直流電壓的大差值，從所采集的瞬時電壓中求出最大值Umax和最小值Umin。然后按照下式求出直流電壓脈動幅度UZM：

在Simulink 中搭建測試模塊，首先在Buffer 模塊中儲存一秒內采集到的電壓值，并通過MinMax 模塊求得最大最小值，根據直流電壓脈動幅度的計算公式，將所求得的最大值與穩態直流電壓作差，再將穩態直流電壓與最小值作差，通過MinMax 模塊求出兩個差值中的最大值即為直流電壓脈動幅度。

3.4 測試結果

將這三個直流電源測試模塊進行封裝，并對270V 電源系統進行測試，測試結果如表1 所示，測試結果與理想值相吻合，且在GJB 和704F 的規定范圍內。

表1 270V直流穩態特性參數測試結果對比

4 小結

本文根據特性參數的數學公式，設計直流電源系統穩態特性參數的測試方法，在Matlab/Simulink 環境下搭建測試模塊對直流電源系統的穩態特性進行仿真測試，包括穩態電壓、畸變系數、脈動幅度等。測試270V 電源的穩態特性參數，測試結果與理論計算值相吻合，且在GJB-181B 的規定范圍內，驗證了仿真模型的準確性。