CN105450021B - 一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法 - Google Patents
一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105450021B CN105450021B CN201510969637.6A CN201510969637A CN105450021B CN 105450021 B CN105450021 B CN 105450021B CN 201510969637 A CN201510969637 A CN 201510969637A CN 105450021 B CN105450021 B CN 105450021B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- stab
- constant power
- power load
- ref
- modulated signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
- H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
- H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
- H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
- H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
- H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
- H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
- H02M1/0029—Circuits or arrangements for limiting the slope of switching signals, e.g. slew rate
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
本发明涉及一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法,以航空低压直流恒功率负载为控制对象,采用双闭环控制结构,通过采集后级电容能量(外环)和前级电感电流(内环),设计了一种基于滤波电感电流的高频分量直接注入占空比的方法,使得在相同的恒功率负载条件下,可以使用更小体积及重量的电容使***稳定,可以很好地满足于航空航天***重量轻体积小的需求。本发明改善恒功率负载时***的稳定状况,抑制***振动。显著减小LC滤波器电容,很好地满足于航空航天***重量轻体积小的需求,增加飞机的续航能力并减轻飞机对航空燃油的消耗。有较强的实用价值。
Description
技术领域
本发明属于直流电源变换器***,涉及一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法。
背景技术
在航空航天领域,随着越来越多的液压或者气压传动装置被电动所取代,从多电飞机逐渐发展全电飞机。电力***在未来飞行器中将占据一种主导型地位。而飞机对航空产品的体积和重量的要求十分严格,减轻电力***的负重不但可以增加飞机的续航能力,还能降低飞机对航空燃油的消耗。这些对于节能减排、降低成本开销、提高***稳定性能都具有直接的实用价值。
在现代飞机直流供电***中,闭环控制的电动机负载与变换器负载皆可视为恒功率负载。这些负载的功率在***电压波动时依然保持恒定,也就是说,当输入电压上升/下降时,***会降低/升高占空比以维持输出电压继续追踪给定电压,与此同时,低/高占空比会导致输入电流的下降/上升。因此,在很短的时间范围内,负载的电压与电流乘积为常数,阻抗V/I>0,但增量阻抗为负,即dV/dI<0,这种特性称作负阻抗特性,这种负阻抗特性与其它***级联时,会影响整个***的稳定。
随着变换器负载和电动机负载的不断增加,采用分布式配电方式和模块化的设计使各个负载及变换器的尺寸更加紧凑。但是正如飞机着陆***和飞控***之间那样,不同模块之间却具有较长的传输距离。在分析***的稳定性时,这种长电缆上所具有的高杂散电感必须加以考虑,它们会改变前级输出阻抗并降低***的稳定性能。因此,在航空航天***的设计中必须尊重特定的供电质量的要求,为了解决这种问题,需给***添加具有较大电容的输入滤波器。这种电容作为支撑作用常常具有较大的体积和重量,针对航空产品对小体积和轻重量的要求,优化滤波电容的尺寸成为最大限度减小飞机负重的一种可行性方案。但是,在与具有负阻尼特性的恒功率负载级联时,降低滤波电容会降低***的阻尼比并使***的不稳定风险显著提升。因此,设计一种不损失***稳定性的同时,还能使电力***负重显著降低的方法是一项具有现实意义的任务。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处,本发明提出一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法,能够在降低电力***负重的同时,提升***稳定输出范围。
技术方案
一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:对前级滤波器的电感电流if和电容电压vf进行采样,对变换器的输出电压vo和电感电流iL进行采样;
步骤2:计算后级电容上的能量E=0.5Cvo 2,与能量参考值Eref=0.5CVoref 2进行比较作为外环误差信号,进而产生内环电流环的参考值Iref=Pref/vf,其中Pref=Eref-E;内环电流环的参考值与iL进行比较后产生控制信号d0,其中C为变换器后级电容值,Voref为负载电压参考值;
步骤3:通过一个高通滤波器HPF滤除前级滤波器的电感电流if的基波分量,然后将得到的高频谐波分量乘以一个固定的比例系数Kstab,得到占空比调制信号dstab=Kstab·HPF(if),其中Kstab取值为0~-2;
步骤4:最终驱动开关管的调制信号为控制信号d0和占空比调制信号dstab的叠加d=d0+dstab。
有益效果
本发明提出的一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法,以航空低压直流恒功率负载为控制对象,采用双闭环控制结构,通过采集后级电容能量(外环)和前级电感电流(内环),设计了一种基于滤波电感电流的高频分量直接注入占空比的方法,使得在相同的恒功率负载条件下,可以使用更小体积及重量的电容使***稳定,可以很好地满足于航空航天***重量轻体积小的需求。同时提高了***的可靠性,安全性,减少了成本。
附图说明
图1***结构图;
图2***拓扑图;
图3控制***原理图;
图4***输出功率的稳定范围关于占空比调制信号比例系数Kstab的变化图(蓝色圆圈代表稳定,);
图5***输出功率的稳定范围关于滤波电容大小的变化图(蓝色圆圈代表稳定);
图6当原***参考电压从28V阶跃到48V时的***仿真结果图;
图7当加入占空比调制信号(Kstab=-1.1)时***参考电压从28V阶跃到48V时的仿真结果图;
图8实验设备图;
图9当原***(Kstab=0)参考电压从28V阶跃到48V时的实验结果图;
图10当加入占空比调制信号(Kstab=-1.1)时***参考电压从28V阶跃到48V时的实验结果图;
图11在***参考电压为48V时,加入占空比调制信号后的实验结果图;
图12当滤波电容由10uF替换为47uF时原***参考电压从28V阶跃到48V时的实验结果图.
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本实施例将以Boost变换器为例,根据本发明的具体方法以及步骤,在真实数据的基础上,给出这种针对于航空专用低压直流恒功率负载***的新型稳定方法的具体内容。并通过理论分析和仿真实验结果证明此方法的可行性与有效性。
一、***建模
首先为了分析***的稳定性和动态性,需要对拓扑结构和控制算法进行数学建模***的状态变量可以表述为if,vf,iL,vo,Si,Svandf1。Si,Sv分别表示内环和外环误差的积分变量,f1表示高通滤波器的状态变量,.Kpex Kiex KpinandKiin分别表示外环和内环的PI参数。图2和图3可以建模为:
重新将***的状态变量描述为(2),令公式(1)等号左边的部分全部为0,可得***的平衡工作点X0,交流小信号值描述为x。
X=[if vf iL vo Si Sv f1]T (2)
X0=[If0 Vf0 IL0 Vo0 Si0 Sv0 F10]T (3)
x=[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7]T (4)
根据交流小信号模型,可将***描述为:
X=X0+x (5)
将公式(5)带入公式(1)当中,可得到一个非线性的状态空间模型:
式(6)中的参数Iref,d和dstab由以下方程确定:
d=Kpin·(ILref-(IL0+x3))+Kiin(Si0+x5)+dstab (8)
dstab=Kstab(If0+x1-F10-x7) (9)
公式(6)为一个非线性***的状态方程,为了能够分析***的稳定性能,首先在平衡工作点处利用交流小信号线性化的方法对***进行线性化处理。得到线性化模型(10),所得雅克比矩阵如式(11)(12)所示,根据李雅普诺夫第一法,通过分析其特征值最大负实部所处区域来判定***的稳定性,如果特征值的最大实部小于零,则***稳定,反之***则不稳定。特征值的最大实部越小则***越稳定。
二、控制算法
***采用双闭环控制,与传统的双闭环(外环电压环,内环电流环)不同,为了更好的控制***的输出功率,采用后级电容上的能量作为外环。通过比较E(0.5Cvo 2)和Eref(0.5CVoref 2)的值进而产生内环(电流环)的参考值Iref=Pref/vf。内环参考值与iL进行比较后产生控制信号d0。
采集LC滤波器电感电流是为了提升稳定范围并减少前级电容尺寸,通过一个高通滤波器(HPF)滤除基波分量,然后将得到的高频谐波分量乘以一个固定的比例系数Kstab,得到占空比调制信号dstab,如公式(13)所示。最终驱动开关管的调制信号为控制信号d0和占空比调制信号dstab的叠加,如公式(14)所示。***控制方法如图3所示。
dstab=Kstab·HPF(if) (13)
d=d0+dstab (14)
表1 ***参数
如前所述,***的结构和控制策略分别如图1和图3所示,表1给出了拓扑结构和控制策略中的部分参数。这些参数应用于***建模仿真和实验当中。
三、仿真与实验
雅克比矩阵的特征值求解,可以利用MATLAB的求解器solve得到一种数值解,但是在实际应用当中,solve求解器在求解高阶微分方程时常常会出现不收敛的情况。为了解决高阶微分方程的求解问题,本文利用Newton-Raphson法进行求解。通过MATLAB程序自动的判断***的稳定范围。当Kstab等于0时,***控制策略采用单纯的双环控制,***最大稳定功率在20W左右。当Kstab不等于0时,占空比调制信号被引入控制***,从图4可以看出,比例系数Kstab的大小影响***稳定工作功率范围,当Kstab=-1时,***功率范围达到最大38W。可以看出,引入占空比调制信号可以显著增大***的稳定功率范围。
正如前所述,在不引入占空比调制信号情况下,单纯的增大滤波器电容也可以使***保持稳定。图7显示了滤波器电容与***稳定功率范围之间的关系。通过比较图4和图5的功率范围,当***稳定工作在38W时,加入占空比调制信号时仅需要10μF的滤波电容,当不加入占空比调制信号时,***需要47μF的滤波电容。因此,引入占空比调制信号可以减少约5倍的电容。
1.仿真实验结果
通过Matlab/Simulink仿真软件验证本文提出的基于恒功率负载的占空比调制技术。***参数如表1所示,通过仿真测试在滤波电容为10μF时,***在引入占空比调制信号和不引入占空比调制信号时的输出效果。如上节分析可得,当输出功率超过20W,且在不引入占空比调制信号时,***会变得不稳定。首先在不加入占空比调制信号的环境下进行仿真,仿真结果如图6所示,在0s时,***的输出功率为9W(24V),可以看出,双闭环控制能够保证***稳定。在0.1s处***的输出功率跳变到33W(48V),***失去了原有的稳定状态,这对于整个***的安全来说非常危险。为了验证前述方法的可行性,占空比调制信号引出***,为了方便与图8进行比对,所有仿真参数和跳变时间均保持不变,仿真结果如图7所示,可以看出无论在9W还是33W,***均能保证稳定输出。
2.实物实验结果
为了验证本文所提出的基于电感电流的占空比调制技术的有效性,搭建基于Boost变换器的实验台,实验台参数与仿真完全相同。***控制器采用TI公司的TMS320LF28035,仿真器采用闻亭公司的TDS560USBPLUS,测量仪器为横河公司波形记录仪和N4L牛顿公司的精密功率分析仪(PPA5530)。电源采用AIR公司和华泰公司的直流稳压电源。具体实验台如图8所示。
首先,占空比调制信号未被引入控制***,图9包含两个状态:状态1是小功率输出11W(28V),状态2是提高后的功率输出33W(48V)。可以看出,在状态1时,***能够通过双闭环调节保证稳定,但是在状态2时,***发生振荡。
然后,占空比调制信号被引入***,与图9的情形相同,状态1和状态2功率输出分别为11W和33W。正如预期那样,***在状态1和状态2时均能保证稳定输出。实验结果如图10所示。
图11反应了当***在状态2时,占空比调制信号忽然丢失时***的反应。可以看出,***重新变得不稳定。
正如前述章节所述,大滤波电容的引入同样可以使***变得稳定,按照图7的分析结果,当电容增大5倍时,可以得到和引入占空比调制信号相同的稳定效果。于是将实验台LC滤波电容由10μF替换为47μF,此时不引入占空比调制信号。实验结果如图12所示,可以看出在状态1和状态2情况下,***均能保证稳定。但是需要付出额外的体积和重量。
3.结论
针对于航空领域恒功率负载的负阻尼特性,本发明提出了一种基于电感电流的占空比调制技术。一方面这种方法可以改善恒功率负载时***的稳定状况,抑制***振动。另外一方面可以显著减小LC滤波器电容,可以很好地满足于航空航天***重量轻体积小的需求,增加飞机的续航能力并减轻飞机对航空燃油的消耗。有较强的实用价值。本说明书详细阐述了这种发明的机理,利用控制理论的方法证明了该发明的正确性,并给出了仿真和实验波形,证明了该发明的可行性。
Claims (1)
1.一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:对前级滤波器的电感电流if和电容电压vf进行采样,对变换器的输出电压vo和电感电流iL进行采样;
步骤2:计算后级电容上的能量E=0.5Cvo 2,与能量参考值Eref=0.5CVoref 2进行比较作为外环误差信号,进而产生内环电流环的参考值Iref=Pref/vf,其中Pref=Eref-E;内环电流环的参考值与iL进行比较后产生控制信号d0,其中C为变换器后级电容值,Voref为负载电压参考值;
步骤3:通过一个高通滤波器HPF滤除前级滤波器的电感电流if的基波分量,然后将得到的高频谐波分量乘以一个固定的比例系数Kstab,得到占空比调制信号dstab=Kstab·HPF(if),其中Kstab取值为0~-2;
步骤4:最终驱动开关管的调制信号为控制信号d0和占空比调制信号dstab的叠加d=d0+dstab。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510969637.6A CN105450021B (zh) | 2015-12-22 | 2015-12-22 | 一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510969637.6A CN105450021B (zh) | 2015-12-22 | 2015-12-22 | 一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105450021A CN105450021A (zh) | 2016-03-30 |
CN105450021B true CN105450021B (zh) | 2018-08-24 |
Family
ID=55559905
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510969637.6A Active CN105450021B (zh) | 2015-12-22 | 2015-12-22 | 一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105450021B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110492744B (zh) * | 2019-08-19 | 2020-09-22 | 华南理工大学 | 应用于dc-dc变换器的恒功率负载控制方法及电路 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101253461A (zh) * | 2005-07-13 | 2008-08-27 | 萨勒诺学习大学 | 用于能源特别是光致电压源的功率转换器的单级变换器装置及相关控制方法 |
CN103875146A (zh) * | 2011-09-14 | 2014-06-18 | 伊斯帕诺-絮扎公司 | 一种多用户信号检测的方法和装置 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ITSA20060016A1 (it) * | 2006-06-07 | 2007-12-08 | Univ Degli Studi Salerno | Metodo e dispositivo per il funzionamento di sorgenti energetiche al punto di massima potenza. |
-
2015
- 2015-12-22 CN CN201510969637.6A patent/CN105450021B/zh active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101253461A (zh) * | 2005-07-13 | 2008-08-27 | 萨勒诺学习大学 | 用于能源特别是光致电压源的功率转换器的单级变换器装置及相关控制方法 |
CN103875146A (zh) * | 2011-09-14 | 2014-06-18 | 伊斯帕诺-絮扎公司 | 一种多用户信号检测的方法和装置 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Stability analysis of a tightly controlled load supplied by a DC-DC boost converter with a modified sliding mode controller;Louis-Marie Saublet et al;《Transportation Electrification Conference and Expo(ITEC), 2014 IEEE》;20140724;第1-6页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105450021A (zh) | 2016-03-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109446653B (zh) | 混合型mmc状态空间模型的混合型mmc小信号模型的建模方法 | |
CN103973145B (zh) | 用于控制逆变器***中的环流的装置和方法 | |
CN103875146B (zh) | 稳定直流电网 | |
CN105162134A (zh) | 新型微电网***及其功率均衡控制策略和小信号建模方法 | |
CN104978304B (zh) | 电流连续模式分数阶开关变换器的符号分析方法及装置 | |
CN109217371A (zh) | 考虑锁相环影响的电压源型变流器并网***稳定性分析方法、装置及*** | |
CN109815607B (zh) | 面向大规模交流电网基于时频坐标变换的全电磁暂态仿真方法 | |
CN107196506A (zh) | 一种三电平Boost变换器重复无差拍复合控制策略 | |
Darbali-Zamora et al. | Validation of a real-time power hardware-in-the-loop distribution circuit simulation with renewable energy sources | |
CN105449674A (zh) | 航空12脉波逆变器的广义状态空间平均建模方法 | |
CN105450021B (zh) | 一种航空专用低压直流恒功率负载稳定方法 | |
CN111262466A (zh) | 基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法 | |
CN107204614A (zh) | 一种包含多并联dc‑dc转换器的直流微电网***的稳定方法 | |
CN107623341B (zh) | 向无源网络供电的vsc逆变站数学模型及内模控制器 | |
CN105449705A (zh) | 电力***中分接头变压器实时负载调压的仿真方法及*** | |
CN103293965B (zh) | 有源电力滤波器的反演控制方法 | |
CN105490527B (zh) | 一种抑制4阶Boost变换器谐振的方法 | |
ÙÒÑ et al. | Harmonic suppression of three-phase active power filter using backstepping approach | |
CN113065191B (zh) | 控制***模型库的构建***及其构建方法 | |
Tu et al. | Smart transformer modelling and hardware in-the-loop validation | |
CN110165677B (zh) | 一种单相交流电力弹簧的电压平稳控制方法 | |
Nicola et al. | Improved control strategy of unified power quality conditioner using fractional order controller and particle swarm optimization | |
CN112510746B (zh) | 基于相分量的mmc-hvdc机电暂态仿真方法及*** | |
Liu et al. | EMI filter design for constant power loads in more electric aircraft power systems | |
Chihab et al. | Adaptive nonlinear control of series APFs: Harmonics grid voltage compensation and inverter DC voltage regulation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201224 Address after: 210004 19th floor, building 1, No.18, Jiangdong Street, Jialing, Jianye District, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee after: NANJING GONGCHENG ENERGY SAVING NEW MATERIAL RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Address before: 710072 No. 127 Youyi West Road, Shaanxi, Xi'an Patentee before: Northwestern Polytechnical University |
|
TR01 | Transfer of patent right |