CN106505890A - 一种机载智能多路电压分压电源*** - Google Patents

一种机载智能多路电压分压电源*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载智能多路电压分压电源***，通过该***，解决了在现有双级式矩阵变换器拓扑结构基础上，在三相输入交流电源中性点引出一个由两个双向开关构成的桥臂，该桥臂的引入大大提高了AC/DC变换器容错控制时的灵活度；该***针对DC/DC变换器电流参考值，不需测量输入和负载，根据输出误差调节电流参考值，从而提高稳态精度的方法，实现了自动调节切换控制，能够在保证DC/DC变换器控制全局稳定性的同时对输入电压、负载等变化具有鲁棒性，加快了多路输出电压的响应速度。

Description

一种机载智能多路电压分压电源***
所属技术领域
本发明涉及电源领域，具体涉及一种机载智能多路电压分压电源***。
背景技术
机载用电设备要求较高的供电质量，电压调整精度、频率调整精度、交流电压波形正弦度、电压浪涌和尖峰等都有一定的技术标准。
通常一台发动机上有1～2台发电机，因此多发动机飞机上装有许多台发电机。直流电源***中的发电机都并联工作。交流发电机有的并联工作，有的不并联工作。不并联工作的交流电源***较为简单；并联***则比较复杂，但电源容量大，负载的波动对电源电压和频率的影响较小，故电能质量高，且不易中断供电。
目前，如航空高尖端领域，需要功率变换器能够具备在故障状态下实现容错运行的能力。功率器件作为构成各种功率变换器的基本器件，当功率器件损坏时，必将导致功率变换器失去运行能力，甚至引发灾难性的后果，因此对功率变换器的容错控制研究是非常有必要的。容错，就是容忍故障的简称。随着科学技术的发展，对电源***的稳定性与可靠性要求越来越高。
电力电子变换器是实现机载电源变换和有效利用的关键装置，电力电子变换器由连续变量***和离散事件动态***相互作用而形成统一的动态***。在每一开关状态下电路可能是线性的，但是按照一定规律对开关状态的切换又使得整个***变为不连续的非线性***。
传统的电力电子变换器的分析和设计采用小信号线性化方法得到忽略开关状态的线性模型，这种模型虽然能够方便地利用传统的频域设计方法，但是存在的问题是当变换器工作点发生大范围变化时，***性能变差，同时在信号大范围变化时有可能会出现不可预期的不稳定现象。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种机载智能多路电压分压电源***，通过该***，解决了在现有双级式矩阵变换器拓扑结构基础上，在三相输入交流电源中性点引出一个由两个双向开关构成的桥臂，该桥臂的引入大大提高了AC/DC变换器容错控制时的灵活度；该***针对DC/DC变换器电流参考值，不需测量输入和负载，根据输出误差调节电流参考值，从而提高稳态精度的方法，实现了自动调节切换控制，能够在保证DC/DC变换器控制全局稳定性的同时对输入电压、负载等变化具有鲁棒性，加快了多路输出电压的响应速度。
为了实现上述目的，本发明提供一种机载智能多路电压分压电源***，该***包括：
AC/DC模块，用于将机载发电机的交流电转换为直流电；
蓄电池模块，用于在电源***欠载时储存电能，在电源***过载时，输出直流电能；
DC/DC多路分压变换模块，用于将AC/DC模块和/或蓄电池模块，进行电压变换，用于为多路机载负载供电；
控制模块，用于控制电源***的运行；
其特征在于，所述AC/DC模块为具有容错功能的双级式矩阵变换器，所述DC/DC多路分压变换模块为多个二阶电力电子变换器，每个二阶电力电子变换器负载一路机载负载供电，每个二阶电力电子变换器均独立控制。
优选的，所述AC/DC模块包括：整流级电路和容错电路；所述容错电路包括两个串联的双向开关S1、S2，S1、S2的连接点与三相交流输入电源的中性点相连；S1的另一端与整流级电路直流母线侧的正端(P)相连，S2的另一端与整流级电路直流母线侧的负端相连；所述整流级电路为由6个双向开关管Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn构成的三相整流电路；其中，Sap和San、Sbp和Sbn、Scp和Sca分别串联形成三个桥臂，Sap、Sbp、Scp分别为对应桥臂的上管，San、Sbn、Scn分别为对应桥臂的下管，三个桥臂的上、下管分别与整流级电路直流母线侧的正端和负端相连；Sap和San、Sbp和Sbn、Scp和Scn的连接点分别与机载发电机的三个输出端相连。
优选的，所述双向开关S1、S2均由两个带反并联二极管的IGBT器件共发射极连接组成。
优选的，所述DC/DC多路分压变换模块中的每个二阶电力电子变换器均包括Boost变换电路、切换控制器和PI补偿器的设置，增加PI补偿后的控制连接方式是，将PI补偿器的两个输入端分别与Boost变换电路输出电压信号和Boost变换电路输出电压参考值xd2信号连接；PI补偿器输出端的Ucp信号与ILo一起进入乘法器，从该乘法器输出的电流参考值xd1信号与xd2信号、输出电压信号以及iL信号一起进入切换控制器中，切换控制器的输出端信号与Boost变换电路开关S信号连接，控制开关S的切换，其中开关S与AC/DC模块和/或蓄电池模块的直流电压输出端串联连接。
本发明具有如下优点：(1)解决了在现有双级式矩阵变换器拓扑结构基础上，在三相输入交流电源中性点引出一个由两个双向开关构成的桥臂，该桥臂的引入大大提高了AC/DC变换器容错控制时的灵活度；(2)该***针对DC/DC变换器电流参考值，不需测量输入和负载，根据输出误差调节电流参考值，从而提高稳态精度的方法，实现了自动调节切换控制，能够在保证DC/DC变换器控制全局稳定性的同时对输入电压、负载等变化具有鲁棒性，加快了多路输出电压的响应速度。
附图说明
图1示出了本发明的一种机载智能多路电压分压电源***的框图；
图2示出了一种机载电源多路电压分压供电方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了一种机载智能多路电压分压电源***10，该***10包括：
AC/DC模块11，用于将机载发电机的交流电转换为直流电；
蓄电池模块12，用于在电源***10欠载时储存电能，在电源***10过载时，输出直流电能；
DC/DC多路分压变换模块13，用于将AC/DC模块11和/或蓄电池模块13，进行电压变换，用于为多路机载负载30供电；
控制模块14，用于控制电源***10的运行；
其特征在于，所述AC/DC模块11为具有容错功能的双级式矩阵变换器，所述DC/DC多路分压变换模块为多个二阶电力电子变换器，每个二阶电力电子变换器负载一路机载负载供电，每个二阶电力电子变换器均独立控制。
优选的，所述AC/DC模块11包括：整流级电路和容错电路；所述容错电路包括两个串联的双向开关S1、S2，S1、S2的连接点与三相交流输入电源的中性点相连；S1的另一端与整流级电路直流母线侧的正端(P)相连，S2的另一端与整流级电路直流母线侧的负端相连；所述整流级电路为由6个双向开关管Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn构成的三相整流电路；其中，Sap和San、Sbp和Sbn、Scp和Sca分别串联形成三个桥臂，Sap、Sbp、Scp分别为对应桥臂的上管，San、Sbn、Scn分别为对应桥臂的下管，三个桥臂的上、下管分别与整流级电路直流母线侧的正端和负端相连；Sap和San、Sbp和Sbn、Scp和Scn的连接点分别与机载发电机的三个输出端相连。
优选的，所述双向开关S1、S2均由两个带反并联二极管的IGBT器件共发射极连接组成。
其中，控制模块14构建上述具有容错功能的双级式矩阵变换器；
通过对容错电路中的两个双向开关S1、S2分别进行控制，可以实现双级式矩阵在故障状态下的容错运行，具体步骤为：
当整流级电路中的各双向开关管正常工作时，采取基于输入电流的空间矢量调制策略；
当跟整流级电路直流母线侧的正端连接的某个双向开关管出现驱动信号丢失或者开路损坏故障时，立即将发生故障的双向开关管的驱动信号切换给S1；当故障的双向开关管所接的输入相电压是整个空间矢量扇区正向最大时，对该扇区调制信号做如下处理：S1恒开通，整流级电路中未发生故障的两个下管按照以下方式开通：在该空间矢量扇区前半段时间，与输入相电压绝对值较大一相连接的双向开关先开通，另一个双向开关管则在该空间矢量扇区的后半段时间开通；对整流级电路其他扇区的调制信号不做处理；
当跟整流级电路直流母线侧的负端连接的某个双向开关管出现驱动信号丢失或者开路损坏故障时，立即将发生故障的双向开关管的驱动信号切换给S2；当故障的开关管所连的输入相电压是整个空间矢量扇区负向最大时，对该扇区调制信号做如下处理：S2恒开通，整流级电路中未发生故障的两个上管按照以下方式开通：在该空间矢量扇区前半段时间，与输入相电压绝对值较大一相连接的双向开关先开通，另一个双向开关管则在该空间矢量扇区的后半段时间开通；对整流级电路其他扇区的调制信号不做处理。
优选的，所述DC/DC多路分压变换模块13中的每个二阶电力电子变换器均包括Boost变换电路、切换控制器和PI补偿器的设置，增加PI补偿后的控制连接方式是，将PI补偿器的两个输入端分别与Boost变换电路输出电压信号和Boost变换电路输出电压参考值xd2信号连接；PI补偿器输出端的Ucp信号与ILo一起进入乘法器，从该乘法器输出的电流参考值xd1信号与xd2信号、输出电压信号以及iL信号一起进入切换控制器中，切换控制器的输出端信号与Boost变换电路开关S信号连接，控制开关S的切换，其中开关S与AC/DC模块11和/或蓄电池模块13的直流电压输出端串联连接。
优选的，所述控制模块14根据每个二阶电力电子变换器的工作状态建立电力电子变换器的切换控制器的控制模型，简称为切换***模型，根据所述切换***模型对二阶电力电子变换器进行控制，以输出恒定且满足负载需求的电压，具体控制方式如下：
设模型为二阶，则二阶变换器的切换***模型如下：
其中的是***的状态变量，是常数矩阵，对于二阶***来说nx＝2，m是切换***子***的个数；一般而言，x＝[x1 x2]T，x1为电感电流，x2为输出电压，上标T表示向量转置；
设***状态变量的期望值xd为恒值，则得到误差***函数是：
e＝x(t)-xd(t)
ki是定义的一个常数矩阵，(X(t)与一样)是***的状态变量，xd(t)实际上就是前面提到的状态变量期望值；
定义vi(e(t))为切换子***i的Lyapunov函数，表示为：
vi(e(t))＝e(t)TPie(t)+e(t)TSi， (3)
其中Pi为对称阵，满足下式：
其中αi＞0为给定常数，M为相应维数的对称矩阵，Si T、Ai T、ki T分别是Si、Ai、ki的转置，先求解不等式(4)和(5)得到Pi及Si，进而按照式(3)计算vi(e(t))；
选择切换控制规律，设σ(t)是开关切换信号，σ(t):[0,∞)→{1,...m}是时间的分段常数函数，σ(t)＝i表示当前***运行在第i个子***，针对误差***式(2)，设定如下切换控制规律：
式(6)表示选择Lyapunov函数最大的子***作为当前子***，使得***切换到这个子***工作；
根据输出误差e2调节电流参考值xd1，在理想状态下，电流参考值为xd1＝IL0；当存在参数不确定或输入电压与负载发生变化时，调节电流参考值为：
xd1＝(1+β)IL0＝ucpIL0 (7)
其中β＝(kp·e2+kI∫e2dt)/xd2，kp是PI补偿器的比例系数，kI是PI补偿器的积分系数，e2＝x2-xd2，xd2为输出电压参考值，即成。
图2示出了一种机载电源多路电压分压供电方法的流程图，该供电方法包括如下步骤：
S1.AC/DC模块将机载发电机发出的交流电转换为直流电，并输出给DC/DC多路分压变换模块和蓄电池模块；
S2.在机载电源欠负载运行时，储能模块从AC/DC模块吸收电能，在机载电源过负载运行时，储能模块向DC/DC多路分压变换模块供电；
S3.DC/DC多路分压变换模块向多路负载提供稳定的电压。
优选的，在S1中，AC/DC模块将机载发电机发出的交流电转换为直流电时，采用容错控制方法进行控制，该方法包括如下步骤：
S11.当整流级电路中的各双向开关管正常工作时，采取基于输入电流的空间矢量调制策略；
S12.当跟整流级电路直流母线侧的正端连接的某个双向开关管出现驱动信号丢失或者开路损坏故障时，立即将发生故障的双向开关管的驱动信号切换给S1；当故障的双向开关管所接的输入相电压是整个空间矢量扇区正向最大时，对该扇区调制信号做如下处理：S1恒开通，整流级电路中未发生故障的两个下管按照以下方式开通：在该空间矢量扇区前半段时间，与输入相电压绝对值较大一相连接的双向开关先开通，另一个双向开关管则在该空间矢量扇区的后半段时间开通；对整流级电路其他扇区的调制信号不做处理；
当跟整流级电路直流母线侧的负端连接的某个双向开关管出现驱动信号丢失或者开路损坏故障时，立即将发生故障的双向开关管的驱动信号切换给S2；当故障的开关管所连的输入相电压是整个空间矢量扇区负向最大时，对该扇区调制信号做如下处理：S2恒开通，整流级电路中未发生故障的两个上管按照以下方式开通：在该空间矢量扇区前半段时间，与输入相电压绝对值较大一相连接的双向开关先开通，另一个双向开关管则在该空间矢量扇区的后半段时间开通；对整流级电路其他扇区的调制信号不做处理。
优选的，在步骤S3中，
DC/DC多路分压变换模块具有多个二阶电子变换器，每个二阶变换器均至少向一路机载负载进行供电。
优选的，在步骤S3中，建立电力电子变换器的切换控制器的控制模型，简称为切换***模型，根据所述切换***模型对二阶电力电子变换器进行控制，以输出恒定且满足负载需求的电压。
优选的，输出恒定且满足负载需求的电压具体控制方式如下：
S31.设模型为二阶，则二阶变换器的切换***模型如下：
其中的是***的状态变量，是常数矩阵，对于二阶***来说nx＝2，m是切换***子***的个数；一般而言，x＝[x1 x2]T，x1为电感电流，x2为输出电压，上标T表示向量转置；
设***状态变量的期望值xd为恒值，则得到误差***函数是：
e＝x(t)-xd(t)
ki是定义的一个常数矩阵，(X(t)与一样)是***的状态变量，xd(t)实际上就是前面提到的状态变量期望值；
S32.定义vi(e(t))为切换子***i的Lyapunov函数，表示为：
vi(e(t))＝e(t)TPie(t)+e(t)TSi， (3)
其中Pi为对称阵，满足下式：
其中αi＞0为给定常数，M为相应维数的对称矩阵，Si T、Ai T、ki T分别是Si、Ai、ki的转置，先求解不等式(4)和(5)得到Pi及Si，进而按照式(3)计算vi(e(t))；
S33.选择切换控制规律，设σ(t)是开关切换信号，σ(t):[0,∞)→{1,...m}是时间的分段常数函数，σ(t)＝i表示当前***运行在第i个子***，针对误差***式(2)，设定如下切换控制规律：
式(6)表示选择Lyapunov函数最大的子***作为当前子***，使得***切换到这个子***工作；
S34.根据输出误差e2调节电流参考值xd1，在理想状态下，电流参考值为xd1＝IL0；当存在参数不确定或输入电压与负载发生变化时，调节电流参考值为：
xd1＝(1+β)IL0＝ucpIL0 (7)
其中β＝(kp·e2+kI∫e2dt)/xd2，kp是PI补偿器的比例系数，kI是PI补偿器的积分系数，e2＝x2-xd2，xd2为输出电压参考值。
优选的，所述二阶电子变化器包括Boost变换电路，根据电路基本规律得到Boost变换器的动态方程为：
其中x＝[x1 x2]T＝[iL vC]T，iL为电感电流值，vC为输出电压值，Ai、bi分别为***矩阵和输入矩阵，当设置子***个数m＝3时，则nx＝2，i＝1,2,3，U＝E，E为输入直流电源电压值，则有以下三个模式：
模式1：Boost变换电路开关S闭合，此时***矩阵和输入矩阵分别为：
模式2：Boost变换电路开关S断开，同时电感电流iL大于0，此时***矩阵和输入矩阵分别为：
模式3：Boost变换电路开关S断开，同时电感电流iL等于0，此时***矩阵和输入矩阵分别为：
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种机载智能多路电压分压电源***，该***包括：
AC/DC模块，用于将机载发电机的交流电转换为直流电；
蓄电池模块，用于在电源***欠载时储存电能，在电源***过载时，输出直流电能；
DC/DC多路分压变换模块，用于将AC/DC模块和/或蓄电池模块，进行电压变换，用于为多路机载负载供电；
控制模块，用于控制电源***的运行；
其特征在于，所述AC/DC模块为具有容错功能的双级式矩阵变换器，所述DC/DC多路分压变换模块为多个二阶电力电子变换器，每个二阶电力电子变换器负载一路机载负载供电，每个二阶电力电子变换器均独立控制。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述AC/DC模块包括：整流级电路和容错电路；所述容错电路包括两个串联的双向开关S1、S2，S1、S2的连接点与三相交流输入电源的中性点相连；S1的另一端与整流级电路直流母线侧的正端(P)相连，S2的另一端与整流级电路直流母线侧的负端相连；所述整流级电路为由6个双向开关管Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn构成的三相整流电路；其中，Sap和San、Sbp和Sbn、Scp和Sca分别串联形成三个桥臂，Sap、Sbp、Scp分别为对应桥臂的上管，San、Sbn、Scn分别为对应桥臂的下管，三个桥臂的上、下管分别与整流级电路直流母线侧的正端和负端相连；Sap和San、Sbp和Sbn、Scp和Scn的连接点分别与机载发电机的三个输出端相连。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述双向开关S1、S2均由两个带反并联二极管的IGBT器件共发射极连接组成。
4.如权利要求3所述的***，其特征在于，所述DC/DC多路分压变换模块中的每个二阶电力电子变换器均包括Boost变换电路、切换控制器和PI补偿器的设置，增加PI补偿后的控制连接方式是，将PI补偿器的两个输入端分别与Boost变换电路输出电压信号和Boost变换电路输出电压参考值xd2信号连接；PI补偿器输出端的Ucp信号与ILo一起进入乘法器，从该乘法器输出的电流参考值xd1信号与xd2信号、输出电压信号以及iL信号一起进入切换控制器中，切换控制器的输出端信号与Boost变换电路开关S信号连接，控制开关S的切换，其中开关S与AC/DC模块和/或蓄电池模块的直流电压输出端串联连接。
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