飛機典型二次電源變換裝置的建模方法研究

楊樂，余海，周鑫

航空工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，陜西 西安 710089

隨著多電、全電飛機的發(fā)展，機上電氣負(fù)載比重越來越大，電源功率需求也增大，電源的可靠性要求越來越高，因此，對于電源系統(tǒng)的驗證過程更加嚴(yán)格。飛機電源系統(tǒng)的驗證以往是通過地面試驗、試飛等手段，耗費資源多且周期長。若部分驗證工作以數(shù)字化手段完成，所節(jié)省的資源和周期將相當(dāng)可觀。

數(shù)字化二期工程中提出“數(shù)字化性能樣機”的概念，即使用數(shù)字化手段建立由部件級到系統(tǒng)級再到整機級的模型。最終的模型將會綜合機上所有的分系統(tǒng)以及所有的設(shè)備，必定是一個無比龐大的模型，對數(shù)字化平臺或者建模方法都是極大的挑戰(zhàn)。因此，提高平臺的可靠性和尋求高效的建模方法成為眾多工程師努力的方向。

目前，電源系統(tǒng)有基準(zhǔn)模型和功能模型兩種建模方法，本文以某型飛機為例，分別采用上述兩種方法對電源系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，通過對仿真結(jié)果及仿真效率的對比分析，為電源系統(tǒng)仿真研究選取一種高效的建模方法。

1 電源系統(tǒng)及設(shè)備模型的選取

電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源系統(tǒng)分為三個主要部分：變頻交流主電源系統(tǒng)、直流二次電源系統(tǒng)和用電負(fù)載。變頻交流主電源為三相230V、360～720Hz的系統(tǒng)，單通道額定功率為120kVA。270V高壓直流二次電源有兩種：第一種是通過自耦變壓整流裝置（ATRU）將交流主匯流條提供的電信號變換為270V高壓直流電；第二種是通過變壓整流器（TRU）將交流主匯流條提供的電信號變換為28V直流電[1]。

考慮到ATRU作為典型的二次電源變換裝置，構(gòu)型相對復(fù)雜，啟動電流大，對電網(wǎng)的沖擊效果明顯；而且高壓直流由于其易實現(xiàn)并聯(lián)供電、不存在趨膚效應(yīng)、電力線不存在電抗壓降等眾多優(yōu)點，無論是作為主電源或者二次電源，都是未來飛機電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，因此，選取ATRU作為對比設(shè)備進(jìn)行建模。

ATRU輸入信號源為Y形連接的三相變頻交流電源，為了減少交流側(cè)輸入電流諧波，將整流電路進(jìn)行移相多重聯(lián)結(jié)，利用變壓器二次繞組接法的不同（Y-Y形和Y-Δ形），使兩組三相交流電源間錯開30°，從而使輸出整流電壓Ud在每個交流電源周期中脈動12次。因此，整流部分也稱之為12脈波整流，ATRU原理如圖2所示。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Composition of electric power system

圖2 ATRU原理圖Fig.2 The schematic of ATRU

2 模型建立

2.1 基準(zhǔn)建模

根據(jù)圖2的原理圖，將ATRU設(shè)備變壓器部分拆解為三相獨立建模，原邊及副邊的電壓、電流參數(shù)等效為受控電壓源、電流源，得到ATRU的基準(zhǔn)模型，如圖3所示。

2.2 功能建模

將ATRU的基準(zhǔn)模型在與電網(wǎng)頻率同步旋轉(zhuǎn)的DQ參考坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，分解得到靜止坐標(biāo)系下D軸和Q軸方向的分量[2]，交流電信號便可以表示為直流電壓和電流的關(guān)系式。在DQ參考坐標(biāo)系下分析電信號，可以消除諧波電壓和不對稱電壓的影響，容易實現(xiàn)基波和諧波的分離，理論上仿真的結(jié)果波形會更加穩(wěn)定。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，所有交流分量分解完成之后僅有D軸和Q軸方向的分量，原來的三相交流電源結(jié)構(gòu)就簡化成了兩個軸向上的單相模型，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上來說優(yōu)化了至少30%，在數(shù)字化仿真過程中，互感線圈以及受控電源都會大量消耗仿真的解算時間，因此，此類優(yōu)化極其必要。

將ATRU結(jié)構(gòu)模型中各電信號轉(zhuǎn)換到DQ旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，分別得到D軸和Q軸方向的副邊電流表達(dá)式用式（1）表示，副邊電壓表達(dá)式用式（2）表示，原邊電流用式（3）表示，根據(jù)ATRU等效電路的數(shù)學(xué)模型建立功能模型如圖4所示。

圖3 ATRU基準(zhǔn)模型Fig.3 The ATRU benchmark model

圖4 ATRU功能模型Fig.4 The ATRU functional model

3 仿真結(jié)果

3.1 電源系統(tǒng)正常運行

飛機電源系統(tǒng)正常運行情況下，在t=0.02s時在自耦變壓整流器輸出端接入環(huán)境調(diào)節(jié)負(fù)載，運行仿真，自耦變壓整流器電壓vHdc1的波形如圖5所示。

圖5 vHdc1的仿真波形Fig.5 Simulation waveform of vHdc1

3.2 電源系統(tǒng)非正常運行

在飛機電源系統(tǒng)仿真過程中，模擬機上可能出現(xiàn)的各種工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的意義。斷開2號發(fā)電機開關(guān)，1號發(fā)電機向兩通道同時供電。其中，vACBUS1為1號交流主匯流條電壓，vACBUS2為2號交流主匯流條電壓。

在t=1.2s時，斷開GC2，GCU2控制接通AXTC，使1號發(fā)電機向2號通道供電。2號交流主匯流條電壓vACBUS2和1號交流主匯流條電壓vACBUS1的仿真波形如圖6所示。

圖6 vACBUS1和vACBUS2波形Fig.6 Simulation waveform of vACBUS1 and vACBUS2

4 仿真結(jié)果對比

4.1 仿真時間

仿真時間設(shè)置為2s，設(shè)置不同截斷誤差記錄系統(tǒng)仿真2s所需的時間，見表1。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，ATRU使用功能模型后，系統(tǒng)模型仿真同樣時間速度明顯加快，時間縮短20%以上。

仿真運行速度加快的主要原因有兩方面：第一，模型簡化，解算內(nèi)容減少；第二，在DQ參考坐標(biāo)系下，諧波含量減少，交流分量可等效為直流分量解算，復(fù)雜度降低。

表1 不同截斷誤差下兩種模型的仿真時間對比Table1 The comparison table of time in different truncation errors

4.2 仿真波形

觀察電壓結(jié)果波形可以看出，無論是正常運行狀態(tài)，還是非正常運行狀態(tài)，兩種建模方法的仿真結(jié)果趨勢完全相同。但是功能模型由于DQ坐標(biāo)變換消除了電網(wǎng)中的大量諧波，因此，電壓幅值更加穩(wěn)定，沒有明顯的毛刺諧波，具體參數(shù)見表2。

表2 仿真結(jié)果對比Table2 The comparison table of simulation result

5 結(jié)束語

本文以某型號飛機簡化雙通道電源系統(tǒng)為研究對象，建立該電源系統(tǒng)電網(wǎng)模型，將其中二次電源裝置ATRU分別建立功能模型與基準(zhǔn)模型進(jìn)行系統(tǒng)仿真。在功能和性能方面比對仿真結(jié)果，功能建模方法至少在三個方面優(yōu)于基準(zhǔn)建模：第一，仿真速度上更快；第二，仿真結(jié)果更加穩(wěn)定；第三，諧波含量更小。