基于雙發大功率高壓直流供電系統仿真驗證

楊文俊

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001）

0 引言

直升機供電系統要向用電設備提供電能，必須具有電能產生與變換和電能傳輸與分配的功能。實現電能產生與變換的環節與設施稱為電源系統；而實現電能傳輸與分配功能的環節與設施則稱為輸配電系統。直升機上，由于電能傳輸的路徑短，一般將其輸配電系統簡稱為配電系統。

直升機電源系統傳統上采用低壓直流電源體制。在低壓直流電源體制下，主電源主要是有刷直流起動發電機，二次電源為28VDC 轉115V/400Hz 的靜止變流器，應急電源為蓄電池。有刷直流電機電壓一般為28V，最大容量一般為12kW。受電刷制約，其容量和電壓等級均難以進一步提高，且可靠工作高度有限，壽命較短，效率低，使用維護不便。中型、大型直升機的電功率較大，一般采用交直流混合電源體制。在交直流混合電源體制下，主電源主要包含有刷直流起動發電機系統和大容量無刷交流發電機系統，起動發電機用于起動發動機和向低壓直流負載供電，交流發電機向大功率負載供電，蓄電池向關鍵負載提供應急電能。交流電源體制下，主電源提供近似于115V/400Hz 的窄變頻交流電，二次電源為115V/400Hz 轉28VDC 的變壓整流器，提供氣源的輔助動力裝置可裝備輔助發電機系統，構成輔助電源，應急電源仍為蓄電池。交流電源體制能夠適應直升機對大功率電能的需求，但是仍存在一些缺陷，如對供電頻率的要求限制了發電機的轉速。隨著直升機電功率需求的進一步提高，需要配備容量更大的發電機，而直升機上發電機的安裝空間狹小，難以滿足這一發展需要。同時機載交流電源無法并聯運行，無法實現如同直流電源那樣的不間斷供電。

270V 高壓直流電源是當前機載電源系統的發展方向，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。高壓直流電源可并聯運行，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。高壓直流電源對非線性負載的適應性更好，同時電纜更輕，有助于降低系統整體的重量。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，二次電源為變流器和DC/DC變換器，顯著地改善了直升機綜合作戰性能。隨著直升機任務需求的多樣化，機載任務設備急劇增加，對機載供電系統的容量和功率密度都提出了更高的要求。因此，為了滿足新一代直升機機載設備的供電需求，開展高壓直流供電系統的研究具有重要的理論意義和工程實用價值。

1 高壓直流供電系統構型

為滿足余度供電的要求，必須具有余度電源以及正確的控制策略，從而保證供電系統在故障發生時能夠自動將故障切除和隔離，并將電能輸送到需要供電的負載，而具有容錯能量的供電系統構型是實現以上目的的基礎。

高壓直流供電系統中采用直流發電機作為主電源，易于實現與蓄電池并聯供電，消除開關動作引起的延遲，工作可靠，保證供電連續性。同時各匯流條之間由可控接觸器相互連接，便于實現故障隔離，能夠進行電源切換，對電網的功率流向進行重構，容錯能力較高。

（1）一次電源：主電源為兩臺直流發電機G1 和G2，輔助電源為輔助動力裝置APU 發電機，應急電源為28V 蓄電池。

（2）二次電源：直流變換器（DC/DC1、DC/DC2）將270V高壓直流電轉為28V低壓直流電。

（3）供電通道：為了實現余度供電，供電系統中存在兩個獨立的供電通道。兩通道之間通過兩個接觸器（BTB3、BTB4）相互連接，正常工作狀態下兩個接觸器均斷開，從而保證兩個主電源獨立為兩個不并聯的通道供電。

2 高壓直流供電系統控制策略

為保證高壓直流供電系統能夠可靠供電，設計高壓直流供電系統工作邏輯如下：

（1）直升機在正常工作狀態下，由左右發電機提供電能。1 號發電機G1 向270V 左匯流條供電，2 號發電機G2 向270V 右匯流條供電。雙發供電時，通過電源控制板給GCU1 和GCU2 發送控制信號，GB1 和GB2 接觸器在接收到GCU1 和GCU2 的控制信號后接通，BPCU1 控制接觸器BTB1 和BTB2，由G1 和G2 分別向270V 左匯流條和270V 右匯流條供電，再由270V 左匯流條和270V 右匯流條供電向270V 應急匯流條供電。輔助電源APU 和地面電源EXP 不工作，APUB，EXPB 均斷開。

（2）單發故障：當直升機上單臺發電機發生故障時，供電模式進行自動轉換，兩臺發電機相互備份供電。當1號發電機G1 故障時，接觸器GB1 斷開，將1 號發電機G1 與電網隔離。GCU2 控制GB2 接通，2 號發電機G2 向270V 右匯流條供電，BPCU1 控 制BTB1 和BTB2，向270V 應 急匯流條和270V 左匯流條供電；當2 號發電機G2 故障時，接觸器GB2 斷 開，將2 號 發電機G2 與電網隔離。GCU1 控制GB1 接通，1 號發電機G1 向270V左匯流條供電，BPCU1 控制BTB1 和BTB2，向270V 應急匯流條和270V 右匯流條供電。

圖2 高壓直流供電系統模型圖

（3）雙發故障：當直升機上兩臺發電機G1，G2 均發生故障時，接觸器GB1，GB2 均斷開，將兩臺故障的發電機從電網中切除隔離。接觸器APUB 接通，由APU 發電機向270V 應急匯流條供電，由BPCU1 控制BTB1 和BTB2 向270V 左匯流條和270V 右匯流條供電。由于APU 的額定功率一般小于主發的額定功率和，此時應當合理切除部分負載。

（4）地面電源供電：主發均不運作，地面通電時，通過電源控制板給外電源監控器（EPU）發送控制信號，一次配電中心中的EXPB 接觸器在接收到EPU 的控制信號后接通，由EXP 向270V 應急匯流條供電。由BPCU1 控制BTB1 和BTB2 向270V 左匯流條和270V 右匯流條供電。

3 系統仿真與分析驗證

■3.1 系統建模

根據圖1 的高壓直流供電系統構型，在MATLAB/SIMULINK 平臺上搭建高壓直流供電系統仿真模型。

圖1 高壓直流供電系統構型

■3.2 供電系統處于正常狀態

根據以上建立的仿真模型，對高壓直流供電系統進行仿真測試。270V 匯流條、28V 匯流條電壓波形如圖3 所示。0 至0.1s，270V 匯流條電壓幾乎為零，0.1s 后開始上升，在0.12s 時電壓達到最大值380V，0.32s 后電壓穩定達到額定值270V。0 至0.15s，28V 匯流條電壓幾乎為零，0.15s后開始上升至28V，并保持穩定。

圖3 270V 匯流條、28V 匯流條電壓波形

■3.3 供電系統處于故障狀態

設定如下故障情況：0 至0.5s，發電機G1、G2 正常工作；0.5 至0.8s 時，G1 故障，G2 正常工作；0.8s 之后G1 和G2 均故障。如圖4 所示，約0.3s 以后270V 左、右匯流條電壓均達到額定電壓270V，0.5s 時G1 故障，無法為左側供電通道中的負載供電，由于負載功率較大，無法維持電壓在正常范圍內，270V 左匯流條迅速失電。經50ms 延時后BTB1 閉合，由APUG 為左側通道負載供電。但由于APUG此時為加載狀態，故270V 左匯流條上的電壓出現較大波動，經過調節后迅速穩定。0.8s 時G2 故障，270V 右匯流條迅速失電，此時雙發故障，供電系統進入應急狀態。經50ms延時后BTB3 閉合，APUG 為左右兩側通道負載供電。此時270V 右匯流條上的電壓出現較大波動，經過調節后迅速穩定。由于APUG 的輸出功率有限，必須切除左側供電通道的一部分負載，導致270V 左匯流條電壓也出現波動。

圖4 發電機故障下的270V 左、右匯流條電壓波形

4 小結

本文提出了一種高壓直流供電系統的構型，并設計其控制策略，在MATLAB 環境下進行部件建模并搭建系統，對故障下供電系統的重構過程進行仿真，供電系統能夠按照預設指令進行故障處理，滿足預設要求。