多電飛機高壓直流并聯供電系統發展現狀與關鍵技術

張卓然，許彥武，于立，李進才，夏一文

南京航空航天大學 多電飛機電氣系統工信部重點實驗室，南京 211106

多電飛機利用電能作為統一的二次能源形式驅動機載設備，逐步取代傳統飛機上的氣壓能、液壓能和機械能[1-3]。全電飛機在多電飛機的基礎上進一步將二次能源乃至一次能源完全統一為電能[4-6]。相比于傳統飛機，多電飛機具有更高的能源利用效率和燃油經濟性，并可減少污染排放，簡化地勤維護[7]。目前，多電技術已在空客A380、波音B787和洛克希德·馬丁公司F-35等型號飛機上獲得了驗證和應用，充分展示了多電飛機技術的優越性和巨大潛力[8-9]。

在低壓直流供電系統和恒頻交流供電系統相繼獲得成熟應用的基礎上，寬變頻交流(VFAC)和高壓直流(HVDC)供電系統成為飛機機載供電系統發展的新方向。高壓直流供電系統具有容量大、重量輕、效率高、簡化航電設計、簡化地勤維護、可靠性高和電磁兼容性能好等突出優勢[10]。目前，高壓直流供電系統已經在F-22、F-35和RAH-66等多款先進軍機上作為主電源得到了應用[11]。波音B787客機雖然采用了230 V寬變頻交流供電系統作為總體架構，但實際上有近一半的供電功率通過自耦變壓整流器(ATRU)轉換為270 V高壓直流電，并通過高壓直流母線進行分配和使用[12]。同時，如果對防除冰、廚房設備等現有交流系統進行簡單的改造，即可實現72.4%的機載功率直接由高壓直流提供[12]。高壓直流供電已成為多電飛機電源的主要形式和發展方向。

在多電/全電飛機中，高壓直流供電系統的優勢可以獲得更加充分的發揮。首先，飛機的多電/全電化意味著更高的機載電氣功率。高壓直流供電系統可以提供更大的容量，滿足日益增長的負載功率需求。其次，高壓直流供電系統可以簡化調速電機、電作動器(EMA)/電液作動器(EHA)的驅動電源設計，更加適應多電/全電負載特性。第三，高壓直流供電系統具備更高的效率和更輕的重量，有助于進一步提高多電/全電飛機的系統效率，減少能源的消耗和污染的排放。

理論上，高壓直流供電系統的另一個突出優勢是易于多通道電源并聯。大型飛機上通常配置有多臺發動機與相應的發電機，部分型號發動機上安裝有多臺發電機。有些飛機上還安裝有輔助動力裝置(APU)發電機。多臺發電機并聯組成高壓直流并聯供電系統，可以更加有效利用機載電源，擴充電網容量，從而進一步提高系統的穩定性，實現不中斷供電。另外，高壓直流電源的并聯運行也更利于滿足激光武器等高能機載裝備脈沖功率負載的需求。

然而，飛機高壓直流并聯供電系統的運行原理和特性、并聯控制策略、控制保護邏輯以及非線性負載下穩定性判據等問題相比單通道供電系統有很大不同，且更加復雜，尚沒有系統深入的研究與實踐，成為高壓直流并聯供電系統在多電/全電飛機上應用的瓶頸。

本文以飛機多電/全電化為背景，圍繞高壓直流并聯供電系統的發展現狀與關鍵技術進行總結與研究。分析了高壓直流并聯供電系統的優勢，討論了高壓直流并聯供電系統的關鍵技術和問題。提出并研究基于新型雙凸極無刷直流電機的并聯供電系統，實現了對高壓直流并聯供電系統的均流控制，針對穩態和動態特性進行了實驗研究和驗證，以期為探索實現下一代飛機高壓直流并聯供電系統提供參考。

1 高壓直流并聯供電系統

1.1 高壓直流供電系統

飛機供電系統總體可以劃分為直流供電系統和交流供電系統兩大類(以及2種結合的混合供電系統)。直流供電系統可以分為28 V直流供電系統為代表的低壓直流供電系統和270 V直流供電系統為代表的高壓直流供電系統。交流供電系統可以分為115 V/400 Hz交流供電系統為代表的恒頻交流供電系統和230 V/360～800 Hz交流供電系統為代表的變頻交流供電系統。

飛機高壓直流供電系統一般采用270 V/540 V直流電壓作為標準。高壓直流供電系統突破了交流供電系統對發電機頻率的約束，發電機可工作于更高轉速從而提升功率密度，另外，性能優勢還體現在對饋線壓降的抑制和對趨膚效應的規避。高壓直流供電系統大幅消除了線路交流阻抗損耗，線路壓降明顯小于三相115/200 V交流供電系統，因此在高壓直流供電系統中，機載用電設備供電品質的一致性較好，避免了遠離發電機的設備供電電壓大幅降低等問題。高壓直流供電系統規避了趨膚效應，相比于交流供電系統，具有更好的輸電質量。由于規避了趨膚效應，電流密度在導線內均勻分布，在輸電電流相同時，高壓直流供電系統可采用更細的導線，節約更多的導線材料，并降低整個輸電網絡的重量。

高壓直流供電系統可以大幅度降低輸配電網的重量。由于高壓直流供電系統采用了雙線制或單線制(金屬機殼作為地線)，與交流供電系統的三相四線制相比，大幅度減輕了線纜重量。采用高壓直流供電系統還可取消恒頻交流供電系統復雜的恒速傳動裝置，簡化發電機結構、減輕發電系統重量。

高壓直流供電系統有較高的可靠性。美國海軍一項研究表明，如果用高壓直流供電系統取代F-18戰斗機所采用的變速恒頻供電系統，則可靠性可提升至大約2倍[10]。高壓直流供電系統中集中式的整流有利于提升變換效率和散熱效率，還可以通過與發動機/發電機共用油冷系統提高散熱效率。高壓直流供電系統的優勢還體現在簡化航電設計、提升對操作者的安全性、降低電磁輻射。高壓直流供電系統的另一個突出優勢是易于實現并聯。相比于交流并聯供電系統，高壓直流供電系統中電源的并聯無需考慮頻率和相位的匹配問題。

1.2 高壓直流供電系統研究與應用現狀

高壓直流供電系統已經在F-22和F-35等多種機型中獲得了應用，其突出性能獲得了驗證。

F-22采用270V高壓直流供電系統，主電源為2臺65 kW高壓直流發電機，2臺發電機不并聯，互為備份。二次電源采用了2臺6 kVA的變流器和4臺2.1 kW的270 V-28 V直-直變換器，輔助電源為輔助動力裝置驅動的一臺22 kW高壓直流發電機。

在F-35上，高壓直流供電系統和多項多電飛機技術都得到了應用。F-35供電系統如圖1所示[11]。F-35搭載了一臺雙路獨立輸出的高壓直流起動發電機，每路輸出為80 kW。應急電源為80 kW高壓直流應急電源。二次電源部分則包含了兩臺4.5 kVA容量的270 V-28 V DC/DC變換器和一臺5.4kVA的270V DC-115V AC逆變器。機載設備多采用270 V高壓直流直接驅動，還采用了電液作動器系統等典型的多電負載。從電氣系統角度，F-35飛機充分體現了高壓直流供電系統應用的技術優勢。

圖1 F-35供電系統示意圖[11]

B787客機上445 kW的230 V變頻交流供電功率經過自耦變壓整流器轉換，通過高壓直流母線分配至負載。其中，40 kW用于液壓系統，40 kW用于冷卻系統，32 kW用于環控系統的風扇，320 kW用于環控系統的客艙增壓[12]。

1.3 低壓直流與交流并聯供電系統

大型飛機通常配置多臺發動機，每一臺發動機均安裝有一臺甚至多臺發電機。多發電機并聯運行可以有效擴充系統容量、提高系統供電可靠性。20世紀40年代，底特律愛迪生公司在詳細分析飛機供電系統架構的基礎上，提出了由多臺交流發電機組成的交流并聯供電系統，并對系統的架構進行了定量的分析[13]。GE公司則提出一種模擬電壓調節裝置和一種模擬電流均衡器，成功實現了如圖2所示的400 Hz發電機并聯供電系統[14]。GE公司[15]和美國海軍實驗室[16]還針對400 Hz并聯系統的故障分析展開了研究。波音B747-400的供電系統中，4臺發電機可以并聯運行，也可以各發動機驅動的2臺發電機分別并聯運行，還可以4臺發電機分別獨立運行。波音B747-400采用的分裂并聯的400 Hz交流架構提高了供電系統靈活性和可靠性。

圖2 2臺400 Hz交流發電機構成的并聯供電系統[14]

20世紀40年代，GE公司進行了低壓直流并聯供電系統的研發，采用了炭片式電壓調節器，并實現了4臺并聯發電機之間的電流均衡，如圖3所示[17]。對均流中的不平衡、發電機組的退出等工況進行了分析，提出了相應的控制手段。對低壓直流并聯供電系統的伏安特性、動態特性和短路特性進行了分析和實驗。

圖3 4臺28 V直流發電機構成的并聯供電系統[17]

低壓直流供電系統存在著容量難以提升的固有不足；恒頻交流供電系統需要恒速傳動裝置或者復雜的頻率變換器，并且并聯過程中需要保證參與并聯的電源之間頻率、相位相同；變頻交流供電系統則難以實現并聯。因此，相比而言，高壓直流并聯供電系統從飛機供電系統容量和供電可靠性角度具有重要優勢和應用前景。

1.4 高壓直流并聯供電系統

高壓直流并聯供電系統是將多臺高壓直流電源連接至共同的高壓直流匯流條，由參與并聯的多臺高壓直流電源共同承擔負載功率。其中，高壓直流主電源，即高壓直流主發電機的并聯最為重要。盡管具備上述諸多技術優勢，但一方面關鍵技術尚待研究與驗證，另一方面受傳統飛機電氣負載的實際需求所限，尚未見現役機型采用大功率高壓直流并聯供電系統。

德國聯邦國防軍大學的學者提出了一種包含2臺高壓直流電源的并聯系統構架，如圖4所示[18]。實現了一臺高壓軸起動發電機和一臺低壓軸發電機的并聯，并利用主從控制方法進行了均流控制。

圖4 起動發電機與發電機并聯的高壓直流供電系統[18]

諾丁漢大學的學者基于永磁發電機(PMG)構建了高壓直流并聯供電系統，如圖5所示[19]。采用獨立控制結構，實現了均流精度的提高，減小了線路損耗。利用交流電源加3臺可控整流器替代發電機系統搭建了實驗平臺，驗證了均流控制效果。在驗證了均流控制的基礎上進一步對系統的穩定性進行了分析，提出了提高系統穩定性的方法。

圖5 多臺永磁發電機組成的高壓直流并聯系統[19]

在多臺永磁起動發電機(PMSG)組成的高壓直流并聯供電系統中，永磁起動發電機通過可控整流器連接至直流母線，如圖6所示[20]。對比了多臺發電機下垂控制和主從控制方法的控制效果。通過仿真研究了負載變化過程中的母線電壓波動情況，驗證了主從控制能在負載變化時獲得更好的均流效果和母線電壓調節精度。

圖6 多臺永磁起動發電機組成的高壓直流并聯系統[20]

南京航空航天大學的學者分別對三級式發電機組成的高壓直流并聯供電系統[21]和開關磁阻發電機組成的高壓直流并聯供電系統[22]展開了研究。驗證了平均值均流控制方法在穩態和投入并聯、退出并聯、突加突卸負載等瞬態過程中的特性。

多臺高壓直流發電機并聯供電的優點包括：

1) 提高容錯性能：多臺發電機并聯供電可以實現供電系統的不中斷供電。某臺電機故障時可迅速退出并聯并將負載分配至其他并聯發電機。

2) 提高供電容量：采用并聯供電系統可以突破單臺發電機容量限制，擴大供電系統容量。

3) 優化動態特性：并聯運行擴充了系統的容量。因此在面對相同大小的擾動時，如相同功率的負載變化過程和相同的轉速變化過程，并聯系統具有更好的動態性能。

4)提高系統穩定性：通過多臺電源的并聯運行，減小源端阻抗，進而實現穩定性提升。

5)降低熱負荷：通過并聯運行提升了對大功率負載、脈沖式負載的包容性，減少發電機滿載和過載工況，降低熱負荷。同時，并聯運行使系統吸收回饋能量的能力增強，進一步降低了廢熱排放。

多臺高壓直流發電機并聯供電的要求包括：

1) 參與并聯的多臺發電機輸出電壓應當極性一致、幅值相近。

2) 參與并聯的多臺發電機輸出的電流應當與發電機額定容量成正比。

3) 并聯系統的電壓穩態特性和動態特性仍應滿足技術指標要求。

4) 完善的投入并聯和退出并聯控制方法，減小發電機的投入和退出對系統的影響。

5) 應有完善可靠的控制保護邏輯，以適應并聯供電系統的可靠供電和匯流條轉換需求。

2 高壓直流并聯供電系統關鍵技術

高壓直流并聯供電系統的研究目前仍處于起步階段，研究主要圍繞以下關鍵技術展開：① 并聯供電系統的構架；② 并聯電源的均流控制；③ 并聯供電系統的故障模式分析與保護策略；④ 并聯供電系統的穩定性分析方法；⑤ 能量回饋與能量綜合管理。

2.1 并聯供電系統架構

高壓直流并聯供電系統中包含參與并聯的多臺電源設備。對不同架構拓撲的分析和對比，是保證并聯供電系統優勢充分發揮的先決條件。文獻[23]以115 V/400 Hz恒頻交流供電系統作為基準，對比了115 V/360-800 Hz變頻交流與270 V高壓直流混合供電系統、230 V/360-800 Hz變頻交流與±270 V高壓直流混合供電系統以及包含兩臺主發電機的±270 V純高壓直流供電系統。采用第四種±270 V純高壓直流供電系統可以更加方便地實現并聯運行，降低重量，提高穩定性。

文獻[24]進一步針對4臺高壓直流發電機組成的并聯供電系統的拓撲結構開展對比研究。多層拓撲通過4條匯流條分級依次連接4臺發電機；雙層拓撲先兩兩并聯2臺發電機，再并聯左右匯流條；單層拓撲是利用一條總匯流條連接所有發電機；環形拓撲則是將單層拓撲的總匯流條兩端相接，形成環形架構。通過對比分析，提出環形拓撲是結構復雜度適中、可靠性較高的一種拓撲結構，較為適應多臺高壓直流發電機并聯組成的供電系統。

與分裂結構的供電系統相比，高壓直流并聯供電系統中參與并聯的電源較多，饋線穿越整個飛機的主要結構，因此具有更加復雜的拓撲結構。對于高壓直流并聯供電系統構架的設計和選擇，需要充分結合供電系統的性能指標、飛機發動機與機體外形、電氣負載特性與配置、控制保護邏輯可行性等因素進行綜合考慮。

2.2 均流控制

飛機供電系統中每臺發電機都受到相應的發電機控制器(GCU)的控制。供電系統中的匯流條功率控制器(BPCU)則具有更高的控制權限，可以實現對整個供電系統的管理。在高壓直流供電系統中，匯流條功率控制器可以充當控制中心的角色，因此適合采用集中式均流控制。

參與并聯的電源種類和型號可能存在不同，相同型號的電源由于性能參數漂移、工況不同也會呈現出不同的外特性。在這些電源參與并聯時，如果不增加額外的控制，會引起各個電源承擔的負載不相同，甚至會導致一些電源承擔了全部負載，而其他電源空載的極端情況。輸出電流的不均衡會導致發熱和壽命的失衡，也會影響系統性能的發揮。因此，在高壓直流并聯供電系統中還必須增加均流控制，保證參與并聯的電源按照額定功率所占比例輸出電流。

常用的均流控制方法包括主從控制、最大值控制和平均值控制等。主從控制是從參與并聯的電源中選取一臺電源作為主電源，其他電源以主電源的輸出電流作為輸出電流參考值。最大值控制則是以輸出電流最大值作為其他電源的輸出電流參考值。平均值控制計算各個電源輸出電流平均值，并以此作為所有電源的輸出電流參考值。

在高壓直流并聯供電系統中，一方面需要考慮均流控制的精度，另一方面需要考慮均流控制的容錯性能，保證在并聯電源故障退出等情況下的正常均流控制。

2.3 故障模式和保護策略

高壓直流并聯供電系統多臺電源并聯運行，這些電源在控制和電氣上相互連接。在發生故障后如果不進行及時的保護，很容易引起故障的擴大和蔓延，進而威脅整個機載供電系統的安全。另一方面，由于并聯電源的輸出在電氣上相互連接，共用母線電壓信號，為故障發生后的故障定位帶來困難。

需要對高壓直流并聯供電系統的故障模式進行梳理，并通過分析故障模式采取相應的保護策略，實現對并聯供電系統故障的抑制和保護。

文獻[24]分別分析了單臺三級式高壓直流發電機和由多臺三級式發電機組成的高壓直流并聯供電系統的故障模式和故障現象。并根據故障現象提出了相應的故障保護方法。

針對高壓直流并聯供電系統的故障模式和保護邏輯的研究是保障高壓直流并聯供電系統可靠運行和發揮效能的關鍵。目前，對該方面的研究仍然處于起步階段。

2.4 穩定性分析

多電飛機中調速電機類負載、電力電子變換器負載和電作動器等恒功率負載(CPL)的大量應用，使得高壓直流并聯供電系統面臨著穩定性問題。在高壓直流并聯供電系統中，由于負載種類繁雜，負載數量的增加，造成系統級建模和分析更加困難，為系統穩定性分析帶來巨大挑戰。

目前常用的穩定性分析方法主要包括小信號分析方法和大信號分析方法。

小信號分析方法是對非線性的高壓直流并聯供電系統在平衡點附近進行線性化，用于分析小信號干擾下的穩定性問題。小信號分析方法建立在阻抗模型的基礎上，主要依據Middlebrook準則、Opposing Argument準則、ESAC準則、幅值裕度和相角裕度準則、三階段阻抗準則等[25]。

大信號分析方法則建立在李雅普諾夫判據的基礎上，采用非線性的模型分析系統的穩定性，實現對大信號擾動下的穩定性分析。常用的大信號穩定性分析方法包括TS方法、反向軌跡跟蹤方法、BDQLF方法和Brayton-Moser方法[25]。

2.5 能量回饋與能量綜合管理

多電飛機中非線性和恒功率負載將會不斷增多，因此需要充分重視對電機類負載的能量回饋和管理，以提升系統的能量利用率和效率，減少廢熱和排放。

文獻[26]中研究了利用發電機直接吸收負載回饋能量的技術。如圖7所示，負載直接將制動能量回饋至高壓直流母線，并通過發電機的雙向變換器吸收。霍尼韋爾公司則針對多臺發電機組成的高壓直流供電系統的能量回饋開展了研究，提出了如圖8所示的拓撲結構[27]。應用這種結構的高壓直流供電系統能夠提升應對峰值功率的能力，還可以通過發電機的雙向變換器吸收負載能量回饋產生的多余能量，保持母線電壓的穩定[28]。該方案的核心技術包括發電機的雙向變換器和發電機與發動機之間的直驅。

圖7 負載回饋能量直接返回直流母線[26]

圖8 提高峰值功率容量和實現能量回饋管理的拓撲[27]

高壓直流并聯供電系統通過多臺電源并聯運行，擴充了系統容量，從而為更大功率的回饋能量吸收提供了有利條件。

3 新型雙凸極直流發電機并聯供電系統與實驗驗證

3.1 雙凸極無刷直流電機并聯供電系統結構與原理

目前常用的和具備潛力的航空發電機主要包括三級式發電機、開關磁阻發電機、永磁發電機和電勵磁雙凸極發電機(DSEG)等。永磁發電機的功率密度較大，但不易實現故障滅磁；三級式發電機的安全性較高，但轉子結構復雜，高速運行受到限制；開關磁阻發電機結構堅固，適用于高速應用，但變換器與控制相對復雜。

電勵磁雙凸極發電機是一種變磁阻類電機，其轉子由鐵芯疊片疊壓而成，結構簡單且強度高[29]。在定子上有專門的勵磁繞組提供勵磁，三相繞組通過不控整流器連接至直流母線。通過調節勵磁電流，即可控制直流側輸出電壓與輸出電流，同時可以實現故障滅磁。電勵磁雙凸極發電機具有結構簡單、可靠性高等優勢，特別適合于航空發電機這樣高速和惡劣環境下的應用[30]。安裝有可控整流器的電勵磁雙凸極發電機還可以實現能量的雙向流動[31]，通過發電/電動模態的轉換吸納能量回饋的峰值功率。

目前針對高壓直流并聯供電系統的研究處于起步階段，且集中于永磁發電機和三級式發電機組成的并聯供電系統。電勵磁雙凸極發電機并聯運行的研究目前尚屬空白。本文提出了基于電勵磁雙凸極發電機并聯運行的新型高壓直流供電系統。這種構架結合了電勵磁雙凸極發電機與高壓直流并聯供電系統的優勢，因此具有較強的研究和應用價值。

提出的電勵磁雙凸極發電機高壓直流并聯供電系統如圖9所示。2臺電勵磁雙凸極發電機分別通過發電機控制斷路器(GCB)連接至各自的直流母線，兩部分直流母線通過匯流條斷路器(BTB)連接。每臺電勵磁雙凸極發電機由對應的發電機控制器進行控制，發電機控制器內部包含一臺結合不對稱半橋(AHB)變換器的數字電壓調節器，可以通過控制不對稱半橋的占空比實現對勵磁電流的控制，進而控制電勵磁雙凸極發電機的輸出電壓和輸出電流。匯流條功率控制器則可以通過發電機控制器獲得每臺發電機的運行信息，并根據輸出電流狀態通過相應的發電機控制器對發電機進行間接地控制，從而實現并聯發電機的均衡控制。

圖9 兩臺電勵磁雙凸極發電機組成的高壓直流并聯供電系統

3.2 雙凸極高壓直流并聯供電系統控制方法

單臺電勵磁雙凸極發電機通常采用直流側電壓外環、勵磁電流內環的控制方法。

電壓外環比例-積分(PI)控制器的輸入為檢測到的母線電壓和預設的電壓參考值。電壓外環PI控制器的輸出為勵磁電流參考值。

(1)

ifref=kpv(uref-udc)+kivSv

(2)

式中：Sv代表對母線電壓誤差的積分操作；udc為母線電壓；uref為母線電壓的參考值；ifref為勵磁電流的參考值；kpv和kiv為電壓外環PI控制器的比例系數和積分系數。

勵磁電流內環控制以勵磁電流為控制對象，采用比例-積分-微分(PID)控制實現對勵磁電流的調節。勵磁電流內環的輸入為勵磁電流檢測值和勵磁電流參考值，輸出為不對稱半橋功率開關驅動信號占空比。

(3)

(4)

ds=kpi(ifref-if)+kiiSi+kdiDi

(5)

式中：Si代表對勵磁電流誤差值的積分操作；Di代表對勵磁電流誤差值的微分操作；if為勵磁電流；ds為不對稱半橋功率開關驅動信號占空比；kpi、kii和kdi分別為勵磁電流內環PID控制器的比例、積分、微分系數。

2臺電勵磁雙凸極發電機組成的高壓直流并聯供電系統中，除了對每臺發電機進行控制，還需要增加額外的均流控制模塊。本文采用平均值均流方法進行均流控制。

首先計算每臺發電機應承受的平均電流iavg：

(6)

在平均均流控制中包含2個均流PID控制器，均以平均電流iavg作為輸入的參考值，分別以2臺發電機的輸出電流作為反饋輸入量。以x代表其中一臺電勵磁雙凸極發電機，則第x臺電勵磁雙凸極發電機的均流PID控制器可以表示為

(7)

(8)

umodx=kpidcx(iavg-idcx)+kiidcxSidcx+kdidcxDidcx

(9)

式中：Sidcx代表對第x臺發電機輸出電流與平均電流之間誤差的積分操作；Didcx代表對第x臺發電機輸出電流與平均電流之間誤差的微分操作。umodx為第x臺均流PID控制器輸出結果，是對該發電機電壓參考值的修正；kpidcx，kiidcx和kdidcx分別為均流PID控制器的比例、積分和微分系數。

第x臺均流PID控制器的輸出umodx為相應母線電壓控制PI控制器參考值的修正，即式(1)和式(2)改寫為

(10)

ifref=kpv(uref+umodx-udc)+kivSv

(11)

每臺發電機的勵磁控制環節則不需要改動。

基于兩臺電勵磁雙凸極發電機組成的高壓直流并聯供電系統的控制結構如圖10所示。

圖10 基于平均值均流的控制方法

該均流控制方法也可以應用于更多臺發電機并聯[19,24]和并聯發電機功率不相等的情況。假設系統中并聯發電機的臺數為n，第i臺發電機的額定功率為Pi(i=1,2，…，n)。每臺發電機在勵磁電流內環、直流側電壓外環之外均增加一個均流PID控制器，該控制器的輸入為發電機輸出電流與該臺發電機的平均電流iavgi的差值。其中，iavgi的計算方法為

(12)

3.3 雙凸極高壓直流并聯供電系統實驗驗證

按照圖9所示的結構搭建了由2臺電勵磁雙凸極發電機組成的高壓直流并聯供電系統，如圖11所示。該系統中，兩臺9 kW電勵磁雙凸極發電機分別由兩臺不同原動機驅動，并由各自的發電機控制器實現調壓控制。匯流條功率控制器用于兩臺發電機的均流控制。實驗平臺相關參數如表1所示。

圖11 高壓直流并聯供電系統實驗平臺

表1 高壓直流并聯供電系統實驗平臺參數

2臺電勵磁雙凸極發電機均運行在5 000 r/min轉速，負載為1 kW。如果不進行均流控制，則第2臺電勵磁雙凸極發電機DSEG2投入并聯后，負載電流會由其中一臺發電機承擔，而另一臺發電機的輸出電流會減小，如圖12所示。

圖12 不進行均流控制時的母線電壓、輸出電流波形(100V/格、5A/格)

采用平均值均流控制方法時，可以保證均流誤差較小，如圖13所示。在負載較小時，均流誤差較大，這主要是電流傳感器和采樣電路的固有誤差導致的。隨著負載功率的增加，2臺發電機的誤差可以縮小至2%以下，實現較高精度的均流控制。采用平均值均流控制方法時，控制負載仍為1 kW。當DSEG2投入并聯時，母線電壓的峰值為280 V，調節時間為20 ms，最終負載電流在兩臺發電機之間平均分配，如圖14(a)所示。當DSEG2退出并聯時，母線電壓谷值為266 V，調節時間為31 ms，最終負載電流完全由另一臺發電機承擔，如圖14(b)所示。

圖13 均流誤差

圖14 投入和退出并聯時的動態響應

在高壓直流并聯供電系統中，突加突卸負載時的母線電壓和輸出電流波形如圖15所示。當負載從1 kW突加至7 kW時，電壓谷值為258 V，調節時間為20 ms。當負載從7 kW突卸至1 kW時，電壓峰值為286 V，調節時間為35 ms。在負載突加突卸過程中，經過短暫的調整，兩臺發電機的輸出電流能夠保持均衡。

圖15 突加突卸負載時的動態響應

通過對2臺電勵磁雙凸極發電機組成的高壓直流并聯供電系統的實驗，可以驗證：高壓直流并聯供電系統可以實現2臺發電機在穩態過程中的精確均流控制；高壓直流并聯供電系統在投入并聯、退出并聯、突加負載和突卸負載等動態過程中，能夠保持母線電壓的穩定，實現良好的均流控制。

2臺電勵磁發電機組成的高壓直流并聯供電系統中故障特征分析與相應的故障保護方法是確保高壓直流并聯供電系統安全運行的重要技術。文獻[24]詳細分析了電勵磁發電機組成的高壓直流并聯供電系統中電樞繞組開路、短路故障，整流器開路、短路故障，勵磁繞組開路、短路故障，發電機控制器開路、短路故障，電壓、電流傳感器故障，發電機至整流器差動故障，勵磁脈動故障，支路匯流條短路故障和并聯匯流條短路故障的現象和相應的保護方法。上述故障模式分析對于新型雙凸極發電機高壓直流并聯供電系統同樣具有重要參考意義。

穩定性分析建立在對系統進行數學建模，求取發電系統輸出阻抗和負載系統輸入阻抗的基礎上。由于電勵磁雙凸極發電機本身特性較為復雜，存在著強烈的非線性和耦合性[30]，因此精確數學模型的建立仍存在一定難度。對電勵磁雙凸極發電機組成的高壓直流并聯供電系統穩定性分析與優化方法，將作為未來研究的重點。

4 結 論

高壓直流并聯供電系統與交流并聯供電系統相比顯著簡化并聯控制，易于實現不中斷供電，并實現了多發動機/多發電機布局下供電容量的擴展，提升了供電系統的穩定性和魯棒性，有助于進一步發揮高壓直流供電系統的優勢和潛力。本文的主要工作和結論包括：

1) 在總結低壓直流和恒頻交流并聯供電系統技術的基礎上，闡釋了高壓直流并聯供電系統的基本概念、技術優勢和研究現狀。隨著機載電氣負載種類和容量不斷增加，高壓直流并聯供電系統在新一代多電/全電飛機上有重要研究和應用價值。

2) 總結了高壓直流并聯供電系統的關鍵技術和問題。分析了并聯供電系統的架構、并聯電源的均流控制、并聯供電系統的故障模式分析與保護策略、并聯供電系統的穩定性分析、能量回饋與能量綜合管理技術等。

3) 提出并研究了基于新型雙凸極無刷直流電機的高壓直流并聯供電系統，采用平均值均流控制方法，實現了對高壓直流并聯供電系統的高精度的負載電流分配。

4) 新型雙凸極高壓直流無刷發電機的并聯供電系統在投入和退出并聯時可以實現對母線電壓的穩定控制，在投入并聯后能夠迅速實現均流，在突加突卸負載時具有良好的動態性能。

5) 針對多電/全電飛機高壓直流并聯供電系統的特性分析、系統級建模方法、保護邏輯和控制策略等方面仍存在諸多需要深入研究和突破的關鍵技術。