電推進飛機定子雙繞組感應發電機并聯系統

蘇寧，黃文新

南京航空航天大學 自動化學院，南京 211106

航空運輸的飛行動力來自于航空發動機轉化的燃油能量，其工作方式是將燃燒獲得的高溫高壓氣體大部分向后噴出以獲得推力。目前，這種方式的效能較低，因此需要發展更高效、節能、環保的分布式電推進系統。分布式電推進的概念是用多個分布式小功率電機推進系統替代傳統燃氣渦輪發動機集中式大功率推進系統，使用電動機驅動涵道式風扇、螺旋槳或者其他裝置直接將電能轉化為機械能。

按照系統一次能源類型分類，分布式電推進系統可以分為純電動電推進系統與油電混合推進系統。純電動電推進系統不需要發動機與燃油，以電池作為系統一次能源，主要由供電系統與電推進系統組成。油電混合推進系統是指由發動機與電動機共同作用的推進系統，根據發動機是否直接提供動力可分為并聯式與串聯式。受目前電池技術的制約，由于能量密度大大低于燃油，純電動飛機的載重、飛行速度、續航里程、飛行時間等性能都被極大地限制，因此渦輪發電分布式電推進系統(Turboelectric Distributed Propulsion, TeDP)，是未來一段時期航空電氣化發展的必然技術途徑。相關研究表明，油電混合動力分布式推進方式可以大大提升系統涵道比，從而進一步提升燃油轉化效率，節省燃油消耗達70%，被驗證為飛機電氣化的必然技術途徑，尤其適用于亞聲速飛機，即絕大多數客機及運輸機。

根據各研究機構的技術研究與實踐，分布式電推進系統可候選的電力系統架構有以下3種：直流輸電型DC架構、交流輸電型AC-DC架構和全交流型AC-AC架構。文獻[8]表明，目前電推進飛機電力系統架構設計中沿用了航空變頻交流(Variable Frequency AC, VFAC)發電系統廣泛使用的變速變頻同步發電機。通常大飛機推進功率達數MW至數十MW之大，單個推進電機也將達MW級功率等級，因此在這3類架構的發電側一般采用一臺航空發動機同時驅動2臺(或多臺)發電機的結構。航空變頻交流發電系統的研究和實踐已經表明，由于沒有安裝恒速驅動裝置，所有的變速變頻同步發電機均工作于非并聯模式，在常規狀態下向各自的負載獨立提供變頻交流電源。作為典型變頻交流體制的多電飛機，現役民航客機波音787的發電系統即采用這種布置方式。

然而回顧航空供電系統的發展，并聯發電架構卻是恒頻交流發電系統中一個常見的選擇。飛機電源系統采用并聯形式的主要優點有：① 總電氣負載在并聯供電的各臺發電機之間自動均勻分配；② 多發電機系統中單臺發電機發生故障不會導致整個發電系統停止工作。每臺發電機都具備足夠的過載能力，從而保障了系統安全性；③ 高電力集成度的并聯發電系統在給定的干擾特性下，可以滿足更大的尖峰負載和起動電流要求；設計時能更有效地利用發電機的安裝容量，從而使所需發電機的數量更少、每臺額定功率值更小;④ 降低配電系統的設計復雜度。當飛機需要增加或減少一些負載時，不必對已有負載分配方案作較大改動。當單臺發電機故障時，在正常運行的發電機之間，系統仍能實現負載自動均勻分配;⑤ 由于并聯電網總容量較大，機載用電設備通斷產生的干擾作用相對減弱，電壓和頻率的波動較小，因此電能質量較高。另外，發電機組并聯工作，有效消除了會影響一些重要機載設備正常運行的拍頻效應;⑥ 并聯系統可以使過流保護裝置的動作更迅速。

普遍的觀點認為，由于棄用恒速驅動裝置，因此變速變頻同步發電機并聯發電是不可行的。其理由是：缺少恒速驅動裝置會導致頻率偏差，這會在并聯控制中帶來頻率相位同步調節的困難，導致并聯失敗。與連接大量同步發電機(Synchronous Generator, SG)的地面大電網不同，在航空交流供電系統中，沒有主導頻率進行牽引同步，貿然并聯不僅會導致發電功率分配失衡，甚至使整個發電系統振蕩失穩。然而，上述推斷隱含了一個基本假設-在主流飛機供電系統中廣泛使用的同步發電機。換句話說，同步發電機的同步特性正是無恒速驅動裝置的航空交流供電系統并聯困難的根本原因。

本文將提出基于定子雙繞組感應發電機(Dual-stator Winding Induction Generator, DWIG)的電推進飛機航空交流并聯發電系統。在航空應用中，DWIG是一種可選的變速變頻主發電機,它具有感應發電機籠型轉子的無刷特性，易維護性和良好的過載性能等優點。文獻[16-17]將其他類型發電機與DWIG進行對比發現：相比于永磁發電機，DWIG易于滅磁且不會有永磁體失磁風險；相比于航空主流采用的三級式同步發電機，DWIG轉子簡單可靠，勵磁單元結構簡單，起動方案簡單；相比于同樣應用在航空的開關磁阻電機，DWIG在風磨損耗和鐵心損耗上有優勢，同時作為一種感應發電機，DWIG的轉矩脈動、噪聲和振動也較小。

DWIG有2組定子繞組，分別稱為控制繞組和功率繞組。控制繞組連接到調節勵磁的靜態勵磁變換器(Static， Excitaion Converter，SEC)；功率繞組輸出交流供電。2組定子繞組僅具有磁場耦合，在發電機內部沒有物理連接，從而實現勵磁控制和輸出供電的解耦。近年來，已有針對單臺DWIG變頻交流發電系統的參數設計優化、多種控制策略、及穩態性能和動態性能等一系列研究。這些研究表明，DWIG變頻交流發電系統具有優良的動靜態性能品質。

在此基礎上，本文提出的基于DWIG的航空交流供電系統并聯運行技術將進一步提高電推進飛機供電系統的電力集成度，同時獲得并聯供電系統的以上諸多優點。本文的主要貢獻在于，使用DWIG實現了無恒速驅動裝置下該變速變頻發電機的交流并聯運行；同時僅依靠DWIG的異步發電特性，以及控制繞組側設計的交-直-交(AC-DC-AC)功率拓撲結構與相應的控制策略完成機組并聯控制。本文首先詳細論證了無恒速驅動裝置的航空變速變頻同步發電機并聯發電的不可行性和DWIG機組并聯發電的可行性及功率自平衡特性機理；闡述了DWIG并聯發電系統的結構和原理；然后提出一種基于功率流調節的頻率相位同步調整策略作為機組協調并聯控制方案，可以使機組從建壓后的獨立發電狀態平穩切換至并聯發電狀態，而無需發動機控制的參與。最后使用硬件在環實驗平臺驗證了DWIG并聯發電系統的可行性，展示了該并聯系統良好的動靜態并聯運行性能。

1 變速變頻發電機并聯運行機理

交流發電機并聯運行有以下幾個先決條件：波形、相序、電壓幅值、電壓頻率和相位。通常可以通過部署相同類型的發電機和接線配置來統一波形和相序的條件，發電機的輸出電壓幅值則可以通過各自的勵磁調節器來調節。因此，波形、相序和輸出電壓幅值是較為容易滿足的條件。實現并聯的關鍵在于電壓頻率和相位這兩個更不易滿足的條件，因為它們的狀態由原動機(發動系統)和發電機(電氣系統)以及兩者的控制器共同決定。下面以配有無恒速驅動裝置的變速變頻同步發電機的波音787為例說明這個問題。圖1展示了其主電源系統的一部分。波音787有2臺主發動機，每臺主發動機驅動2臺三級式同步發電機，共享相同發動機和變速箱的雙發電機無疑具有相同的轉子頻率。然而，對于波音787上使用的2臺由同一發動機驅動的三級式同步發電機組，轉子的相對位置由變速箱固定，在飛機的組裝階段中準確地調整相位差在工程上也是不切實際的。由此可見，即使沒有頻率偏差，相位的難以調整直接導致了變速變頻同步發電機交流并聯的不可行。因此，在實際運行中，波音787共發動機的雙發電機獨立交流供電，如圖1(b)所示。然而感應發電機則沒有如上所述的限制，其電壓相位不依賴于轉子位置，所以定子雙繞組感應發電機組比三級式同步發電機組更容易滿足相位條件進行并聯。

圖1 波音787的主電源系統部分結構示意圖Fig.1 Diagram of part of Boeing 787’s main power system

就并聯所需的頻率同步條件而言，在飛行控制中，各發動機的轉速指令需要保持一致，以維持兩翼平衡的推進力。在電推進系統中，出于對稱的考慮，轉速指令依然需要保持一致。另外，電推進系統的發動機不直接產生推進力而主要用來驅動發電機轉子，更加不需要差速工況，因此交流并聯發電的頻率條件的關鍵在于小轉子頻率偏差下系統是否存在穩定的發電運行狀態。

在穩態空載頻率存在較小偏差的情況下，并聯運行的變速變頻發電機的調速特性有2種情況，如圖2所示。圖2(a)具有下垂特征，顯示了發動機轉速控制中非零穩態誤差的調速特性，這意味著穩態電頻率會隨著有功功率的增加而下降，而圖2(b)無下垂，表示頻率嚴格保持穩定。對于具有較小斜率的較硬調速特性(I)的并聯發電機組，總有功功率的分配分別為和。對于具有較大斜率的較軟調速特性(II)的并聯發電機組，同樣的有功功率的分配分別為和。從圖中可以明顯看出，調速特性越軟意味著功率分配的平衡度越高。圖2(b)可被視為無限剛性的調速特性，在這種極端情況下，對于同步發電機而言，沒有附加措施的情況下將沒有任何有效功率分配，系統實際處于失步狀態，并聯發電失敗。

圖2 發動機速度控制中非零以及零穩態誤差的 調速器特性Fig.2 Governor characteristic of non-zero and zero steady-state errors in engines’ speed control

在現代的全權限數字電子控制(Full Authority Digital Electronic Control, FADEC)系統中，高控制精度意味著發動機調速器具有非常硬的特性，因此圖2(b)更接近于當前變速變頻同步發電機的調速情況：轉子頻率間的微小差異直接導致并聯后功率分配的極大不平衡乃至系統失控。正是同步發電機的同步特性使得并聯頻率條件也難以滿足，因為同步發電機的發電頻率與轉子頻率保持一致，沒有恒速驅動裝置的電頻率調節只能通過FADEC系統校正，這帶來發動與發電控制系統間的額外復雜耦合。這個問題也可以被感應發電系統解決。DWIG作為一種感應發電機，具有滑差特性，這意味著發電功率越高則交流電頻率越低。這種滑差特性與圖2(a)展示的軟調速特性等效。因此無需借助發動機控制系統的參與，DWIG并聯發電更容易有效運行并獲得輸出功率自平衡。

由上述討論可知，無恒速驅動裝置的變速變頻同步發電機的應用使得交流并聯供電系統的相位和頻率條件難以滿足，而這些限制卻對感應發電機無效。DWIG作為一種變速變頻感應發電機，擁有更好的并聯運行可行性。剩下的一個重要問題是發電機的并車，即如何控制發電機組投入并聯運行模式。為避免FADEC參與并車過程并減少控制耦合，發電機的電控系統必須提供頻率相位調節功能。沒有恒速驅動裝置的發電機控制系統一般也沒有頻率相位的電控調節能力，只能依靠調整發動機轉速進行調節。DWIG發電系統將通過其特殊的雙繞組結構，利用控制繞組側AC-DC-AC拓撲交換功率流，提供了無需借助發動機調速器的頻率相位調整功能，從而滿足機組并車條件。下面將借助具體的電力系統架構進行展開說明。

2 定子雙繞組感應發電機并聯發電系統

圖3以電推進飛機AC-DC供電架構為樣例，展示了基于同步發電機的非并聯交流輸電架構和基于定子雙繞組感應發電機的并聯交流輸電架構的示意圖。其中，“AC-DC供電”指推進系統中的電動機依靠整流器和逆變器進行驅動。基于同步發電機的非并聯交流輸電型AC-DC架構中，雖然不同的交流母線可以依靠配電設備橋接，但這種連接僅發生在某些緊急工況下。對于基于定子雙繞組感應發電機的并聯交流輸電型AC-DC架構，按照第1節的分析，在常規運行時，共發動機的發電機組具有相同的轉子速度，這意味著它們在正常情況下始終可以保持功率繞組交流并聯運行；同時，不共發動機的發電機組間的轉子轉速也基本相同，常規狀態下也可以相互并聯運行。

比較圖3的2個輸電架構，并聯型的電力集成度較非并聯型高。在基于同步發電機的非并聯交流輸電型AC-DC架構中，推進電動機的負載容量較大，因此需要平均分配給獨立運行的發電機組。然而除推進電機外，系統中還有大量其他機載用電設備。對于非并聯型架構，只能進行額外的配電系統設計以盡量保證對稱的交流功率輸出。

以圖3為例，考慮2臺容量差別較大的機載用電設備接入系統。在非并聯型架構中，機載用電設備連接不同的交流母線，一方面會造成發電機組輸出功率的不對稱；另一方面，大容量機載設備的接入使得對應發電機容量裕度的下降，帶來潛在的過載、干擾等一系列問題。而對于基于DWIG的并聯型輸電架構，機載用電設備被統一接入高電力集成度的并聯交流母線上，上述的問題將不復存在。

圖3 并聯交流輸電架構Fig.3 Parallel AC transmission architecture

在本文的并聯發電系統中，所有DWIG控制繞組側變換器的直流端都連接到同一條直流母線，這一布局對調頻調相的頻率相位同步控制至關重要。為了闡明該技術而又不失一般性，圖4給出了更具體的DWIG雙機組并聯運行模型。在圖4中，2個獨立的DWIG發電系統具有相同的結構，這在文獻[14]中被證明是一種具有良好動靜態性能的獨立發電系統。在圖4中，控制繞組DC總線側被設計為AC-DC-AC拓撲，而電池和二極管則在電壓建立過程中作為初始激勵單元。原動機從FADEC模擬系統獲取轉速給定。如果將轉速給定設定為嚴格相同，這個模型即代表共發動機的發電機組；如果將轉速給定設定為圖2所示的調速特性，這個模型即可以用來研究不同發動機驅動的發電機組并聯運行。

圖4 定子雙繞組發電機并聯運行的一般模型Fig.4 General model of two-DWIG’s parallel generation

3 機組協調并聯控制

定子雙繞組感應發電機組在開始工作時，需要通過控制各自的控制繞組功率變換器進行空載建壓運行。由于目前的建壓控制策略都是針對單臺獨立運行的發電機，因此建壓后的發電機組一開始均處于非并聯運行狀態。對于共發動機的發電機組，由于參數或控制偏差等因素，建壓完成后的功率繞組輸出電壓可能存在微小的頻率偏差和緩慢交變的相位偏差；對于不共發動機的發電機組，可能存在更大的電頻率偏差和快變的相位偏差。輸出電壓幅值的調整可以依靠各臺發電機的獨立控制；而由于沒有恒速驅動裝置，相位和頻率的調節則必須依賴DWIG機組之間的協調控制。

為了使DWIG的功率繞組側安全穩定地進入交流并聯發電狀態，這里提出一種基于功率流調節的機組協調并聯控制方案。依靠恒速驅動裝置并聯的航空交流發電機組，在并聯操作時依靠該裝置的獨立控制器調節發電機轉子的轉速，并通過控制轉子轉速連帶調節發電頻率和相位，從而滿足條件進行發電機組并車。本文提出的基于功率流調節的協調并聯控制方案，不依賴恒速驅動裝置，而依靠DWIG機組控制繞組側建立的AC-DC-AC通道在機組間協調電功率傳遞，并利用異步發電特性調節機組的輸出電壓相量并使之同步，從而避免使用額外設備進行復雜的機械或液壓并聯控制。

根據雙繞組感應發電機機電能量轉換原理，其電機總電磁功率大約與轉差頻率成正比，即

(1)

式中：為感應發電機的電磁功率；為轉差率；為轉子頻率；為電頻率。

式(1)依照了電動機慣例，電磁功率和轉差率在發電狀態下為負，在電動狀態下為正。通過圖4中的控制繞組側AC-DC-AC拓撲將一部分電功率從具有較高電頻率的DWIG引向具有較低電頻率的DWIG，會導致較高的電頻率降低而較低的電頻率升高。圖5推演了這個使電頻率相向而行的調節機制。與此同理，如果傳遞功率方向反向，那么2臺發電機的電頻率將相背而行。根據這個原理設計基于功率流控制的反饋調節器，就可以調節待并聯DWIG的功率繞組側的輸出電壓的頻率以及相位，以滿足并聯運行條件。

圖5 功率流控制并車調節機制Fig.5 Mechanic of parallel operation through power flow control

圖6展示了機組獨立起動建壓和投入并聯運行的總體控制框圖。在機組獨立起動建壓時，獨立機組(DWIG 1和DWIG 2)通過相同的磁場定向矢量控制策略分別獨立建壓。這里的矢量控制器由功率繞組電壓環、直流母線電壓環、磁鏈環、電流內環、調制等模塊組成。矢量控制器中的功率繞組交流電壓幅值外環首先使并聯的幅值條件被滿足。進入協調并聯控制時，獨立機組(DWIG 1和DWIG 2)被分為被動并聯DWIG和主動并聯DWIG，被動并聯DWIG的控制框圖沒有發生改變，而主動并聯DWIG的直流母線電壓環此時被主動切換為一個功率流控制模塊。

圖6 機組獨立建壓和投入并聯控制總體框圖Fig.6 Overall diagram of DWIGs’ standalone voltage buildup control and coordinated parallelizing control

圖7進一步給出了具體的模塊實現框圖。功率繞組電壓環，直流母線電壓環，磁鏈環，電流內環這些模塊的實現可以從被動并聯DWIG控制策略框圖下得到，同時這些也是獨立起動建壓過程和主動并聯DWIG控制中各同名模塊的實現。

圖7 模塊實現框圖Fig.7 Diagram of modules’ implementation

統一DWIG機組電頻率后的一個附帶效果即是固定了機組的輸出電壓相位差。然后，旨在消除并車機組輸出電壓相位差的第二步調節開始啟動，此時S2閉合，S1保持閉合。與頻率差調節的單方向性不同，減小相位差異的方法既可以加速滯后相的交流電壓也可以減速超前相的交流電壓。換言之，直接對相位代數差進行PI調節可能會發生逆向調節。為了防止逆向調節，需要對相位差進行重新定向。圖7中的重定向模塊可以表示為

(2)

式中：Δ為相位輸入；Δ為相位輸出。

經過式(2)的處理，相位調節的雙方向性被轉化為單方向性。在這2個步驟的共同作用下，最終調節器會消除待并聯機組的頻率和相位差，這意味著所有并聯條件都被滿足，可以安全并車。圖8展示了協調并聯的調頻調相的控制流程圖，總結了上文對控制結構的闡述。

圖8 協調并聯控制流程圖Fig.8 Flow chart of coordinated parallel control

協調并聯操作之后，按照分析，DWIG交流并聯發電同時會擁有良好的功率自平衡效果。正是定子雙繞組感應發電機的異步運行特性和雙繞組結構帶來了這種獨特且簡單可靠的并聯方式。下一節將通過硬件在環實驗來驗證本文所提出的并聯控制方案以及并聯運行效果。

4 硬件在環實驗驗證

實驗驗證是在基于PleximRT-Box的硬件在環(Hardware in Loop, HIL)實驗平臺上執行的。RT-Box用來模擬本文提出的并聯發電系統的功率模塊，而基于數字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)TMS320F28335的硬件控制器執行本文提出的機組協調并聯控制策略。圖9是HIL實驗平臺的照片。這里部署了2個串行連接的PleximRT-Box，以實時模擬圖4的并聯運行模型。基于DSP的控制器通過數字和模擬I/O接口連接到RT-Box，運行圖5～圖8所示的協調控制方案。RT-Box輸出表示功率信號的模擬信號，該信號由示波器探測顯示。

表1中列出了用于在環實驗驗證的250 kVA定子雙繞組感應發電機的單機參數，這個參數表是仿照與波音787主發電機相同的額定功率而設計的。

通過PleximRT-Box生成的模擬輸出(代表實際物理信號)演示了硬件在環實驗結果。圖10展示了協調控制并車過程，該過程首先統一了機組功率繞組電壓的電頻率然后消除其相位差。在圖10中，3張波形圖的放大部分按時間順序顯示了同一過程(見波形圖上方)的放大細節。當相位差變為恒定時，代表電頻率已經同步，而當相位差變為零時，代表消除了電壓相位差。在整個過程中，控制繞組側的直流母線電壓保持穩定。DWIG的轉子頻率的相對誤差設置為0.4%。這個過程顯示，無需發動機調速器的干預，僅依靠DWIG機組的功率變換器控制就可以實現并聯控制。

圖9 硬件在環實驗平臺Fig.9 HIL experimental platform

表1 定子雙繞組感應發電機參數Table 1 Parameters of DWIG

圖10 協調并聯控制中統一電頻率并消除功率繞組電壓相位差的連續過程Fig.10 Continuous process of unifying electric frequencies and eliminating phase difference of power winding voltage in coordinated parallel control

圖11給出了并聯發電時額定功率的加載過程。圖11(a)和圖11(b)中的圖是同一圖，示波器不同的光標指示了幅值。此時轉子頻率的相對誤差仍為0.4%。如負載電流所示，該頻率誤差對穩定運行沒有不良影響，但是對于同步發電機，這種條件下的穩定運行是不可能實現的。空載條件下有較小的有功功率環流，這是因為并聯系統中統一的電頻率使較高轉速的DWIG在發電機模式下運行，而較低轉速的DWIG在電動機模式下運行。在以額定功率(即兩臺DWIG的總額定功率)加載后，2臺DWIG均進入發電機模式。光標顯示代表電磁轉矩的模擬電壓信號為-6.6 V和-7.4 V，這意味著2臺DWIG之間的有功功率分配比率為47%∶53%，這是一個相當自平衡的結果。與之可以對比的是，當存在恒定的轉子頻率差時，同步發電機的并聯發電必定會失敗并且根本沒有功率分配。因此，所提出的基于DWIG的并聯運行發電系統在電推進應用場合是可行的。在轉子轉速越接近的情況下，所有的發電機都能并聯運行且獲得良好的功率自平衡效果。對于共發動機的同型號DWIG機組，并聯時的有功功率分配自然接近50%∶50%，而同步發電機受限于無恒速驅動裝置依然無法并聯。

圖11 并聯發電時額定功率加載過程Fig.11 Loading process by rated power in parallel generation

5 結 論

提出了一種適用于電推進飛機的定子雙繞組感應發電機并聯發電系統；分析闡述了無恒速驅動裝置情況下變速變頻同步發電機并聯運行的不可行性和感應發電機并聯運行的可行性機理；提出了DWIG機組并聯發電系統拓撲；提出了基于功率流調節的機組協調并聯控制方案。研究結果表明:

1) 定子雙繞組感應發電機的雙繞組結構和異步發電特性非常適合并聯發電場合，可以在沒有發動機調速器參與的情況下完成電頻率和相位的同步以滿足并聯條件。

2) 定子雙繞組感應發電機的異步特性使額定功率運行下的并聯發電機組之間具有合適的功率分配自平衡。