機場地面電源中頻動態電壓補償器設計

摘 要：本文采用系統工程理論與數電模擬雙環控制策略，對機場地面電源中頻動態電壓補償器的設計進行了深入研究。研究重點是電壓補償器工作原理的優化、變壓器匹配模塊的設計以及高效的補償策略。通過結合硬件電路和軟件算法設計，實現了對中頻動態負載的精準響應和電壓的穩定輸出。提出了一系列創新方案，如電流精準檢測與系統層補償策略，以提升系統性能和可靠性，有效解決機場地面電源系統中存在的電能質量問題。

關鍵詞：機場地面；中頻動態；電壓補償器；硬件電路

中圖分類號：TM 30" " 文獻標志碼：A

隨著航空業的日益蓬勃發展，機場地面電源的穩定性與電能質量對飛機維護和乘客服務至關重要。鑒于機場地面電源系統性能要求不斷提升，中頻動態電壓補償器成為確保供電可靠性的關鍵設備。本文旨在為機場地面電源中頻動態電壓補償器的設計提供一套系統化的解決方案，以支持航空業的可持續發展。

1 設計原理與框架

1.1 電壓補償器工作原理

在機場地面電源中頻動態電壓補償器的設計中，補償器工作原理的核心是通過電磁感應調節輸出電壓，以適應不同負載條件下的穩壓需求。電壓補償器工作原理如圖1所示。輸入端Ui通過開關S1向變壓器T供電，變壓器一次側的電感Lx和電阻Rx共同決定輸入電流i1的特性。通過精確控制開關S1和S2，變壓器的次級側產生一個調節后的電壓Uo，供給負載RL[1]。圖1中，補償器的核心包括匝數比Np∶Ns的線圈、主電感Lpm和匹配電阻Rpm，共同構成了電壓補償環節。電流ip通過電感Lpm流向負載，而電流i2通過匹配電阻Rpm，這種配置可以有效抑制可能產生的諧波，確保電壓輸出的穩定性。此外，補償器還需要考慮鐵損和銅損。其中鐵損主要由磁芯的磁滯和渦流損耗構成，銅損是由線圈電阻產生的熱損耗。通過精細調節Lx、Lpm和Rpm的值，可以實現對輸出電壓Uo的精準控制，滿足機場地面電源的特定需求。該過程要求高度的精確性和對中頻動態負載變化的快速響應，以確保電源質量和飛機地面服務的連續性。

1.2 設計框架

在機場地面電源中頻動態電壓補償器的設計框架中，必須先確立模塊化的設計理念，以實現高效能的補償特性。設計框架圍繞主要的功能模塊構建，包括輸入隔離模塊、變壓器匹配模塊、濾波與補償模塊以及輸出調節模塊[2]。輸入隔離模塊負責確保輸入信號的穩定性，防止電網波動直接影響補償器性能；變壓器匹配模塊通過調整變壓器匝數比和匹配電感、電阻值來優化電壓轉換效率。濾波與補償模塊利用先進的濾波技術和補償算法對信號進行平滑處理，以消除不必要的諧波干擾；輸出調節模塊負責動態調整輸出電壓，以適配不同的負載需求。設計方法論基于系統工程理論，結合數電模擬雙環控制策略和實時反饋機制，可保證中頻動態電壓補償器在多變負載條件下能夠穩定運行。仿真分析與實物測試相結合的方法將用于驗證設計框架的有效性，從而確保補償器能在機場地面電源系統中提供高效、穩定且可靠的電能。

2 中頻動態電壓補償器變壓器平滑投切與補償策略

2.1 補償電路驅動層的變壓器平滑投切控制研究

補償電路驅動層的變壓器平滑投切控制如圖2所示。變壓器平滑投切過程涉及多個控制開關（VT1、VT2、VT3和VT4）和二極管（VD1、VD2、VD3和VD4），通過精確控制這些開關的導通與關斷來對電壓進行精細調節，以匹配不同的負載變化[3]。在圖2（a）～圖2（d）的4個不同狀態下，可以觀察到對應開關的操作變化，這些操作須由精確的控制邏輯和驅動信號完成，以確保變壓器的次級側能夠輸出平滑且連續的電壓Uo。具體為當VT4關斷時，電流通過VT1和VD1完成回路，而當VT2導通時，電流路徑變更通過VD2，以平衡負載側電壓。在該過程中，必須考慮開關的響應時間和二極管的反向恢復時間，原因是這些參數會直接影響電壓波形的平滑度和補償精度。此外，電流和電壓的實時監測數據也比較重要，需要通過高速ADC（模數轉換器）采集，再由DSP（數字信號處理器）分析處理，形成閉環控制系統，以實現電壓的實時動態補償。

2.2 電流精準檢測與判斷方法

電流波形的理想軌跡與實際軌跡如圖3所示。在電流波形分析中，精確檢測電流的峰值（Imax+/-）和實時電流值（I）是確保電壓補償器有效運作的關鍵[4]。通過應用霍爾效應傳感器或者電流互感器，可以對電流進行實時監測，并將信號輸入模數轉換器（ADC），由數字信號處理器（DSP）進行實時分析。

電流波形精準檢測的關鍵在于標定每個周期內的最大偏差（ΔI）。該偏差應保持在制定的誤差范圍內，例如允許的偏差范圍可設定為±2%的Imax。電流檢測系統必須能夠區分峰值電流與實時電流，如公式（1）所示。

I（t）=Imax·sin（wt+?） " "（1）

式中：ω是角頻率；?是相位差；t是時間。

電流檢測的精度直接影響補償策略的反應速度和補償精度，需要對每個周期的電流波形進行快速傅里葉變換（FFT），以識別并濾除可能存在的諧波成分。

對于電流檢測的判斷方法，需要采用基于軟件的閾值設定和硬件的過流保護雙重機制，確保電流異常時能夠迅速切斷電源，防止設備損壞。通過實時監控電流峰值和實時值，并結合溫度、時間等因素的實時數據，可構建一個多參數反饋系統，對補償器進行動態調整。

2.3 系統層補償策略

系統層采用調制器K對輸入信號進行調節，并通過圓整器（Round）處理以實現信號的離散化，后續通過一系列增益模塊G1～Gn對處理后的信號進行放大，再通過低壓釋放器（LVR）輸出至電源線路Vabc。整體補償策略基于實時均方根（RMS）值的反饋，確保輸出電壓的穩定性和對負載變化的敏感性。如圖4所示。系統層補償策略的核心是動態調整增益模塊Gn的參數，以適配負載需求和穩定輸出電壓。該策略利用先進的PID（比例-積分-微分）控制算法，形成閉環控制系統，實時調整K值，以實現信號調制的精確性。PID控制器的傳遞函數如公式（2）所示。

（2）

式中：Kp、Ki、Kd分別是比例、積分、微分控制器的增益系數；s是拉普拉斯變換中的復頻率。

通過實時監測電源線路Vabc的RMS值，系統能夠對K值進行實時調整，保證輸出電壓Vabc的穩定性。系統層補償策略強調的是整個系統的協同工作，通過信號處理和反饋機制來實現精確補償[5]。在變壓器平滑投切操作中，該策略確保了從源頭到輸出的每個環節均能精確響應負載變化，從而優化電壓補償效果。此外，通過數據采集模塊對運行參數進行記錄和分析，補償策略能夠根據歷史數據進行自我優化，提高系統對動態負載的適應性和整體的能效比。

3 機場地面電源中頻動態電壓補償器的設計

3.1 功能與技術要求

電壓補償器的設計必須滿足苛刻的技術規格，以確保其在機場地面電源系統中能夠提供穩定、可靠的服務。功能要求強調補償器必須能夠處理中頻范圍內的動態負載變化，并在極短的時間內調節輸出電壓以匹配負載需求[6]。技術要求涉及電壓穩定度、響應時間、效率以及與現有機場電源系統的兼容性。電壓補償器必須滿足的關鍵技術指標見表1。

設計中頻動態電壓補償器時，必須采用先進的半導體材料和高精度的電路設計和精密的控制算法來確保滿足上述技術要求。電壓穩定度標準要求在設計中采用閉環控制系統，以實時監測和調整輸出電壓。響應時間標準要求補償器的控制邏輯必須優化，以實現快速切換和補償。效率標準要求設計者優化電力轉換路徑，以減少能量損耗。諧波失真的控制則要求在設計中加入有效的濾波電路，以減少非線性負載引起的電能質量問題。

3.2 硬件電路設計

硬件電路設計涵蓋了從電源輸入最終輸出的所有電路組件，包括濾波器、控制邏輯單元、功率調制器、反饋系統和保護機制。考慮輸入電壓可能存在的不穩定性，本設計中裝有一個EMI濾波器，以減少電網噪聲的干擾[7]。功率調制器也必須采用高效率的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），確保高頻運作時的最低導通損耗和開關損耗。功率調制器的設計如公式（2）所示。

Ploss=I2·Ron+fsw·Esw" （2）

式中：I是電流；Ron是導通電阻；fsw是開關頻率；Esw是每次開關的能量損耗。

控制邏輯單元核心是DSP或FPGA，負責實施PWM（脈寬調制）策略，精確控制IGBT或MOSFET的開關動作，以維持穩定的輸出電壓。該單元利用閉環反饋控制系統，通過實時監測輸出電壓和電流，對PWM信號進行實時調整，確保輸出電壓符合設計規格。控制邏輯還整合了過流、過壓和過熱保護功能。如檢測發現相關參數超出閾值時，應立即斷開功率輸出，防止硬件損壞。

反饋系統包括電壓和電流傳感器，可持續監測輸出參數，并將數據反饋給控制邏輯單元。該系統通過高精度模擬-數字轉換器（ADC）實現數據采集，保證了監測數據的精確性和響應速度。設計中還應包括一個軟啟動電路，避免在啟動過程中對電網造成沖擊。硬件電路設計應達到所有的安全和性能標準，包括但不限于IEC61000系列標準，以確保補償器在不同的運行環境下均能可靠工作。

3.3 軟件算法設計

軟件算法設計是實現高效電壓補償功能的核心。該設計涉及多個層面，包括控制算法、信號處理、系統監測/診斷以及用戶界面。其中控制算法必須能夠準確響應負載變化，實現電壓調節與補償，同時還需要具備自我診斷和適應環境變化的能力。

控制算法的設計基于PID控制理論，通過設置合理的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）參數，確保系統對負載波動響應快速且精確。算法通過收集電壓和電流傳感器的反饋信息，計算出控制偏差e（t），并實時調整PWM信號來控制功率開關元件，從而達到穩定輸出電壓的目的。PID控制器如公式（3）所示。

（3）

式中：u（t）是控制器的輸出；e（t）是設定值與測量值之間的偏差。

信號處理算法利用快速傅里葉變換（FFT）分析電壓和電流信號的頻率成分，識別并濾除不必要的諧波，并優化輸出信號的質量。

4 結語

綜上所述，本文設計了一套機場地面電源中頻動態電壓補償器設計方案。該方案不僅滿足了電源系統對電能穩定性和高質量輸出的需求，還具備高效的響應速度和優良的適應性，有效提高了機場電源系統的運行效率和安全性。在硬件設計方面，通過采用先進的功率電子元件和精密的電路布局，確保了補償器的高效率和低損耗。而在軟件算法層面，通過先進的控制策略和智能數據處理，對電壓波動進行了精準補償。本問研究成果為機場地面電源系統提供了一種新的解決方案，為未來航空電源技術的發展奠定了基礎。

參考文獻

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