航空用三相电压型PWM整流器并联控制技术

0 引言
    航空270V高压直流供电系统由于拥有效率高、电网质量轻、结构简单、易于实现余度和不中断供电等优点，有着良好的应用前景，成为研究的热点。目前该系统普遍由基于二极管整流的方式实现，其主要缺点是难以获得较高的功率因数。针对此问题，本文采用可控的三相电压型PWM整流器替代不可控的二极管整流器来实现高功率因数的直流系统供电。
    余度供电是提高飞机电源系统可靠性的重要手段。为扩大系统的容量，提高系统的可靠性，本文采用整流器系统并联的运行方式。对于并联整流系统而言，均流是需要解决的关键技术之一。均流的目的是保证各交流器之间电流应力和热应力的均匀分配，防止一台或多台变流器运行在电流极限值状态，而另外的变流器轻载运行，甚至空载运行，导致分担电流多的交流器热应力大，寿命下降，降低系统的可靠性。为此，本文提出一种共电压外环的主从均流策略，实现了系统的均流运行。

1 整流器并联原理分析
    两路三相电压型PWM整流器并联示意电路图如图1所示。

    图中u1、u2分别为两路三相VSR输出的直流电压(输出滤波电容电压)，R1、R2分别为线路电阻，R为负载电阻，则按图1参考方向及结点电压法可得：
   
    经化简可得负载电压u：
   
    分析式(6)可知：由于R1、R2为线路电阻，其值非常小，所以任一路三相VSR输出直流电压有很小的变化时，都可以产生很大的环流△i，由于这一电流不经过负载，仅在整流器之间形成环流，环流较大时极易损坏整流器，因此需要引入并联控制策略以减小△i，亦即实现均流。

2 均流控制原理
    对于组成并联系统的单路电压型PWM整流系统(简称VSR)而言，可采用双闭环控制策略，即电压外环和电流内环。系统控制结构如图2所示。电压外环控制输出使直流电压稳定在270V左右，电流内环控制交流侧电流以获得高功率因数。电压外环PI控制器计算出作为电流内环的有功电流给定值，为使功率因数为1，无功电流给定值为0，经过电流前馈解耦(解耦所需各dq轴分量由坐标变换得到)获得三相交流侧指令电压作为SVPWM的给定空间电压矢量，通过三相VSR空间电压矢量的合成，使实际的空间电压矢量逼近给定的空间电压矢量，最终实现交流侧电流跟踪控制，即系统的高效率运行。

    由上节分析可知，均流是并联系统必须要解决的问题之一。对于DC／DC变流器的均流控制，研究人员已经做了很多工作，主要有以下两种方法：主从均流法和下垂特性法。主从控制均流法是在若干个模块中指定某一模块为主模块，其余为从模块，从模块将根据主模块的电流值进行均流调节。该均流方案的实现可采取内环控制式、外环控制式和外置控制器式三种方式。针对此整流系统，本文提出了一种共电压外环的主从均流策略，以此实现均流。
    以双路整流器并联系统为例，其控制结构示意图如图3所示。图中整个并联系统只采用单一的电压外环，反馈直流电压为负载电压vdc，如把三相VSR1作为主整流器，那么将其电压环PI控制器计算出的q轴电流传给从整流器，从而使各整流器均获得相同的q轴电流指令，通过电流环PI控制器，实现了整个整流系统各个整流器的精准均流，而且直流输出电压稳定。当三柑VSR1发生故障时，三相VSR2的电压外环接替三相VSR1的电压外环工作，产生有功电流给定值。

    从图3可以看出，单台PWM整流器仍然采用跟踪电压指令的SVPWM控制策略，而主从PWM整流器各自都有自己的电流内环，电压外环产生了指令除以n(n为并联的整流器数)来实现多台变流器的电流指令相等且匹配对直流侧电压的稳定控制。

3 双路电压型PWM整流器并联系统的仿真分析
    本节在Matlab-Simulink仿真软件中通过仿真验证双路VSR并联系统共电压外环均流策略的均流效果。仿真模型包括两路PWM整流器，它们在直流侧并联。每个整流器有单独的三相桥前电感和直流侧电容。两路三相交流电压输出相电压互差30°电角度，有效值76V，频率400H z，交流侧电感0．8mH，直流侧电容1000μF，输出线路电阻R1=R2=0.01Ω，为了抑制输出电流的脉动，分别在两路输出端加入L1=L2=0．1mH的滤波电感，开关频率18kHz，带阻性负载6kW，主电路仿真模型见图4，图5为控制模块模型。

    图6为未使用均流策略时并联系统交流侧相电压ea1、ea2及其对应相电流ia1、ia2的稳态波形，其中ia1的峰值约是28A，此路的输出功率为4965W；ia2的峰值约是7．5A，由此可见一路重载运行，另一路轻载运行，系统处于不均流状态。图7为使用均流策略后的并联系统交流侧相电压ea1、ea2及其对应相电流ia1、ia2的稳态波形，两路相电流的峰值相同，均约为19A，即并联系统的两路输出功率相同，达到交流侧均流的目的。且从图中可以看出，每路交流侧的相电压和相电流的相位差都为零，即功率因数为1，实现了系统对高功率因数的要求。
    本文仅给出了三相电源相电压为76V，频率为400Hz情况下的仿真均流效果。经过仿真发现，三相交流电源相电压有效值在35～110V，频率在200～660Hz之间时，采用共电压外环的主从均流策略，均可以实现组成整流并联系统中各整流器的精确均流。

4 双路整流器并联系统实验结果
    本文提出的整流电源系统并联均流控制策略，在两台三相输入电压有效值为76V，频率为400Hz，直流侧输出电压为270V，输出功率1.5kW的整流器上进行了并联实验。系统主控制芯片采用TI公司生产的TMS320F2812DSP，电流指令的传输，采用DSP本身集成的CAN总线模块，主整流模块采用的是富士公司产的6MBP50RA060，系统硬件电路如图8所示：

    实验结果如下：

   
    图10稳态直流电压Vdc波形

    两路整流系统并联的均流效果如图9所示，在图9(a)中，使用了均流控制策略的主整流器交流侧a相电流的幅值约为9A，在图9(b)中，从整流器的交流侧电流的幅值也大约为9A。实验结果表明，使用共电压外环的均流策略，可以使每路整流系统平均分担系统功率，且均流效果良好。
    并且从图9中，可以看出每路交流侧的相电压和相电流的相位差都为零，即功率因数为1，实现了系统对高功率因数的要求。图10为直流侧稳态电压波形，从图中可以看出，稳态直流电压一直稳定在270V附近，满足飞机供电系统系统性能指标的要求。

5 结论
    采用270V高压直流体制是飞机供电系统的发展趋势。在大功率应用场合中，整流器电源系统的并联不仅可以扩大系统的容量，提高系统的可靠性，还可以有效地降低成本，对于飞机供电系统的模块化设计、提高系统的冗余度以及易维护性都有着重要的意义。
    本文详细分析了输出270V直流电压的航空用三相电压型PWM整流器的控制策略，在此基础上，提出了共电压外环的主从均流方式，并在输出直流为270伏的双路三相电压型PWM整流并联系统的仿真和硬件实验中得到验证，仿真和实验结果均表明该整流器并联系统均流效果良好，每个模块可以均分负载系统的总功率，同时在这种均流方式下，当一个整流器出现故障停止运行时不会影响到整个并联系统的运行。如前面分析，本均流方法同样可推广到多路整流器并联运行的情况。