陳鵬宇, 劉寶泉*, 吳泉兵

(1.陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.西安睿諾航空裝備有限公司， 陜西 西安 710117)

0 引言

由于空軍在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的決定性作用，大力發(fā)展空軍成為我國(guó)新世紀(jì)以來(lái)國(guó)防發(fā)展的重點(diǎn).伴隨著作戰(zhàn)需求的不斷提高帶來(lái)的各類先進(jìn)機(jī)載電子航空裝備的列裝，以及越來(lái)越多的飛機(jī)逐步向多電/全電方向發(fā)展的趨勢(shì)，都對(duì)當(dāng)前我國(guó)軍用機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)地面供電系統(tǒng)的供應(yīng)能力及供應(yīng)質(zhì)量提出了更高要求[1-5].根據(jù)國(guó)標(biāo)GJB572A-2006和MH/T6018-2014規(guī)定[6,7]，中頻地面電源的供電有如下要求：(1)輸出額定電壓115 V/400 Hz，三相四線Y型連接；(2)輸出頻率范圍395～405 Hz，電壓幅值有效值范圍為113～118 V.

然而隨著供電容量需求的不斷增大以及線纜傳輸保障距離要求的不斷增加，高負(fù)載電流在中頻400Hz供電頻率下于線纜上會(huì)產(chǎn)生較高壓降，導(dǎo)致負(fù)載端口電壓產(chǎn)生顯著的電壓跌落，嚴(yán)重影響負(fù)載端機(jī)載設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[8].

為了保證飛機(jī)負(fù)載端的供電品質(zhì)，滿足國(guó)家規(guī)定的供電標(biāo)準(zhǔn)要求，通常選擇在電源側(cè)加入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(DVR)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓跌落的補(bǔ)償作用.目前的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器一般采用逆變裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)主線路電壓的無(wú)級(jí)疊加補(bǔ)償，需要直接檢測(cè)供電插頭處(負(fù)載端)實(shí)時(shí)負(fù)載電壓，之后傳輸采樣信號(hào)返回控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以完成補(bǔ)償控制[9,10].具體如：文獻(xiàn)[11]提出基于復(fù)合控制的最小能量補(bǔ)償式控制策略;文獻(xiàn)[12]提出基于RBF_PID控制的補(bǔ)償控制方式;文獻(xiàn)[13]提出的考慮零序分量的補(bǔ)償控制策略等等.但均極少考慮實(shí)際工程應(yīng)用中的插頭處電壓信號(hào)采集和與控制器的遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題.實(shí)際軍用機(jī)場(chǎng)的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，信號(hào)容易受干擾.此外傳輸距離通常較遠(yuǎn)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中需要使用中繼設(shè)備，存在較大延時(shí)問(wèn)題.因此，難以滿足機(jī)場(chǎng)復(fù)雜電磁干擾的使用環(huán)境條件和穩(wěn)定性優(yōu)先的要求，有待繼續(xù)研究改進(jìn).為了更好的滿足機(jī)場(chǎng)的使用需求，從實(shí)際工程的應(yīng)用角度出發(fā)，本文采用間接檢測(cè)的方法完成對(duì)DVR補(bǔ)償控制策略的設(shè)計(jì).

本文去除了直接檢測(cè)供電插頭處實(shí)時(shí)負(fù)載電壓的環(huán)節(jié)，采取間接的方式獲取電壓補(bǔ)償量.通過(guò)提出的一種線纜參數(shù)在線辨識(shí)方法，可以于工作準(zhǔn)備階段利用負(fù)載測(cè)試器在線測(cè)試自動(dòng)辨識(shí)各相中頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的阻抗參數(shù).在此基礎(chǔ)上，提出了基于該線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果的DVR補(bǔ)償控制策略，根據(jù)本地裝置輸出側(cè)的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算間接獲取各相所需的實(shí)時(shí)電壓補(bǔ)償量，從而控制DVR實(shí)現(xiàn)對(duì)各相電壓的無(wú)級(jí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.該方案具有較高的精度和可靠性以及環(huán)境適用性，適用于在機(jī)場(chǎng)復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下使用.

1 飛機(jī)地面中頻供電系統(tǒng)模型

以西部某機(jī)場(chǎng)的400 Hz飛機(jī)地面供電系統(tǒng)為例說(shuō)明，如圖1所示.其供電系統(tǒng)采用集中式供電，即中頻電源遠(yuǎn)距離為多架飛機(jī)提供電能供應(yīng).其供電系統(tǒng)主要由供電單元、中頻輸電網(wǎng)絡(luò)、航空器負(fù)載3部分組成.供電單元部分負(fù)責(zé)提供中頻電能供應(yīng)，以380 V/50 Hz市電為輸入，經(jīng)過(guò)電能變換后為后級(jí)單元提供400 Hz/115 V三相電能；中頻輸電網(wǎng)絡(luò)部分負(fù)責(zé)供電單元與航空器負(fù)載間的連接，主要由航空供電線纜組成，輸送電能至飛機(jī)側(cè)，長(zhǎng)度一般在百米至千米之內(nèi)；航空器負(fù)載部分為用電負(fù)載，具體包括飛機(jī)機(jī)載設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)裝置等.

圖1 西部某機(jī)場(chǎng)的400 Hz飛機(jī)地面供電系統(tǒng)圖

隨著傳輸保障范圍的增加，其中頻輸電網(wǎng)絡(luò)上的壓降會(huì)逐漸增大，如圖2所示，具體需要根據(jù)實(shí)際使用線纜以及環(huán)境溫度決定.以使用的Interflex公司的航空線纜為例，15 ℃使用溫度條件下線纜參數(shù)為0.027 Ω/km和1.2×10-4H/km，在額定180kVA供電容量、保障范圍200米的滿載條件下工作，航空負(fù)載末端供電電壓跌落可達(dá)12 V至15 V左右，違反國(guó)家規(guī)定的供電標(biāo)準(zhǔn)要求.因此，通常需要在供電單元部分增設(shè)DVR裝置以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)壓降補(bǔ)償.

圖2 線纜壓降與傳輸保障范圍的關(guān)系

為了對(duì)本文提出的基于線纜參數(shù)在線辨識(shí)的DVR補(bǔ)償控制策略進(jìn)行整體說(shuō)明，以單個(gè)航空負(fù)載供電網(wǎng)絡(luò)為例建立400 Hz飛機(jī)地面供電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路模型，如圖3所示.在圖3中，ZA、ZB、ZC、ZN為各相線及中線的線纜阻抗；Z為飛機(jī)負(fù)載阻抗；UA、UB、UC分別為三相輸出電壓；IA、IB、IC為A、B、C三相電流，可通過(guò)本地在線測(cè)量獲得，IN為中線電流.其中A1、B1、C1分別為動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器裝置的各相電壓補(bǔ)償單元的安裝位置.

圖3 400 Hz飛機(jī)地面供電系統(tǒng)模型

根據(jù)圖3，可列出400 Hz飛機(jī)地面供電系統(tǒng)模型的電路方程(1)：

(1)

2 線纜壓降在線辨識(shí)與DVR控制策略

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與DVR控制策略

目前的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(DVR)裝置一般采用逆變裝置利用串聯(lián)在主電路中的變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主線路電壓的無(wú)級(jí)疊加補(bǔ)償.根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，具有不同的電路結(jié)構(gòu).400 Hz飛機(jī)地面電源根據(jù)規(guī)定采用三相四線制供電，因此適用于DVR的逆變電路結(jié)構(gòu)主要有三相四橋臂電路、分裂電容形成中點(diǎn)電路以及三個(gè)獨(dú)立的單相全橋逆變電路三種[14].考慮到波形質(zhì)量與控制的復(fù)雜程度，本文選擇使用三個(gè)獨(dú)立的單相全橋逆變電路作為主電路，實(shí)現(xiàn)三相的獨(dú)立動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償.具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示.

整體控制方案分為兩階段：

(1)首先完成飛機(jī)地面供電系統(tǒng)的整體連接工作.接著連接負(fù)載測(cè)試器，進(jìn)行線纜參數(shù)在線辨識(shí).

(2)撤除負(fù)載測(cè)試器，正常連接航空負(fù)載.控制中心基于辨識(shí)結(jié)果控制DVR進(jìn)行壓降補(bǔ)償工作.

詳細(xì)的補(bǔ)償控制策略部分亦可見(jiàn)圖4所示.該控制方案主要由三部分組成.第一部分是線纜參數(shù)在線識(shí)別部分，負(fù)責(zé)在線辨識(shí)獲取傳輸網(wǎng)絡(luò)各相阻抗參數(shù).通過(guò)獲取線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，才能繼續(xù)完成整體的控制方案；第二部分為線纜壓降計(jì)算.該部分主要是利用辨識(shí)結(jié)果通過(guò)計(jì)算間接獲取各相所需電壓補(bǔ)償量[15,16]；第三部分為PWM控制部分.該部分負(fù)責(zé)在完成閉環(huán)控制后對(duì)三相的全橋單元分別發(fā)出相應(yīng)的PWM控制信號(hào).

圖4 基于線纜參數(shù)在線辨識(shí)的DVR控制方案

在假設(shè)完成第一部分線纜參數(shù)的在線辨識(shí)基礎(chǔ)上，通過(guò)第二部分進(jìn)行線纜壓降計(jì)算.利用DVR裝置輸出側(cè)電壓Uoa、Uob、Uoc的實(shí)時(shí)電壓RMS有效值減去計(jì)算所獲得的線纜壓降幅值的有效值作為電壓有效值反饋量，與目標(biāo)115 V電壓值經(jīng)過(guò)數(shù)字PI單閉環(huán)輸出后，其結(jié)果通過(guò)與使用PLL鎖相環(huán)所得的相位進(jìn)行運(yùn)算后得到三相PWM逆變輸出的理論調(diào)制量，從而對(duì)每個(gè)全橋逆變單元發(fā)出相應(yīng)開(kāi)通與關(guān)斷信號(hào).通過(guò)該動(dòng)態(tài)電壓器裝置的補(bǔ)償控制策略，避開(kāi)了傳統(tǒng)控制方案所需要的直接獲取負(fù)載端口電壓Ula、Ulb、Ulc的需求，避免了信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在的較大延時(shí)問(wèn)題及機(jī)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁環(huán)境干擾的問(wèn)題，且具有更高的控制精度和穩(wěn)定可靠性，滿足機(jī)場(chǎng)的使用環(huán)境.

2.2 線纜參數(shù)在線自動(dòng)辨識(shí)方法

有前文可知，本文所提出的DVR補(bǔ)償控制策略中關(guān)鍵基礎(chǔ)為第一部分的線纜參數(shù)的在線辨識(shí).由供電系統(tǒng)模型的電路方程式(1)可知，無(wú)法通過(guò)三個(gè)獨(dú)立方程求解得到4個(gè)未知的線纜阻抗參數(shù).因此本文通過(guò)提出一種非對(duì)稱的“電壓增量法”來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的線纜參數(shù)在線自動(dòng)辨識(shí).“電壓增量”是指利用DVR在各相上產(chǎn)生的人為設(shè)定的疊加測(cè)試電壓，而“非對(duì)稱”是指增加測(cè)試電壓后系統(tǒng)輸入電壓不再對(duì)稱.通過(guò)增加測(cè)試電壓，可得到新的系統(tǒng)方程組，進(jìn)一步進(jìn)行綜合求解可得出線纜參數(shù).

以下為該線纜參數(shù)在線自動(dòng)辨識(shí)方法的詳細(xì)介紹.首先由DVR的控制中心控制產(chǎn)生固定的單相電壓補(bǔ)償量來(lái)作為疊加的單相測(cè)試電壓.三相中選取任意一相均可，本文以A相疊加測(cè)試電壓來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明.如圖5所示，A相電源UA與測(cè)試電源UA1串聯(lián)作為A相總電源.

圖5 單相疊加測(cè)試電壓

(2)

聯(lián)合式(1)、(2)，定義k為增加測(cè)試電壓前后供電系統(tǒng)中線電流之比，采用消元法求解可得式(3). 進(jìn)一步計(jì)算可得線纜阻抗參數(shù)，如式(4)所示，其中ZA、ZB、ZC、ZN分別為三相線及N線的阻抗.

(3)

(4)

為了提高線纜參數(shù)識(shí)別的準(zhǔn)確度，在單相疊加測(cè)試電壓的基礎(chǔ)上采用雙相疊加測(cè)試電壓的方法再次進(jìn)行阻抗計(jì)算.任取兩相疊加相同的測(cè)試電源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 雙相疊加測(cè)試電壓

(5)

采用消元法聯(lián)立求解得(6)，k′為增加測(cè)試電壓前后供電系統(tǒng)的中線電流之比.進(jìn)一步計(jì)算可得線纜阻抗參數(shù)，如式(7)中所示，其中ZA、ZB、ZC、ZN分別為各相線以及中線阻抗.

(7)

通過(guò)改變DVR裝置產(chǎn)生的測(cè)試電壓的值，分別對(duì)單相疊加測(cè)試電壓和雙相疊加測(cè)試電壓兩種方法進(jìn)行測(cè)試以獲取平均值，綜合求解結(jié)果和平均值確定最終結(jié)果，得到精準(zhǔn)的線纜阻抗參數(shù)，以便完成基于該線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果的DVR控制策略.

2.3 補(bǔ)償控制計(jì)算

通過(guò)前文提出的線纜參數(shù)在線辨識(shí)方法，在工作準(zhǔn)備階段利用負(fù)載器完成在線測(cè)試后，基于DVR輸出側(cè)的電流數(shù)據(jù)在線辨識(shí)各相的線纜阻抗參數(shù).辨識(shí)工作結(jié)束后處理器獲得參數(shù)結(jié)果，可以正式開(kāi)始工作，進(jìn)入第二部分線纜壓降計(jì)算.

負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是使飛機(jī)插頭處即負(fù)載側(cè)三相電壓有效值保持為115 V左右，其波動(dòng)范圍及最大允許的不平衡電壓符合國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求.理想情況下加入補(bǔ)償電壓后的系統(tǒng)電路模型如圖7所示.此時(shí)線纜壓降與DVR補(bǔ)償電壓幅值相同，相位相反，負(fù)載端電壓幅值為115 V，負(fù)載電流平衡，中線無(wú)電流產(chǎn)生.

圖7 補(bǔ)償線纜壓降后的機(jī)場(chǎng)地面電源供電系統(tǒng)

(8)

由前文已知本文選擇的補(bǔ)償方法為同相補(bǔ)償,此時(shí)理論應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾妷悍禐槭?9).各相補(bǔ)償電壓相位同輸出端電壓Uoa、Uob、Uoc，通過(guò)PLL數(shù)字鎖相環(huán)獲取.

(9)

3 仿真驗(yàn)證分析

利用Matlab/Simulink搭建機(jī)場(chǎng)地面電源供電系統(tǒng)仿真模型，以驗(yàn)證本文所提出整體方案的正確性.仿真參數(shù)如下：

(1)三相對(duì)稱電源電壓為115 V/400 Hz，電源容量為150 kVA.

(2)DVR裝置采用三相獨(dú)立式補(bǔ)償，自輸入側(cè)整流取電.補(bǔ)償變壓器原副邊變比135∶30.

(3)線纜辨識(shí)階段由DVR產(chǎn)生疊加測(cè)試所需電源，測(cè)試電壓設(shè)為10 V/400 Hz(處于DVR電壓補(bǔ)償范圍均可).負(fù)載測(cè)試器三相對(duì)稱，阻抗Z=0.27 Ω.傳輸線纜100米，線纜參數(shù)具體設(shè)定值見(jiàn)后文.

(4)航空器負(fù)載設(shè)為三相對(duì)稱負(fù)載，有功功率70 kW，無(wú)功功率50 kvar，功率因數(shù)0.814.

3.1 線纜參數(shù)在線辨識(shí)

首先，對(duì)單相疊加測(cè)試電源的方法進(jìn)行驗(yàn)證.線纜參數(shù)設(shè)定值和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示.由表1可知，線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果與仿真模型設(shè)定值基本一致，線纜阻抗模最大誤差為0.154 1%，最小誤差為0.001 3%.圖8為各相線纜參數(shù)隨時(shí)間變化的辨識(shí)結(jié)果(單相疊加).由圖8可知，辨識(shí)結(jié)果隨時(shí)間趨于穩(wěn)定.

表1 線纜參數(shù)設(shè)定值和辨識(shí)結(jié)果(單相疊加)

圖8 各相線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果(單相疊加)

然后，對(duì)雙相疊加測(cè)試電源的方法進(jìn)行驗(yàn)證.此時(shí)取A、B兩相疊加相同的測(cè)試電源.驗(yàn)證結(jié)果如表2所示.由表2可知，線纜參數(shù)計(jì)算結(jié)果與仿真模型設(shè)定值基本一致，線纜阻抗模最大誤差為0.155 8%，最小誤差為 0.001 3%.圖9為各相線纜參數(shù)隨時(shí)間變化的辨識(shí)結(jié)果(雙相疊加).由圖9可知，辨識(shí)結(jié)果隨時(shí)間趨于穩(wěn)定.

表2 線纜參數(shù)設(shè)定值和計(jì)算結(jié)果(雙相疊加)

圖9 各相線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果(雙相疊加)

最后，將兩次辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行平均，得到的最終辨識(shí)結(jié)果見(jiàn)表3所示.

表3 線纜參數(shù)辨識(shí)結(jié)果(平均值)

3.2 DVR動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償驗(yàn)證

基于線纜參數(shù)的在線辨識(shí)結(jié)果，完成DVR裝置的動(dòng)態(tài)壓降補(bǔ)償驗(yàn)證.改變DVR工作模式，此時(shí)不再產(chǎn)生測(cè)試電壓.連接航空負(fù)載，設(shè)定1s時(shí)斷路器閉合，負(fù)載開(kāi)始工作.

首先對(duì)未啟動(dòng)DVR的情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析.在DVR沒(méi)有工作的情況下，負(fù)載裝置側(cè)(即飛機(jī)插頭端口處)的各相輸出電壓在負(fù)載正式工作前后如圖10(a)所示.可以看出1s前負(fù)載裝置側(cè)三相電壓均為115 V左右，而當(dāng)1s后負(fù)載裝置開(kāi)始工作，此時(shí)電能經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的中頻傳輸線纜后其負(fù)載裝置側(cè)電壓迅速跌落.由于各相阻抗參數(shù)的細(xì)微區(qū)別，此時(shí)各相電壓有效值跌落至105.97 V、105.86 V、105.64 V，如圖10(b)所示，跌落幅值超出國(guó)軍標(biāo)的相關(guān)要求.因此，需要對(duì)負(fù)載端口電壓進(jìn)行壓降補(bǔ)償.

(a)負(fù)載側(cè)端口電壓

(b)各相電壓有效值圖10 DVR未工作時(shí)負(fù)載端口電壓

接著對(duì)啟動(dòng)DVR裝置后的情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析.在DVR工作的情況下，負(fù)載裝置側(cè)(即飛機(jī)插頭端口處)的各相輸出電壓在負(fù)載正式工作前后如圖11所示.可以看出1 s前負(fù)載裝置側(cè)三相電壓均為115 V左右，而當(dāng)1 s后負(fù)載裝置開(kāi)始工作，電壓跌落的同時(shí)DVR開(kāi)始對(duì)各相進(jìn)行獨(dú)立電壓補(bǔ)償.在經(jīng)歷約0.02 s左右的時(shí)間后，DVR開(kāi)始進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償，負(fù)載端口電壓穩(wěn)定維持在115 V左右，達(dá)到國(guó)軍標(biāo)供電標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖11 DVR工作前后負(fù)載端口電壓變化

圖12為補(bǔ)償變壓器的原邊電壓示意圖，具體變比見(jiàn)前文.當(dāng)1 s后負(fù)載開(kāi)始工作，此時(shí)DVR同時(shí)展開(kāi)壓降補(bǔ)償工作.通過(guò)本文提出的基于線纜參數(shù)辨識(shí)的控制策略，逆變裝置在補(bǔ)償變壓器原邊產(chǎn)生所需的電壓.通過(guò)原邊電壓在副邊感壓出的補(bǔ)償電壓，實(shí)現(xiàn)主電路電壓的疊加補(bǔ)償.

(a)補(bǔ)償變壓器原邊電壓

(b)1.5 s左右原邊電壓放大圖圖12 補(bǔ)償變壓器電壓示意圖

負(fù)載端口電壓的補(bǔ)償效果對(duì)比如圖13所示，具體補(bǔ)償過(guò)程壓降變化詳見(jiàn)圖11.在DVR開(kāi)始?jí)航笛a(bǔ)償工作后，約0.5 s后完成補(bǔ)償電壓的輸出調(diào)整工作，負(fù)載側(cè)電壓有效值恢復(fù)至115 V左右.通過(guò)DVR是否工作的電壓輸出有效值對(duì)比可看出本文所提出的整體方案達(dá)到了良好的壓降補(bǔ)償效果.

圖13 DVR補(bǔ)償效果對(duì)比圖(RMS)

4 結(jié)論

本文對(duì)400 Hz飛機(jī)地面供電系統(tǒng)現(xiàn)狀展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)當(dāng)前所提出的DVR控制方案進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)了其存在的信號(hào)干擾與傳輸延遲等問(wèn)題，并因此提出了基于線纜參數(shù)在線辨識(shí)的中頻DVR控制策略解決方案.該控制策略通過(guò)本文提出的一種線纜參數(shù)在線辨識(shí)方法，可利用負(fù)載器在線測(cè)試獲得各相的阻抗參數(shù).基于辨識(shí)結(jié)果，利用DVR輸出側(cè)的實(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算間接獲取各相所需的實(shí)時(shí)電壓補(bǔ)償量，從而控制DVR完成對(duì)各相的動(dòng)態(tài)壓降補(bǔ)償.該方案解決了直接檢測(cè)帶來(lái)的遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)的干擾與延遲問(wèn)題，并具有較高的精度和可靠性，適用于在軍用機(jī)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境下使用.