电推进飞机定子双绕组感应发电机并联系统

2022-09-07苏宁黄文新

航空学报 2022年8期

苏宁，黄文新

南京航空航天大学自动化学院，南京 211106

航空运输的飞行动力来自于航空发动机转化的燃油能量，其工作方式是将燃烧获得的高温高压气体大部分向后喷出以获得推力。目前，这种方式的效能较低，因此需要发展更高效、节能、环保的分布式电推进系统。分布式电推进的概念是用多个分布式小功率电机推进系统替代传统燃气涡轮发动机集中式大功率推进系统，使用电动机驱动涵道式风扇、螺旋桨或者其他装置直接将电能转化为机械能。

按照系统一次能源类型分类，分布式电推进系统可以分为纯电动电推进系统与油电混合推进系统。纯电动电推进系统不需要发动机与燃油，以电池作为系统一次能源，主要由供电系统与电推进系统组成。油电混合推进系统是指由发动机与电动机共同作用的推进系统，根据发动机是否直接提供动力可分为并联式与串联式。受目前电池技术的制约，由于能量密度大大低于燃油，纯电动飞机的载重、飞行速度、续航里程、飞行时间等性能都被极大地限制，因此涡轮发电分布式电推进系统(Turboelectric Distributed Propulsion, TeDP)，是未来一段时期航空电气化发展的必然技术途径。相关研究表明，油电混合动力分布式推进方式可以大大提升系统涵道比，从而进一步提升燃油转化效率，节省燃油消耗达70%，被验证为飞机电气化的必然技术途径，尤其适用于亚声速飞机，即绝大多数客机及运输机。

根据各研究机构的技术研究与实践，分布式电推进系统可候选的电力系统架构有以下3种：直流输电型DC架构、交流输电型AC-DC架构和全交流型AC-AC架构。文献[8]表明，目前电推进飞机电力系统架构设计中沿用了航空变频交流(Variable Frequency AC, VFAC)发电系统广泛使用的变速变频同步发电机。通常大飞机推进功率达数MW至数十MW之大，单个推进电机也将达MW级功率等级，因此在这3类架构的发电侧一般采用一台航空发动机同时驱动2台(或多台)发电机的结构。航空变频交流发电系统的研究和实践已经表明，由于没有安装恒速驱动装置，所有的变速变频同步发电机均工作于非并联模式，在常规状态下向各自的负载独立提供变频交流电源。作为典型变频交流体制的多电飞机，现役民航客机波音787的发电系统即采用这种布置方式。

然而回顾航空供电系统的发展，并联发电架构却是恒频交流发电系统中一个常见的选择。飞机电源系统采用并联形式的主要优点有：① 总电气负载在并联供电的各台发电机之间自动均匀分配；② 多发电机系统中单台发电机发生故障不会导致整个发电系统停止工作。每台发电机都具备足够的过载能力，从而保障了系统安全性；③ 高电力集成度的并联发电系统在给定的干扰特性下，可以满足更大的尖峰负载和起动电流要求；设计时能更有效地利用发电机的安装容量，从而使所需发电机的数量更少、每台额定功率值更小;④ 降低配电系统的设计复杂度。当飞机需要增加或减少一些负载时，不必对已有负载分配方案作较大改动。当单台发电机故障时，在正常运行的发电机之间，系统仍能实现负载自动均匀分配;⑤ 由于并联电网总容量较大，机载用电设备通断产生的干扰作用相对减弱，电压和频率的波动较小，因此电能质量较高。另外，发电机组并联工作，有效消除了会影响一些重要机载设备正常运行的拍频效应;⑥ 并联系统可以使过流保护装置的动作更迅速。

普遍的观点认为，由于弃用恒速驱动装置，因此变速变频同步发电机并联发电是不可行的。其理由是：缺少恒速驱动装置会导致频率偏差，这会在并联控制中带来频率相位同步调节的困难，导致并联失败。与连接大量同步发电机(Synchronous Generator, SG)的地面大电网不同，在航空交流供电系统中，没有主导频率进行牵引同步，贸然并联不仅会导致发电功率分配失衡，甚至使整个发电系统振荡失稳。然而，上述推断隐含了一个基本假设-在主流飞机供电系统中广泛使用的同步发电机。换句话说，同步发电机的同步特性正是无恒速驱动装置的航空交流供电系统并联困难的根本原因。

本文将提出基于定子双绕组感应发电机(Dual-stator Winding Induction Generator, DWIG)的电推进飞机航空交流并联发电系统。在航空应用中，DWIG是一种可选的变速变频主发电机,它具有感应发电机笼型转子的无刷特性，易维护性和良好的过载性能等优点。文献[16-17]将其他类型发电机与DWIG进行对比发现：相比于永磁发电机，DWIG易于灭磁且不会有永磁体失磁风险；相比于航空主流采用的三级式同步发电机，DWIG转子简单可靠，励磁单元结构简单，起动方案简单；相比于同样应用在航空的开关磁阻电机，DWIG在风磨损耗和铁心损耗上有优势，同时作为一种感应发电机，DWIG的转矩脉动、噪声和振动也较小。

DWIG有2组定子绕组，分别称为控制绕组和功率绕组。控制绕组连接到调节励磁的静态励磁变换器(Static， Excitaion Converter，SEC)；功率绕组输出交流供电。2组定子绕组仅具有磁场耦合，在发电机内部没有物理连接，从而实现励磁控制和输出供电的解耦。近年来，已有针对单台DWIG变频交流发电系统的参数设计优化、多种控制策略、及稳态性能和动态性能等一系列研究。这些研究表明，DWIG变频交流发电系统具有优良的动静态性能品质。

在此基础上，本文提出的基于DWIG的航空交流供电系统并联运行技术将进一步提高电推进飞机供电系统的电力集成度，同时获得并联供电系统的以上诸多优点。本文的主要贡献在于，使用DWIG实现了无恒速驱动装置下该变速变频发电机的交流并联运行；同时仅依靠DWIG的异步发电特性，以及控制绕组侧设计的交-直-交(AC-DC-AC)功率拓扑结构与相应的控制策略完成机组并联控制。本文首先详细论证了无恒速驱动装置的航空变速变频同步发电机并联发电的不可行性和DWIG机组并联发电的可行性及功率自平衡特性机理；阐述了DWIG并联发电系统的结构和原理；然后提出一种基于功率流调节的频率相位同步调整策略作为机组协调并联控制方案，可以使机组从建压后的独立发电状态平稳切换至并联发电状态，而无需发动机控制的参与。最后使用硬件在环实验平台验证了DWIG并联发电系统的可行性，展示了该并联系统良好的动静态并联运行性能。

1 变速变频发电机并联运行机理

交流发电机并联运行有以下几个先决条件：波形、相序、电压幅值、电压频率和相位。通常可以通过部署相同类型的发电机和接线配置来统一波形和相序的条件，发电机的输出电压幅值则可以通过各自的励磁调节器来调节。因此，波形、相序和输出电压幅值是较为容易满足的条件。实现并联的关键在于电压频率和相位这两个更不易满足的条件，因为它们的状态由原动机(发动系统)和发电机(电气系统)以及两者的控制器共同决定。下面以配有无恒速驱动装置的变速变频同步发电机的波音787为例说明这个问题。图1展示了其主电源系统的一部分。波音787有2台主发动机，每台主发动机驱动2台三级式同步发电机，共享相同发动机和变速箱的双发电机无疑具有相同的转子频率。然而，对于波音787上使用的2台由同一发动机驱动的三级式同步发电机组，转子的相对位置由变速箱固定，在飞机的组装阶段中准确地调整相位差在工程上也是不切实际的。由此可见，即使没有频率偏差，相位的难以调整直接导致了变速变频同步发电机交流并联的不可行。因此，在实际运行中，波音787共发动机的双发电机独立交流供电，如图1(b)所示。然而感应发电机则没有如上所述的限制，其电压相位不依赖于转子位置，所以定子双绕组感应发电机组比三级式同步发电机组更容易满足相位条件进行并联。

图1 波音787的主电源系统部分结构示意图Fig.1 Diagram of part of Boeing 787’s main power system

就并联所需的频率同步条件而言，在飞行控制中，各发动机的转速指令需要保持一致，以维持两翼平衡的推进力。在电推进系统中，出于对称的考虑，转速指令依然需要保持一致。另外，电推进系统的发动机不直接产生推进力而主要用来驱动发电机转子，更加不需要差速工况，因此交流并联发电的频率条件的关键在于小转子频率偏差下系统是否存在稳定的发电运行状态。

在稳态空载频率存在较小偏差的情况下，并联运行的变速变频发电机的调速特性有2种情况，如图2所示。图2(a)具有下垂特征，显示了发动机转速控制中非零稳态误差的调速特性，这意味着稳态电频率会随着有功功率的增加而下降，而图2(b)无下垂，表示频率严格保持稳定。对于具有较小斜率的较硬调速特性(I)的并联发电机组，总有功功率的分配分别为和。对于具有较大斜率的较软调速特性(II)的并联发电机组，同样的有功功率的分配分别为和。从图中可以明显看出，调速特性越软意味着功率分配的平衡度越高。图2(b)可被视为无限刚性的调速特性，在这种极端情况下，对于同步发电机而言，没有附加措施的情况下将没有任何有效功率分配，系统实际处于失步状态，并联发电失败。

图2 发动机速度控制中非零以及零稳态误差的调速器特性Fig.2 Governor characteristic of non-zero and zero steady-state errors in engines’ speed control

在现代的全权限数字电子控制(Full Authority Digital Electronic Control, FADEC)系统中，高控制精度意味着发动机调速器具有非常硬的特性，因此图2(b)更接近于当前变速变频同步发电机的调速情况：转子频率间的微小差异直接导致并联后功率分配的极大不平衡乃至系统失控。正是同步发电机的同步特性使得并联频率条件也难以满足，因为同步发电机的发电频率与转子频率保持一致，没有恒速驱动装置的电频率调节只能通过FADEC系统校正，这带来发动与发电控制系统间的额外复杂耦合。这个问题也可以被感应发电系统解决。DWIG作为一种感应发电机，具有滑差特性，这意味着发电功率越高则交流电频率越低。这种滑差特性与图2(a)展示的软调速特性等效。因此无需借助发动机控制系统的参与，DWIG并联发电更容易有效运行并获得输出功率自平衡。

由上述讨论可知，无恒速驱动装置的变速变频同步发电机的应用使得交流并联供电系统的相位和频率条件难以满足，而这些限制却对感应发电机无效。DWIG作为一种变速变频感应发电机，拥有更好的并联运行可行性。剩下的一个重要问题是发电机的并车，即如何控制发电机组投入并联运行模式。为避免FADEC参与并车过程并减少控制耦合，发电机的电控系统必须提供频率相位调节功能。没有恒速驱动装置的发电机控制系统一般也没有频率相位的电控调节能力，只能依靠调整发动机转速进行调节。DWIG发电系统将通过其特殊的双绕组结构，利用控制绕组侧AC-DC-AC拓扑交换功率流，提供了无需借助发动机调速器的频率相位调整功能，从而满足机组并车条件。下面将借助具体的电力系统架构进行展开说明。

2 定子双绕组感应发电机并联发电系统

图3以电推进飞机AC-DC供电架构为样例，展示了基于同步发电机的非并联交流输电架构和基于定子双绕组感应发电机的并联交流输电架构的示意图。其中，“AC-DC供电”指推进系统中的电动机依靠整流器和逆变器进行驱动。基于同步发电机的非并联交流输电型AC-DC架构中，虽然不同的交流母线可以依靠配电设备桥接，但这种连接仅发生在某些紧急工况下。对于基于定子双绕组感应发电机的并联交流输电型AC-DC架构，按照第1节的分析，在常规运行时，共发动机的发电机组具有相同的转子速度，这意味着它们在正常情况下始终可以保持功率绕组交流并联运行；同时，不共发动机的发电机组间的转子转速也基本相同，常规状态下也可以相互并联运行。

比较图3的2个输电架构，并联型的电力集成度较非并联型高。在基于同步发电机的非并联交流输电型AC-DC架构中，推进电动机的负载容量较大，因此需要平均分配给独立运行的发电机组。然而除推进电机外，系统中还有大量其他机载用电设备。对于非并联型架构，只能进行额外的配电系统设计以尽量保证对称的交流功率输出。

以图3为例，考虑2台容量差别较大的机载用电设备接入系统。在非并联型架构中，机载用电设备连接不同的交流母线，一方面会造成发电机组输出功率的不对称；另一方面，大容量机载设备的接入使得对应发电机容量裕度的下降，带来潜在的过载、干扰等一系列问题。而对于基于DWIG的并联型输电架构，机载用电设备被统一接入高电力集成度的并联交流母线上，上述的问题将不复存在。

图3 并联交流输电架构Fig.3 Parallel AC transmission architecture

在本文的并联发电系统中，所有DWIG控制绕组侧变换器的直流端都连接到同一条直流母线，这一布局对调频调相的频率相位同步控制至关重要。为了阐明该技术而又不失一般性，图4给出了更具体的DWIG双机组并联运行模型。在图4中，2个独立的DWIG发电系统具有相同的结构，这在文献[14]中被证明是一种具有良好动静态性能的独立发电系统。在图4中，控制绕组DC总线侧被设计为AC-DC-AC拓扑，而电池和二极管则在电压建立过程中作为初始激励单元。原动机从FADEC模拟系统获取转速给定。如果将转速给定设定为严格相同，这个模型即代表共发动机的发电机组；如果将转速给定设定为图2所示的调速特性，这个模型即可以用来研究不同发动机驱动的发电机组并联运行。

图4 定子双绕组发电机并联运行的一般模型Fig.4 General model of two-DWIG’s parallel generation

3 机组协调并联控制

定子双绕组感应发电机组在开始工作时，需要通过控制各自的控制绕组功率变换器进行空载建压运行。由于目前的建压控制策略都是针对单台独立运行的发电机，因此建压后的发电机组一开始均处于非并联运行状态。对于共发动机的发电机组，由于参数或控制偏差等因素，建压完成后的功率绕组输出电压可能存在微小的频率偏差和缓慢交变的相位偏差；对于不共发动机的发电机组，可能存在更大的电频率偏差和快变的相位偏差。输出电压幅值的调整可以依靠各台发电机的独立控制；而由于没有恒速驱动装置，相位和频率的调节则必须依赖DWIG机组之间的协调控制。

为了使DWIG的功率绕组侧安全稳定地进入交流并联发电状态，这里提出一种基于功率流调节的机组协调并联控制方案。依靠恒速驱动装置并联的航空交流发电机组，在并联操作时依靠该装置的独立控制器调节发电机转子的转速，并通过控制转子转速连带调节发电频率和相位，从而满足条件进行发电机组并车。本文提出的基于功率流调节的协调并联控制方案，不依赖恒速驱动装置，而依靠DWIG机组控制绕组侧建立的AC-DC-AC通道在机组间协调电功率传递，并利用异步发电特性调节机组的输出电压相量并使之同步，从而避免使用额外设备进行复杂的机械或液压并联控制。

根据双绕组感应发电机机电能量转换原理，其电机总电磁功率大约与转差频率成正比，即

(1)

式中：为感应发电机的电磁功率；为转差率；为转子频率；为电频率。

式(1)依照了电动机惯例，电磁功率和转差率在发电状态下为负，在电动状态下为正。通过图4中的控制绕组侧AC-DC-AC拓扑将一部分电功率从具有较高电频率的DWIG引向具有较低电频率的DWIG，会导致较高的电频率降低而较低的电频率升高。图5推演了这个使电频率相向而行的调节机制。与此同理，如果传递功率方向反向，那么2台发电机的电频率将相背而行。根据这个原理设计基于功率流控制的反馈调节器，就可以调节待并联DWIG的功率绕组侧的输出电压的频率以及相位，以满足并联运行条件。

图5 功率流控制并车调节机制Fig.5 Mechanic of parallel operation through power flow control

图6展示了机组独立起动建压和投入并联运行的总体控制框图。在机组独立起动建压时，独立机组(DWIG 1和DWIG 2)通过相同的磁场定向矢量控制策略分别独立建压。这里的矢量控制器由功率绕组电压环、直流母线电压环、磁链环、电流内环、调制等模块组成。矢量控制器中的功率绕组交流电压幅值外环首先使并联的幅值条件被满足。进入协调并联控制时，独立机组(DWIG 1和DWIG 2)被分为被动并联DWIG和主动并联DWIG，被动并联DWIG的控制框图没有发生改变，而主动并联DWIG的直流母线电压环此时被主动切换为一个功率流控制模块。

图6 机组独立建压和投入并联控制总体框图Fig.6 Overall diagram of DWIGs’ standalone voltage buildup control and coordinated parallelizing control

图7进一步给出了具体的模块实现框图。功率绕组电压环，直流母线电压环，磁链环，电流内环这些模块的实现可以从被动并联DWIG控制策略框图下得到，同时这些也是独立起动建压过程和主动并联DWIG控制中各同名模块的实现。

图7 模块实现框图Fig.7 Diagram of modules’ implementation

统一DWIG机组电频率后的一个附带效果即是固定了机组的输出电压相位差。然后，旨在消除并车机组输出电压相位差的第二步调节开始启动，此时S2闭合，S1保持闭合。与频率差调节的单方向性不同，减小相位差异的方法既可以加速滞后相的交流电压也可以减速超前相的交流电压。换言之，直接对相位代数差进行PI调节可能会发生逆向调节。为了防止逆向调节，需要对相位差进行重新定向。图7中的重定向模块可以表示为

(2)

式中：Δ为相位输入；Δ为相位输出。

经过式(2)的处理，相位调节的双方向性被转化为单方向性。在这2个步骤的共同作用下，最终调节器会消除待并联机组的频率和相位差，这意味着所有并联条件都被满足，可以安全并车。图8展示了协调并联的调频调相的控制流程图，总结了上文对控制结构的阐述。

图8 协调并联控制流程图Fig.8 Flow chart of coordinated parallel control

协调并联操作之后，按照分析，DWIG交流并联发电同时会拥有良好的功率自平衡效果。正是定子双绕组感应发电机的异步运行特性和双绕组结构带来了这种独特且简单可靠的并联方式。下一节将通过硬件在环实验来验证本文所提出的并联控制方案以及并联运行效果。

4 硬件在环实验验证

实验验证是在基于PleximRT-Box的硬件在环(Hardware in Loop, HIL)实验平台上执行的。RT-Box用来模拟本文提出的并联发电系统的功率模块，而基于数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)TMS320F28335的硬件控制器执行本文提出的机组协调并联控制策略。图9是HIL实验平台的照片。这里部署了2个串行连接的PleximRT-Box，以实时模拟图4的并联运行模型。基于DSP的控制器通过数字和模拟I/O接口连接到RT-Box，运行图5～图8所示的协调控制方案。RT-Box输出表示功率信号的模拟信号，该信号由示波器探测显示。

表1中列出了用于在环实验验证的250 kVA定子双绕组感应发电机的单机参数，这个参数表是仿照与波音787主发电机相同的额定功率而设计的。

通过PleximRT-Box生成的模拟输出(代表实际物理信号)演示了硬件在环实验结果。图10展示了协调控制并车过程，该过程首先统一了机组功率绕组电压的电频率然后消除其相位差。在图10中，3张波形图的放大部分按时间顺序显示了同一过程(见波形图上方)的放大细节。当相位差变为恒定时，代表电频率已经同步，而当相位差变为零时，代表消除了电压相位差。在整个过程中，控制绕组侧的直流母线电压保持稳定。DWIG的转子频率的相对误差设置为0.4%。这个过程显示，无需发动机调速器的干预，仅依靠DWIG机组的功率变换器控制就可以实现并联控制。

图9 硬件在环实验平台Fig.9 HIL experimental platform

表1 定子双绕组感应发电机参数Table 1 Parameters of DWIG

图10 协调并联控制中统一电频率并消除功率绕组电压相位差的连续过程Fig.10 Continuous process of unifying electric frequencies and eliminating phase difference of power winding voltage in coordinated parallel control

图11给出了并联发电时额定功率的加载过程。图11(a)和图11(b)中的图是同一图，示波器不同的光标指示了幅值。此时转子频率的相对误差仍为0.4%。如负载电流所示，该频率误差对稳定运行没有不良影响，但是对于同步发电机，这种条件下的稳定运行是不可能实现的。空载条件下有较小的有功功率环流，这是因为并联系统中统一的电频率使较高转速的DWIG在发电机模式下运行，而较低转速的DWIG在电动机模式下运行。在以额定功率(即两台DWIG的总额定功率)加载后，2台DWIG均进入发电机模式。光标显示代表电磁转矩的模拟电压信号为-6.6 V和-7.4 V，这意味着2台DWIG之间的有功功率分配比率为47%∶53%，这是一个相当自平衡的结果。与之可以对比的是，当存在恒定的转子频率差时，同步发电机的并联发电必定会失败并且根本没有功率分配。因此，所提出的基于DWIG的并联运行发电系统在电推进应用场合是可行的。在转子转速越接近的情况下，所有的发电机都能并联运行且获得良好的功率自平衡效果。对于共发动机的同型号DWIG机组，并联时的有功功率分配自然接近50%∶50%，而同步发电机受限于无恒速驱动装置依然无法并联。