多电飞机高压直流供电系统稳定性研究综述

第15卷第2期电源学报V:1.15@〇.2 2017 年3 月Journal o L Power Supply Ma r. 2017

D01：10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.002 中图分类号：TM91 文献标志码：A

多电飞机高压直流供电系统稳定性研究综述

李永东，章玄，许烈

(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084)

摘要：高压直流供电系统是未来多电飞机供电系统的重要方案之一，但其中大量电力电子装置的应用使得负载体现很强的负阻抗效应，严重影响了系统的稳定性。此外，直接互联的集成方法也经常导致其稳定性问题面临挑战，传统的李雅普诺夫稳定判据难以分析复杂直流系统。本文总结了5种小信号阻抗分析和4种大信号 分析方法，使得针对复杂直流系统的稳定性分析更简便和有效。相对于无源阻尼法，有源阻尼的稳定性补偿方法不增加元器件，得到了国内外学者的广泛研究。根据补偿信号的构成形式，将有源阻尼法分为线性补偿和非线性补偿两类，并详细综述了两类方法中补偿信号的构成和补偿信号注入的位置，进一步比较了两类方法的优。

关键词：多电飞机；高压直流；稳定性分析；稳定性补偿方法

A Survey on Stability Analysis for HVDC Power System in MEA

LI Yongdong, ZHANG Xuan, XU Lie

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract ：High voltage direct current(HVDC) power system becomes increasingly important in more electric aircraft (MEA). However, with the use of more and more power electronic converters, the load exhibits a negative impedance feature in small signal analysis and the system stability often degrades. Besides, the direct integration of DC system also leads to stability problems. And the traditional Lyapunov stability criterion is difficult to apply to such complex DC systems. This paper presents five methods of small signal stability analysis and four methods of large signal stability which are more easier and efficient. Compared to passive damping, active damping methods do not add other components and gain great attention all over the world. Based on the difference of compensation signals, this paper divides active damping methods into two categories: linear compensation and nonlinear compensation. This paper gives the structure of these com-pensation signals and the injecting location in detail at the end. Comparisons indicate the advantages and disadvantages of each active damping method.

Keywords：more electric aircraft (MEA); high voltage direct current (HVDC); stability analysis; stability compen­sation method

飞机电源系统的主要功能是将飞机发动机产生的机械能转化为不同电压等级和供电形式的电能，供给机载电气设备使用，是保障飞机运行的关键系统之一⑴。传统的飞机二次能源系统由液压、气压、机械和电能4种能源共同构成，每种能源均由产生、传输、分配和利用等环节构成完整复杂、相 互独立的能源系统，导致飞机能源系统内部结构复杂，安装空间紧张，液压能、气压能很容易发生泄

收稿日期：2016-09-02漏，也给系统的检修和维护带来麻烦，从而降低了系统的可靠性[2]。20世纪70年代开始，航空领域出 现了多电飞机MEA*more electric aircraft)和全电飞机AEA(all electric aircraft)的概念，它颠覆了传统飞机的设计思路，让飞机二次能源更多使用电能，降低了系统的复杂度，提高了系统的维护性和可靠性[1]。

飞机性能的，飞机的系统

依赖电气设备，用电形式也不断多样化，为满足飞

第2期李永东，等：多电飞机高压直流供电系统稳定性研究综述3

机不断增长的用电需求，先后出现的机载电源系统有低压直流LVDC(1ow voltage direct current)、恒速十旦频 CSCF(constant speed constant frequency)、变速 十旦频 VSCF(variab1e speed constant frequency)、变频 交流VF (variable frequency)以及 X 压直流HVDC (high voltage direct current)电源系统。

美国通过一项对大型运输机供电系统的研究表明，HVDC供电系统在可靠性、费用、维修性、重 量和供电质量这五方面的综合评分达95.8,远超过恒频系统的65.3和VSCF系统的85.6,尤其是在可靠性和重量方面优势明显[3]。相同容量，HVDC供 电系统汇流条长度和尺寸较小，提高了系统的功率密度。此外，HVDC供电系统中的高压无刷直流发电机与传统飞机发电机的继承性好、温度适应范围宽且可靠性高。目前，270 V HVDC供电系统已成为美国三军军用飞机的强制要求，美国空军F-22 “猛禽”、海军A-12以及陆军LHX或L H以及F- 35“闪电”均采用270 VDC作为主电气供电系统。可以说，HVDC供电系统是未来MEA供电系统的主要架构之一[3(。

HVDC供电系统优势明显，但其在系统稳定性问题上也面临巨大的挑战。M EA中电力电子设备控制的电源和负载体现较强的负阻抗效应，大量的 滤波器级联或并联相互耦合，飞机电气系统的体积和重量要求对直流母线电容的限制，发电机容量和负载容量相当，恶劣的负载运行环境等因素均影响了系统的性。重的，在系统

程中，系统的各个模块是单独设计，最后互联，此 时，通过所有性能指标测试，但

后系统会出现振荡或者失稳，且系统耦合会严重，影响单个模块稳定性的因素耦合到其他模块，造成更复杂的影响。由此，从系统角度分析HVDC供电 系统稳定性，并在此基础上研究提高HVDC供电系 统系统稳定性的方法，对保证整个多电飞机飞行安全具有重要意义。

目前多电飞机供电系统是研究的热点话题，本 文从其架构、稳定性分析方法和稳定性补偿方法三方面进行综述，为未来针对多电飞机HVDC供电系统的稳定性研究奠定理论基础。

1HVDC供电系统的架构

为保证多电飞机的负载需求，HVDC供电系统架构需要满足以下4点要求[4(:①满足多电飞机起动/发电一体化的要求；②保证原有飞机系统传统115 VAC负载和28 VDC负载的要求；③兼容多电飞机引入的大量电作动、电环控和电除冰负载;④具有良好的可扩展性，以便在增加新的负载和电源时，不必改动总体控制策略。

文献[5]提出了一种满足上述要求的多电飞机HVDC供电系统的基本结构，如图1所示。其主要结构及其特点如下：①为保证发电环节与现有系统的继承性，采用三级式同步电机作为系统的起动/发电机，经过AC/DC变换作为HVDC主母线的电源；②主汇流条的电压等级为270 V/±270 VDC，但经过电力电子变换器，同时含有28 VDC和115 VAC汇流条，满足兼容飞机原有负载的要求，因此 该架构是一个以HVDC直流系统为主的交直流混合结构;③通过HVDC母线为HVDC负载、电除冰 和电环控负载供电，通过基本HVDC母线为电作动负载供电，满足MEA对电力电子控制负载的需求，④该结构扩展性良好。

HVDC主母线

AC/DC

^起动/\

成电机/

电环控系纟F1

HVDC负载

基本HVDC

电作动系统I

电池侧母线

HHHHHi

DC/DC

28 VDC

紧急负载

电除冰系统AC/DC

i V D C负载|

28V直流母线

DC/AC

115V A C母线

115VAC 负载 1

图1多电飞机HVDC供电系统架构

Fig.l Layout of the HVDC power system

上述结构的典型拓扑如图2所示，发电侧采用脉宽调制PWM(pulse width modulation)整流器作为AC/DC变换器，电作动负载通常由两电t逆变器 拖动的异步电机构成，电环控负载通常由三电t 逆