基于双发大功率高压直流供电系统仿真验证

杨文俊

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001）

0 引言

直升机供电系统要向用电设备提供电能，必须具有电能产生与变换和电能传输与分配的功能。实现电能产生与变换的环节与设施称为电源系统；而实现电能传输与分配功能的环节与设施则称为输配电系统。直升机上，由于电能传输的路径短，一般将其输配电系统简称为配电系统。

直升机电源系统传统上采用低压直流电源体制。在低压直流电源体制下，主电源主要是有刷直流起动发电机，二次电源为28VDC 转115V/400Hz 的静止变流器，应急电源为蓄电池。有刷直流电机电压一般为28V，最大容量一般为12kW。受电刷制约，其容量和电压等级均难以进一步提高，且可靠工作高度有限，寿命较短，效率低，使用维护不便。中型、大型直升机的电功率较大，一般采用交直流混合电源体制。在交直流混合电源体制下，主电源主要包含有刷直流起动发电机系统和大容量无刷交流发电机系统，起动发电机用于起动发动机和向低压直流负载供电，交流发电机向大功率负载供电，蓄电池向关键负载提供应急电能。交流电源体制下，主电源提供近似于115V/400Hz 的窄变频交流电，二次电源为115V/400Hz 转28VDC 的变压整流器，提供气源的辅助动力装置可装备辅助发电机系统，构成辅助电源，应急电源仍为蓄电池。交流电源体制能够适应直升机对大功率电能的需求，但是仍存在一些缺陷，如对供电频率的要求限制了发电机的转速。随着直升机电功率需求的进一步提高，需要配备容量更大的发电机，而直升机上发电机的安装空间狭小，难以满足这一发展需要。同时机载交流电源无法并联运行，无法实现如同直流电源那样的不间断供电。

270V 高压直流电源是当前机载电源系统的发展方向，高压直流发电机转速不再受发电频率限制，能够以更高的转速运行，实现更高的功率密度，可减小大功率电源系统的体积重量，且采用无刷化设计，工作可靠性高，发电效率高。高压直流电源可并联运行，易于实现不中断供电，满足关键飞行负载对供电可靠性的要求。高压直流电源对非线性负载的适应性更好，同时电缆更轻，有助于降低系统整体的重量。美国RAH-66 科曼奇武装直升机采用270V 高压直流供电系统，主电源为两台30kW 的高压直流发电机，辅助电源为1台30kW 的高压直流发电机，二次电源为变流器和DC/DC变换器，显著地改善了直升机综合作战性能。随着直升机任务需求的多样化，机载任务设备急剧增加，对机载供电系统的容量和功率密度都提出了更高的要求。因此，为了满足新一代直升机机载设备的供电需求，开展高压直流供电系统的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

1 高压直流供电系统构型

为满足余度供电的要求，必须具有余度电源以及正确的控制策略，从而保证供电系统在故障发生时能够自动将故障切除和隔离，并将电能输送到需要供电的负载，而具有容错能量的供电系统构型是实现以上目的的基础。

高压直流供电系统中采用直流发电机作为主电源，易于实现与蓄电池并联供电，消除开关动作引起的延迟，工作可靠，保证供电连续性。同时各汇流条之间由可控接触器相互连接，便于实现故障隔离，能够进行电源切换，对电网的功率流向进行重构，容错能力较高。

（1）一次电源：主电源为两台直流发电机G1 和G2，辅助电源为辅助动力装置APU 发电机，应急电源为28V 蓄电池。

（2）二次电源：直流变换器（DC/DC1、DC/DC2）将270V高压直流电转为28V低压直流电。

（3）供电通道：为了实现余度供电，供电系统中存在两个独立的供电通道。两通道之间通过两个接触器（BTB3、BTB4）相互连接，正常工作状态下两个接触器均断开，从而保证两个主电源独立为两个不并联的通道供电。

2 高压直流供电系统控制策略

为保证高压直流供电系统能够可靠供电，设计高压直流供电系统工作逻辑如下：

（1）直升机在正常工作状态下，由左右发电机提供电能。1 号发电机G1 向270V 左汇流条供电，2 号发电机G2 向270V 右汇流条供电。双发供电时，通过电源控制板给GCU1 和GCU2 发送控制信号，GB1 和GB2 接触器在接收到GCU1 和GCU2 的控制信号后接通，BPCU1 控制接触器BTB1 和BTB2，由G1 和G2 分别向270V 左汇流条和270V 右汇流条供电，再由270V 左汇流条和270V 右汇流条供电向270V 应急汇流条供电。辅助电源APU 和地面电源EXP 不工作，APUB，EXPB 均断开。

（2）单发故障：当直升机上单台发电机发生故障时，供电模式进行自动转换，两台发电机相互备份供电。当1号发电机G1 故障时，接触器GB1 断开，将1 号发电机G1 与电网隔离。GCU2 控制GB2 接通，2 号发电机G2 向270V 右汇流条供电，BPCU1 控 制BTB1 和BTB2，向270V 应 急汇流条和270V 左汇流条供电；当2 号发电机G2 故障时，接触器GB2 断 开，将2 号 发电机G2 与电网隔离。GCU1 控制GB1 接通，1 号发电机G1 向270V左汇流条供电，BPCU1 控制BTB1 和BTB2，向270V 应急汇流条和270V 右汇流条供电。

图2 高压直流供电系统模型图

（3）双发故障：当直升机上两台发电机G1，G2 均发生故障时，接触器GB1，GB2 均断开，将两台故障的发电机从电网中切除隔离。接触器APUB 接通，由APU 发电机向270V 应急汇流条供电，由BPCU1 控制BTB1 和BTB2 向270V 左汇流条和270V 右汇流条供电。由于APU 的额定功率一般小于主发的额定功率和，此时应当合理切除部分负载。

（4）地面电源供电：主发均不运作，地面通电时，通过电源控制板给外电源监控器（EPU）发送控制信号，一次配电中心中的EXPB 接触器在接收到EPU 的控制信号后接通，由EXP 向270V 应急汇流条供电。由BPCU1 控制BTB1 和BTB2 向270V 左汇流条和270V 右汇流条供电。

3 系统仿真与分析验证

■3.1 系统建模

根据图1 的高压直流供电系统构型，在MATLAB/SIMULINK 平台上搭建高压直流供电系统仿真模型。

图1 高压直流供电系统构型

■3.2 供电系统处于正常状态

根据以上建立的仿真模型，对高压直流供电系统进行仿真测试。270V 汇流条、28V 汇流条电压波形如图3 所示。0 至0.1s，270V 汇流条电压几乎为零，0.1s 后开始上升，在0.12s 时电压达到最大值380V，0.32s 后电压稳定达到额定值270V。0 至0.15s，28V 汇流条电压几乎为零，0.15s后开始上升至28V，并保持稳定。

图3 270V 汇流条、28V 汇流条电压波形

■3.3 供电系统处于故障状态

设定如下故障情况：0 至0.5s，发电机G1、G2 正常工作；0.5 至0.8s 时，G1 故障，G2 正常工作；0.8s 之后G1 和G2 均故障。如图4 所示，约0.3s 以后270V 左、右汇流条电压均达到额定电压270V，0.5s 时G1 故障，无法为左侧供电通道中的负载供电，由于负载功率较大，无法维持电压在正常范围内，270V 左汇流条迅速失电。经50ms 延时后BTB1 闭合，由APUG 为左侧通道负载供电。但由于APUG此时为加载状态，故270V 左汇流条上的电压出现较大波动，经过调节后迅速稳定。0.8s 时G2 故障，270V 右汇流条迅速失电，此时双发故障，供电系统进入应急状态。经50ms延时后BTB3 闭合，APUG 为左右两侧通道负载供电。此时270V 右汇流条上的电压出现较大波动，经过调节后迅速稳定。由于APUG 的输出功率有限，必须切除左侧供电通道的一部分负载，导致270V 左汇流条电压也出现波动。

图4 发电机故障下的270V 左、右汇流条电压波形

4 小结

本文提出了一种高压直流供电系统的构型，并设计其控制策略，在MATLAB 环境下进行部件建模并搭建系统，对故障下供电系统的重构过程进行仿真，供电系统能够按照预设指令进行故障处理，满足预设要求。