如何研制大容量航空地面静止变频电源

采用新型电力电子技术的航空地面静止变频电源(以下简称静变电源)，与传统的航空电源车相比，具有同样的性能、更小的体积、更低的噪音水平和完全无排放的特点，可有效减少地面综合保障空间和环境污染问题，极大地提高了航空地面电源保障的质量，进入航空领域保障飞机供电和起动已成为必然的发展趋势。

近年来，国内的一些企业相继开发出静变电源产品，但随着新型飞机和机载电子任务系统越来越多地投入使用，这些产品在试用和使用中不同程度地暴露出一些问题。例如对大容量电子任务系统负载的适应性问题，可靠性、维修性问题，技术先进性和自主知识产权问题等。目前尚无一种同类产品按照军工产品科研程序定型列装的，无法适应新型飞机对地面保障质量的要求，这使静变电源在国防建设中的推广应用受到制约。

根据部队使用需要和产品现存问题，我们按照军工产品科研程序进行系列静变电源产品的研制，容量范围60～180kVA。通过研制，重点解决总体方案、高性能控制器和大容量功率变换实现等问题，形成自主知识产权，严格按照军工产品要求定型，使静变电源成为符合部队使用要求的好装备。

1技术方案的确定

电源总体方案根据国内外静变电源的技术发展水平，采用成熟可靠、适应性强、技术先进、立足国内的原则确定。电源总体方案示意图如图1所示，总体方案简述如下。

主电路采用交一直一交结构，包括整流器，直流滤波器、逆变器、变压器及交流滤波等组成部分。交一直部分将50Hz交流市电经桥式整流、平波电抗器、电解电容滤波后变为平稳直流。桥式整流电路为半控结构，启动过程中，调节晶闸管的触发角，可以控制直流电压由低到高逐渐变化，减少冲击电流，实现软启动。120kVA以上电源整流电路分为独立的两组，通过增配移相变压器，即可实现12脉波整流。

直一交逆变部分采用单相全桥结构，是本电源的核心。逆变器选用IGBT作为开关器件。利用IGBT开关频率较高的优点，采用正弦脉宽调制方式(sPWM)对逆变器进行控制，将平稳直流变换为脉宽调制输出的交流，输出SPWM波幅值恒定，宽度按正弦规律变化，该交流基波频率为所需要的电源输出频率。逆变器输出的脉宽凋制波经LC滤波电路滤波后，得到纯正的正弦波交流电。

SPWM波控制采用二重化方式，即同一桥臂上下两只IGBT器件为互补通断，对角器件不同时通断，产生两路控制信号的调制波相位相同，但载波相位相差180°，因此，在相同开关频率下，等效调制比增加一倍，可有效改善输出波形。

为提高对不平衡负载的适应能力，电源主电路按照3套独立的单相电源进行设计，直一交逆变部分具有3套完全相同的单相逆变器，它们共用一条直流母线，输出互差120°，在变压器副边接成星形，输出所要求的三相交流电

与主电路相适应，本项目电源控制器针对单相电源设计，电压波形控制采用带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制方案，电压有效值控制采用PI调节器方案，控制系统具有3套独立的调节器分别控制三相电压，从而提高带不平衡负载的能力。为提高电源输出控制的快速性、抗干扰能力和可靠性，波形控制采用模拟电路实现，有效值控制和电源监控采用智能数字电路实现。数字电路以16位单片机为核心组成，通过模拟量和开关量接口电路对电源的运行参数、工作状态、故障状态和单元模块的状态进行智能监测，监测信息和监控参数通过LCD中文显示屏显示和输入。同时，还设有通用的计算机通讯接口，以便通过计算机对电源进行远程监控。

2高性能控制器设计

飞机供电电源远比普通电源要求高，按照国家军用标准要求，除常规参数外，还要对波形质量、电压调制、动态特性等进行严格考核。新型机载电子任务系统功率大、负载特性通常为非线形的使用特点，更增加了保证良好供电指标的难度。上述问题的解决完全取决于电源控制器的性能。

逆变电源波形的控制方法有多种，比如谐波补偿控制、无差拍控制、重复控制、瞬时值反馈控制等。和其他控制方法相比，瞬时值反馈控制具有控制思想简单明了，控制结构简单，容易实现，鲁棒性强，控制效果好等独特的优点，是近年来逆变电源控制方法研究的热点。现有的瞬时值反馈控制方法有3种，即单一的电压瞬时值控制、带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制、带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制。单一的电压瞬时值反馈控制虽然结构简单，但空载时系统的稳定性差。带滤波电感电流内环的电压瞬时值反馈控制方法由于存在滤波电感电流内环，使系统具有自动截流保护功能，但负载变化时系统的动态响应特性较差。带滤波电容电流内环的电压瞬时值反馈控制方法使系统的动态响应特性大大提高，但系统没有自动截流保护的功能

本项目在设计逆变电源的控制器时，采用一种带有输出电压有效值控制及负载电流前馈控制的双环反馈控制方案，对输出电压的幅值、频率、波形进行精确控制。控制器结构如图2所示。

电压有效值环是外环，它检测输出电压有效值，通过PI调节器，对输出电压的有效值进行控制，使输出电压与设定电压一致。

波形环位于电压有效值环之内，用来对输出电压的波形进行实时控制，确保输出电压跟踪正弦波参考电压。波形环采用带负载电流前馈控制的电流控制环。它同时检测滤波电感电流和负载电流，控制滤波电感电流实时地跟踪电感电流指令，使电感电流被限制在限幅值所对应的电流之内，因此，滤波电感电流内环使系统具有自动的截流保护功能，提高电源抵抗冲击负载的能力。同时，负载电流前馈的引入，可使系统对负载的变化有及时的调节能力，使系统的动态响应特性大大提高

对于有输出变压器的系统，电流控制内环将变为变压器原边电流控制环，此时电流反馈量将是变压器的原边电流，快速的电流内环使变压器的原边电流受到实时控制，有利于防止变压器的偏磁饱和。电感电流内环的采用还使单元间并联时的均流控制容易实现。