模块化航空静止变流器

成果名称

模块化航空静止变流器

成果联系人

陈轶涵

职称

讲师

所在单位

自动化学院、人工智能学院

联系电话

Email

cyh@njupt.edu.cn

技术成熟度

工程样机

技术分类

其他

核心专利号

ZL201711246118.2

所属学科方向

一级学科

电气工程

二级学科

电力电子与电力传动

应用行业

电力电子、新能源发电等

项目概况：

中频航空静止变流器(ASI)是利用电力电子技术，将飞机上的直流电或变频交流电变换为单相或三相中频交流电（通常为400Hz）的二次电源装置。随着多电、全电飞机的应用，对ASI的扩容提出了迫切的需求，而基于模块化的串并联扩容方式是当前在ASI场合具备较高应用前景的方案。本项目考虑模块化扩容中主电路与控制电路的非理想因素的影响，计算输入、输出侧与共模、差模信号的谐波成分，研究模块化串、并联拓扑输入、输出滤波器与EMI滤波器的设计方法；基于功率密度、拓扑结构、整机损耗三个方面完成对模块化串联与并联拓扑的比较，总结一套针对不同规格机载逆变器的扩容拓扑选型依据；基于非数字化控制方式，研究中频三相四桥臂模块共输入、输出交错并联拓扑的均流控制策略，在此基础上研究控制策略优化方式，保证各个并联桥臂稳态、动态性能与冗余工作，并使3P4L模块交错并联拓扑的直流电压利用率达到与采用空间矢量均流控制方式相同的水平。

该项目不仅有利于提升我国新一代军、民用中频航空机载逆变器的功率等级、功率密度，还能够通过模块化的设计方法，加速我国大功率航空静止变流器的研发进度，帮助实现我国机载电源系统的模块化、系列化。研究过程中得到的技术成果在非航空领域的逆变器扩容场合也有一定的参考价值。

关键技术：

本项目对中频航空静止变流器(ASI)中逆变环节的输出串并联组合扩容技术开展研究。研究成果对降低ASI(特别是三相ASI系统)的体积重量、提高其逆变级的功率等级具有积极的意义。本项目所有研究结果均经过仿真验证，大部分结论经过了实验验证。主要研究内容与结论总结如下：

1.          从单相逆变器输入输出谐波成分、功率管电压电流应力等多个角度比较了基于载波移相的输出串、并联逆变器扩容拓扑各自的优劣和应用场合，并将研究结果拓展到三相逆变器的扩容中。该部分研究为选择中大功率航空静止变流器系统中逆变级的扩容方式提供了理论依据，主要结论有：

（1）N个单相单极性倍频调制H桥单元载波移相输出串联时，逆变器等效开关频率提高为功率管开关频率的2N倍，输出输入谐波含量中最低次谐波频率为2N倍开关频率及其基波边带；（2）N个半桥逆变单元采用载波移相方式实现交错并联时，最佳交错角度为2π/N，此时逆变器等效开关频率为开关管开关频率的N倍，输入输出谐波最低频率为N倍开关频率及其基波边带，并联前后电感电流脉动频率及脉动量不变；（3）N个倍频调制H桥逆变单元交错并联时，最优交错角度为π/N，其等效开关频率为开关管开关频率的2N倍，输入输出最低次谐波频率为2N倍开关频率及其基波边带，而交错并联后电感电流脉动最低次频率减小为1倍开关频率，脉动量增大；（4）级联方式由于各单元采用同一调制波，调制波中的直流分量不会影响输入输出谐波成分，而N个单元交错并联方式由于每个桥臂采用各自的调制波，因此调制信号中直流分量会在输出信号中引入除N次载波谐波成分以外其他谐波成分，在一定程度上影响了输出波形质量，因此需要对并联拓扑控制环路中的直流成分加以抑制；（5）在保证输出总谐波含量要求不变的前提下，基于载波移相的H桥级联拓扑在单相输出场合具有一定优势。对于三相ASI系统，共输入、输出交错并联三相四桥臂拓扑具有一定的优势。

2.          研究了单台三相四桥臂逆变器控制策略。通过建立桥臂大信号模型，分析了三相四桥臂拓扑在三相负载平衡与不平衡状态稳定工作的关系和三相解耦控制特性，选择了适宜ASI系统模拟控制电路实现的三相SPWM解耦控制策略。在此基础上分析了第四桥臂开环和闭环控制对直流电压利用率的影响。为了进一步提高直流电压利用率，采用了三相四桥臂的三次谐波注入控制策略，并提出了一种简单实用且能够模拟电路实现的三次谐波生成电路。为了提高电压电流双环控制的外特性，采用了外环输出串联谐振控制器的方法，并研究了谐振控制器的设计规则。主要结论有：

（1）三相四桥臂逆变器可以实现三相解耦控制，第四桥臂可以开环也可以闭环控制；基于零序电流跟踪的第四桥臂闭环方式在不平衡负载下可以消除中线电感压降引起的直流电压利用率降低问题，性能优于开环控制方式。（2）在三相四桥臂逆变器中，基于三次谐波注入的SAPWM调制方式可以提高直流电压利用率15%；本项目提出的三次谐波生成电路由六个二极管构成，简单易实现，完全满足所需的三次谐波要求，而且该生成方式在不平衡负载状态下能够在所生成的三次谐波信号中叠加能够补偿中线电感压降的调制成分，该成分能够进一步提高不平衡负载下的直流电压利用率；三次谐波注入后第四桥臂闭环控制方式可以进一步减小不平衡负载工作时中线电感压降带来的影响，比开环控制方式具有更高的直流电压利用率。（3）通过对电压外环输出侧串联谐振控制器的方式来提高基波频率400Hz频率点的增益，可以有效提高逆变器的外特性；为避免谐振控制器引起相位裕度升高而出现自激振荡现象，谐振控制器设计时不仅要保证谐振控制器在中心频率处的增益以保证逆变器具有较好的外特性，还需要提高该谐振控制器品质因数以避免轻载下输出电压的自激振荡。

3.          研究了三相四桥臂共直流母线并联控制策略。在建立并联四桥臂拓扑的桥臂大信号模型基础上，分析了抑制并联单元间与桥臂间环流的控制要求，并提出了针对三相四桥臂共输入、输出并联扩容的均流控制策略。通过小信号模型分析了输出阻抗与环路参数及主电路参数间的关系。为了提高三相四桥臂并联逆变器的直流电压利用率，提出了三相四桥臂并联时的三次谐波注入控制策略，分析了所注入的三次谐波信号及交错并联控制方式对环流大小的影响机理，并针对该问题提出了两种环流抑制方法。主要结论有：

（1）基于所建立的相桥臂大信号模型，分析得出：为抑制并联单元间环流，需要将每个单元的四桥臂电流之和控制为零；而为了抑制并联桥臂间环流，采用共电流环基准控制方式；针对并联中线桥臂提出了一种基于零序电流跟踪的均流控制方法。（2）在三相四桥臂共直流母线并联时，三次谐波注入以及交错并联方式均会在并联单元间和并联桥臂间引起低频环流，降低了整机的均流性能。（3）针对三次谐波注入后引起的低频环流问题，首先提出了一种基于三次谐波信号平均值注入的方法，该方法通过抵消并联单元三次谐波信号中的扰动分量，可有效抑制桥臂间的环流成分；由于该方法依赖于模块间的信号通讯，且需要在故障状态下判断并联单元的数量，为了提高冗余性，基于桥臂输出阻抗模型，又提出了一种基于环流成分前馈的控制方法。前馈环等效提高了环流成分在电流环的增益，通过对输出阻抗的小信号建模可知该增益越大等效于对并联单元间环流成分的输出阻抗越大，从而实现对该环流成分的有效抑制。（4）对于并联、交错并联三相四桥臂逆变器共电压环均流控制方式，均流电流环可采用单极点单零点补偿网络。该补偿网络需要注意以下几点：a) 直流成分的输出阻抗增益过高，会提高输出信号的直流偏置。该直流分量会导致输出侧叠加额外的谐波成分，因此需要对均流电流环采取直流成分限增益措施；b) 第四桥臂滤波电感往往小于前三个桥臂，其电流包含较大的开关频率及其谐波组成的高频成分，其均流环补偿网络需要添加高频极点以防止控制信号中叠加过大的高频成分引起多次交割；c) 环流成分前馈控制方法中前馈环输出信号不仅包含低频环流谐波成分，还包含高频的载波谐波成分，因此前馈环除了具有单增益环节特性，也需要添加高频极点来滤除高频成分。

3、主要指标及完成情况概述。

1）在相同输入输出参数条件下完成三相模块化串、并联方案的综合比较，得到了一套针对不同规格三相中频机载逆变器的模块化扩容拓扑选型依据；

2）为机载场合研发了一套的多模块串联拓扑样机，功率重量比不少于2kVA/Kg，并能够实现三套组合为三相输出的功能；

3）  为机载场合提供一套中频三相四桥臂模块交错并联样机，在全功率负载范围下三相输出电压幅值不平衡度不高过1%，相角不平衡度不超过3度，将环流成分峰值控制在额定电流的2%以下，并实现三倍额定电流短路功能。

应用领域和市场前景：

本项目考虑了主电路与控制电路的非理想因素的影响，计算输入、输出侧与共模、差模信号的谐波成分，研究模块化串、并联拓扑输入、输出滤波器与EMI滤波器的设计方法；基于功率密度、拓扑结构、整机损耗三个方面完成对模块化串联与并联拓扑的比较，总结一套针对不同规格机载逆变器的扩容拓扑选型依据；基于非数字化控制方式，研究中频三相四桥臂模块共输入、输出交错并联拓扑的均流控制策略，在此基础上研究控制策略优化方式，保证各个并联桥臂稳态、动态性能与冗余工作，并使3P4L模块交错并联拓扑的直流电压利用率达到与采用空间矢量均流控制方式相同的水平。

项目的相关成果不仅有利于提升我国新一代军、民用中频航空机载逆变器的功率等级、功率密度，还能够通过模块化的设计方法，加速我国大功率航空静止变流器的研发进度，帮助实现我国机载电源系统的模块化、系列化。研究过程中得到的技术成果在非航空领域的逆变器扩容场合，如新能源发电、开关电源、电动汽车等领域也有很高的应用价值。

如下图所示，本项目相关的所研发样机以及目前横向、纵向合同。

合作方式（技术转让，技术开发，技术服务，技术咨询，技术入股）：

   *技术转让
   *技术开发

   *技术咨询

   *技术服务
   *技术入股