多电飞机高压直流并联供电系统发展现状与关键技术

张卓然，许彦武，于立，李进才，夏一文

南京航空航天大学 多电飞机电气系统工信部重点实验室，南京 211106

多电飞机利用电能作为统一的二次能源形式驱动机载设备，逐步取代传统飞机上的气压能、液压能和机械能[1-3]。全电飞机在多电飞机的基础上进一步将二次能源乃至一次能源完全统一为电能[4-6]。相比于传统飞机，多电飞机具有更高的能源利用效率和燃油经济性，并可减少污染排放，简化地勤维护[7]。目前，多电技术已在空客A380、波音B787和洛克希德·马丁公司F-35等型号飞机上获得了验证和应用，充分展示了多电飞机技术的优越性和巨大潜力[8-9]。

在低压直流供电系统和恒频交流供电系统相继获得成熟应用的基础上，宽变频交流(VFAC)和高压直流(HVDC)供电系统成为飞机机载供电系统发展的新方向。高压直流供电系统具有容量大、重量轻、效率高、简化航电设计、简化地勤维护、可靠性高和电磁兼容性能好等突出优势[10]。目前，高压直流供电系统已经在F-22、F-35和RAH-66等多款先进军机上作为主电源得到了应用[11]。波音B787客机虽然采用了230 V宽变频交流供电系统作为总体架构，但实际上有近一半的供电功率通过自耦变压整流器(ATRU)转换为270 V高压直流电，并通过高压直流母线进行分配和使用[12]。同时，如果对防除冰、厨房设备等现有交流系统进行简单的改造，即可实现72.4%的机载功率直接由高压直流提供[12]。高压直流供电已成为多电飞机电源的主要形式和发展方向。

在多电/全电飞机中，高压直流供电系统的优势可以获得更加充分的发挥。首先，飞机的多电/全电化意味着更高的机载电气功率。高压直流供电系统可以提供更大的容量，满足日益增长的负载功率需求。其次，高压直流供电系统可以简化调速电机、电作动器(EMA)/电液作动器(EHA)的驱动电源设计，更加适应多电/全电负载特性。第三，高压直流供电系统具备更高的效率和更轻的重量，有助于进一步提高多电/全电飞机的系统效率，减少能源的消耗和污染的排放。

理论上，高压直流供电系统的另一个突出优势是易于多通道电源并联。大型飞机上通常配置有多台发动机与相应的发电机，部分型号发动机上安装有多台发电机。有些飞机上还安装有辅助动力装置(APU)发电机。多台发电机并联组成高压直流并联供电系统，可以更加有效利用机载电源，扩充电网容量，从而进一步提高系统的稳定性，实现不中断供电。另外，高压直流电源的并联运行也更利于满足激光武器等高能机载装备脉冲功率负载的需求。

然而，飞机高压直流并联供电系统的运行原理和特性、并联控制策略、控制保护逻辑以及非线性负载下稳定性判据等问题相比单通道供电系统有很大不同，且更加复杂，尚没有系统深入的研究与实践，成为高压直流并联供电系统在多电/全电飞机上应用的瓶颈。

本文以飞机多电/全电化为背景，围绕高压直流并联供电系统的发展现状与关键技术进行总结与研究。分析了高压直流并联供电系统的优势，讨论了高压直流并联供电系统的关键技术和问题。提出并研究基于新型双凸极无刷直流电机的并联供电系统，实现了对高压直流并联供电系统的均流控制，针对稳态和动态特性进行了实验研究和验证，以期为探索实现下一代飞机高压直流并联供电系统提供参考。

1 高压直流并联供电系统

1.1 高压直流供电系统

飞机供电系统总体可以划分为直流供电系统和交流供电系统两大类(以及2种结合的混合供电系统)。直流供电系统可以分为28 V直流供电系统为代表的低压直流供电系统和270 V直流供电系统为代表的高压直流供电系统。交流供电系统可以分为115 V/400 Hz交流供电系统为代表的恒频交流供电系统和230 V/360～800 Hz交流供电系统为代表的变频交流供电系统。

飞机高压直流供电系统一般采用270 V/540 V直流电压作为标准。高压直流供电系统突破了交流供电系统对发电机频率的约束，发电机可工作于更高转速从而提升功率密度，另外，性能优势还体现在对馈线压降的抑制和对趋肤效应的规避。高压直流供电系统大幅消除了线路交流阻抗损耗，线路压降明显小于三相115/200 V交流供电系统，因此在高压直流供电系统中，机载用电设备供电品质的一致性较好，避免了远离发电机的设备供电电压大幅降低等问题。高压直流供电系统规避了趋肤效应，相比于交流供电系统，具有更好的输电质量。由于规避了趋肤效应，电流密度在导线内均匀分布，在输电电流相同时，高压直流供电系统可采用更细的导线，节约更多的导线材料，并降低整个输电网络的重量。

高压直流供电系统可以大幅度降低输配电网的重量。由于高压直流供电系统采用了双线制或单线制(金属机壳作为地线)，与交流供电系统的三相四线制相比，大幅度减轻了线缆重量。采用高压直流供电系统还可取消恒频交流供电系统复杂的恒速传动装置，简化发电机结构、减轻发电系统重量。

高压直流供电系统有较高的可靠性。美国海军一项研究表明，如果用高压直流供电系统取代F-18战斗机所采用的变速恒频供电系统，则可靠性可提升至大约2倍[10]。高压直流供电系统中集中式的整流有利于提升变换效率和散热效率，还可以通过与发动机/发电机共用油冷系统提高散热效率。高压直流供电系统的优势还体现在简化航电设计、提升对操作者的安全性、降低电磁辐射。高压直流供电系统的另一个突出优势是易于实现并联。相比于交流并联供电系统，高压直流供电系统中电源的并联无需考虑频率和相位的匹配问题。

1.2 高压直流供电系统研究与应用现状

高压直流供电系统已经在F-22和F-35等多种机型中获得了应用，其突出性能获得了验证。

F-22采用270V高压直流供电系统，主电源为2台65 kW高压直流发电机，2台发电机不并联，互为备份。二次电源采用了2台6 kVA的变流器和4台2.1 kW的270 V-28 V直-直变换器，辅助电源为辅助动力装置驱动的一台22 kW高压直流发电机。

在F-35上，高压直流供电系统和多项多电飞机技术都得到了应用。F-35供电系统如图1所示[11]。F-35搭载了一台双路独立输出的高压直流起动发电机，每路输出为80 kW。应急电源为80 kW高压直流应急电源。二次电源部分则包含了两台4.5 kVA容量的270 V-28 V DC/DC变换器和一台5.4kVA的270V DC-115V AC逆变器。机载设备多采用270 V高压直流直接驱动，还采用了电液作动器系统等典型的多电负载。从电气系统角度，F-35飞机充分体现了高压直流供电系统应用的技术优势。

图1 F-35供电系统示意图[11]

B787客机上445 kW的230 V变频交流供电功率经过自耦变压整流器转换，通过高压直流母线分配至负载。其中，40 kW用于液压系统，40 kW用于冷却系统，32 kW用于环控系统的风扇，320 kW用于环控系统的客舱增压[12]。

1.3 低压直流与交流并联供电系统

大型飞机通常配置多台发动机，每一台发动机均安装有一台甚至多台发电机。多发电机并联运行可以有效扩充系统容量、提高系统供电可靠性。20世纪40年代，底特律爱迪生公司在详细分析飞机供电系统架构的基础上，提出了由多台交流发电机组成的交流并联供电系统，并对系统的架构进行了定量的分析[13]。GE公司则提出一种模拟电压调节装置和一种模拟电流均衡器，成功实现了如图2所示的400 Hz发电机并联供电系统[14]。GE公司[15]和美国海军实验室[16]还针对400 Hz并联系统的故障分析展开了研究。波音B747-400的供电系统中，4台发电机可以并联运行，也可以各发动机驱动的2台发电机分别并联运行，还可以4台发电机分别独立运行。波音B747-400采用的分裂并联的400 Hz交流架构提高了供电系统灵活性和可靠性。

图2 2台400 Hz交流发电机构成的并联供电系统[14]

20世纪40年代，GE公司进行了低压直流并联供电系统的研发，采用了炭片式电压调节器，并实现了4台并联发电机之间的电流均衡，如图3所示[17]。对均流中的不平衡、发电机组的退出等工况进行了分析，提出了相应的控制手段。对低压直流并联供电系统的伏安特性、动态特性和短路特性进行了分析和实验。

图3 4台28 V直流发电机构成的并联供电系统[17]

低压直流供电系统存在着容量难以提升的固有不足；恒频交流供电系统需要恒速传动装置或者复杂的频率变换器，并且并联过程中需要保证参与并联的电源之间频率、相位相同；变频交流供电系统则难以实现并联。因此，相比而言，高压直流并联供电系统从飞机供电系统容量和供电可靠性角度具有重要优势和应用前景。

1.4 高压直流并联供电系统

高压直流并联供电系统是将多台高压直流电源连接至共同的高压直流汇流条，由参与并联的多台高压直流电源共同承担负载功率。其中，高压直流主电源，即高压直流主发电机的并联最为重要。尽管具备上述诸多技术优势，但一方面关键技术尚待研究与验证，另一方面受传统飞机电气负载的实际需求所限，尚未见现役机型采用大功率高压直流并联供电系统。

德国联邦国防军大学的学者提出了一种包含2台高压直流电源的并联系统构架，如图4所示[18]。实现了一台高压轴起动发电机和一台低压轴发电机的并联，并利用主从控制方法进行了均流控制。

图4 起动发电机与发电机并联的高压直流供电系统[18]

诺丁汉大学的学者基于永磁发电机(PMG)构建了高压直流并联供电系统，如图5所示[19]。采用独立控制结构，实现了均流精度的提高，减小了线路损耗。利用交流电源加3台可控整流器替代发电机系统搭建了实验平台，验证了均流控制效果。在验证了均流控制的基础上进一步对系统的稳定性进行了分析，提出了提高系统稳定性的方法。

图5 多台永磁发电机组成的高压直流并联系统[19]

在多台永磁起动发电机(PMSG)组成的高压直流并联供电系统中，永磁起动发电机通过可控整流器连接至直流母线，如图6所示[20]。对比了多台发电机下垂控制和主从控制方法的控制效果。通过仿真研究了负载变化过程中的母线电压波动情况，验证了主从控制能在负载变化时获得更好的均流效果和母线电压调节精度。

图6 多台永磁起动发电机组成的高压直流并联系统[20]

南京航空航天大学的学者分别对三级式发电机组成的高压直流并联供电系统[21]和开关磁阻发电机组成的高压直流并联供电系统[22]展开了研究。验证了平均值均流控制方法在稳态和投入并联、退出并联、突加突卸负载等瞬态过程中的特性。

多台高压直流发电机并联供电的优点包括：

1) 提高容错性能：多台发电机并联供电可以实现供电系统的不中断供电。某台电机故障时可迅速退出并联并将负载分配至其他并联发电机。

2) 提高供电容量：采用并联供电系统可以突破单台发电机容量限制，扩大供电系统容量。

3) 优化动态特性：并联运行扩充了系统的容量。因此在面对相同大小的扰动时，如相同功率的负载变化过程和相同的转速变化过程，并联系统具有更好的动态性能。

4)提高系统稳定性：通过多台电源的并联运行，减小源端阻抗，进而实现稳定性提升。

5)降低热负荷：通过并联运行提升了对大功率负载、脉冲式负载的包容性，减少发电机满载和过载工况，降低热负荷。同时，并联运行使系统吸收回馈能量的能力增强，进一步降低了废热排放。

多台高压直流发电机并联供电的要求包括：

1) 参与并联的多台发电机输出电压应当极性一致、幅值相近。

2) 参与并联的多台发电机输出的电流应当与发电机额定容量成正比。

3) 并联系统的电压稳态特性和动态特性仍应满足技术指标要求。

4) 完善的投入并联和退出并联控制方法，减小发电机的投入和退出对系统的影响。

5) 应有完善可靠的控制保护逻辑，以适应并联供电系统的可靠供电和汇流条转换需求。

2 高压直流并联供电系统关键技术

高压直流并联供电系统的研究目前仍处于起步阶段，研究主要围绕以下关键技术展开：① 并联供电系统的构架；② 并联电源的均流控制；③ 并联供电系统的故障模式分析与保护策略；④ 并联供电系统的稳定性分析方法；⑤ 能量回馈与能量综合管理。

2.1 并联供电系统架构

高压直流并联供电系统中包含参与并联的多台电源设备。对不同架构拓扑的分析和对比，是保证并联供电系统优势充分发挥的先决条件。文献[23]以115 V/400 Hz恒频交流供电系统作为基准，对比了115 V/360-800 Hz变频交流与270 V高压直流混合供电系统、230 V/360-800 Hz变频交流与±270 V高压直流混合供电系统以及包含两台主发电机的±270 V纯高压直流供电系统。采用第四种±270 V纯高压直流供电系统可以更加方便地实现并联运行，降低重量，提高稳定性。

文献[24]进一步针对4台高压直流发电机组成的并联供电系统的拓扑结构开展对比研究。多层拓扑通过4条汇流条分级依次连接4台发电机；双层拓扑先两两并联2台发电机，再并联左右汇流条；单层拓扑是利用一条总汇流条连接所有发电机；环形拓扑则是将单层拓扑的总汇流条两端相接，形成环形架构。通过对比分析，提出环形拓扑是结构复杂度适中、可靠性较高的一种拓扑结构，较为适应多台高压直流发电机并联组成的供电系统。

与分裂结构的供电系统相比，高压直流并联供电系统中参与并联的电源较多，馈线穿越整个飞机的主要结构，因此具有更加复杂的拓扑结构。对于高压直流并联供电系统构架的设计和选择，需要充分结合供电系统的性能指标、飞机发动机与机体外形、电气负载特性与配置、控制保护逻辑可行性等因素进行综合考虑。

2.2 均流控制

飞机供电系统中每台发电机都受到相应的发电机控制器(GCU)的控制。供电系统中的汇流条功率控制器(BPCU)则具有更高的控制权限，可以实现对整个供电系统的管理。在高压直流供电系统中，汇流条功率控制器可以充当控制中心的角色，因此适合采用集中式均流控制。

参与并联的电源种类和型号可能存在不同，相同型号的电源由于性能参数漂移、工况不同也会呈现出不同的外特性。在这些电源参与并联时，如果不增加额外的控制，会引起各个电源承担的负载不相同，甚至会导致一些电源承担了全部负载，而其他电源空载的极端情况。输出电流的不均衡会导致发热和寿命的失衡，也会影响系统性能的发挥。因此，在高压直流并联供电系统中还必须增加均流控制，保证参与并联的电源按照额定功率所占比例输出电流。

常用的均流控制方法包括主从控制、最大值控制和平均值控制等。主从控制是从参与并联的电源中选取一台电源作为主电源，其他电源以主电源的输出电流作为输出电流参考值。最大值控制则是以输出电流最大值作为其他电源的输出电流参考值。平均值控制计算各个电源输出电流平均值，并以此作为所有电源的输出电流参考值。

在高压直流并联供电系统中，一方面需要考虑均流控制的精度，另一方面需要考虑均流控制的容错性能，保证在并联电源故障退出等情况下的正常均流控制。

2.3 故障模式和保护策略

高压直流并联供电系统多台电源并联运行，这些电源在控制和电气上相互连接。在发生故障后如果不进行及时的保护，很容易引起故障的扩大和蔓延，进而威胁整个机载供电系统的安全。另一方面，由于并联电源的输出在电气上相互连接，共用母线电压信号，为故障发生后的故障定位带来困难。

需要对高压直流并联供电系统的故障模式进行梳理，并通过分析故障模式采取相应的保护策略，实现对并联供电系统故障的抑制和保护。

文献[24]分别分析了单台三级式高压直流发电机和由多台三级式发电机组成的高压直流并联供电系统的故障模式和故障现象。并根据故障现象提出了相应的故障保护方法。

针对高压直流并联供电系统的故障模式和保护逻辑的研究是保障高压直流并联供电系统可靠运行和发挥效能的关键。目前，对该方面的研究仍然处于起步阶段。

2.4 稳定性分析

多电飞机中调速电机类负载、电力电子变换器负载和电作动器等恒功率负载(CPL)的大量应用，使得高压直流并联供电系统面临着稳定性问题。在高压直流并联供电系统中，由于负载种类繁杂，负载数量的增加，造成系统级建模和分析更加困难，为系统稳定性分析带来巨大挑战。

目前常用的稳定性分析方法主要包括小信号分析方法和大信号分析方法。

小信号分析方法是对非线性的高压直流并联供电系统在平衡点附近进行线性化，用于分析小信号干扰下的稳定性问题。小信号分析方法建立在阻抗模型的基础上，主要依据Middlebrook准则、Opposing Argument准则、ESAC准则、幅值裕度和相角裕度准则、三阶段阻抗准则等[25]。

大信号分析方法则建立在李雅普诺夫判据的基础上，采用非线性的模型分析系统的稳定性，实现对大信号扰动下的稳定性分析。常用的大信号稳定性分析方法包括TS方法、反向轨迹跟踪方法、BDQLF方法和Brayton-Moser方法[25]。

2.5 能量回馈与能量综合管理

多电飞机中非线性和恒功率负载将会不断增多，因此需要充分重视对电机类负载的能量回馈和管理，以提升系统的能量利用率和效率，减少废热和排放。

文献[26]中研究了利用发电机直接吸收负载回馈能量的技术。如图7所示，负载直接将制动能量回馈至高压直流母线，并通过发电机的双向变换器吸收。霍尼韦尔公司则针对多台发电机组成的高压直流供电系统的能量回馈开展了研究，提出了如图8所示的拓扑结构[27]。应用这种结构的高压直流供电系统能够提升应对峰值功率的能力，还可以通过发电机的双向变换器吸收负载能量回馈产生的多余能量，保持母线电压的稳定[28]。该方案的核心技术包括发电机的双向变换器和发电机与发动机之间的直驱。

图7 负载回馈能量直接返回直流母线[26]

图8 提高峰值功率容量和实现能量回馈管理的拓扑[27]

高压直流并联供电系统通过多台电源并联运行，扩充了系统容量，从而为更大功率的回馈能量吸收提供了有利条件。

3 新型双凸极直流发电机并联供电系统与实验验证

3.1 双凸极无刷直流电机并联供电系统结构与原理

目前常用的和具备潜力的航空发电机主要包括三级式发电机、开关磁阻发电机、永磁发电机和电励磁双凸极发电机(DSEG)等。永磁发电机的功率密度较大，但不易实现故障灭磁；三级式发电机的安全性较高，但转子结构复杂，高速运行受到限制；开关磁阻发电机结构坚固，适用于高速应用，但变换器与控制相对复杂。

电励磁双凸极发电机是一种变磁阻类电机，其转子由铁芯叠片叠压而成，结构简单且强度高[29]。在定子上有专门的励磁绕组提供励磁，三相绕组通过不控整流器连接至直流母线。通过调节励磁电流，即可控制直流侧输出电压与输出电流，同时可以实现故障灭磁。电励磁双凸极发电机具有结构简单、可靠性高等优势，特别适合于航空发电机这样高速和恶劣环境下的应用[30]。安装有可控整流器的电励磁双凸极发电机还可以实现能量的双向流动[31]，通过发电/电动模态的转换吸纳能量回馈的峰值功率。

目前针对高压直流并联供电系统的研究处于起步阶段，且集中于永磁发电机和三级式发电机组成的并联供电系统。电励磁双凸极发电机并联运行的研究目前尚属空白。本文提出了基于电励磁双凸极发电机并联运行的新型高压直流供电系统。这种构架结合了电励磁双凸极发电机与高压直流并联供电系统的优势，因此具有较强的研究和应用价值。

提出的电励磁双凸极发电机高压直流并联供电系统如图9所示。2台电励磁双凸极发电机分别通过发电机控制断路器(GCB)连接至各自的直流母线，两部分直流母线通过汇流条断路器(BTB)连接。每台电励磁双凸极发电机由对应的发电机控制器进行控制，发电机控制器内部包含一台结合不对称半桥(AHB)变换器的数字电压调节器，可以通过控制不对称半桥的占空比实现对励磁电流的控制，进而控制电励磁双凸极发电机的输出电压和输出电流。汇流条功率控制器则可以通过发电机控制器获得每台发电机的运行信息，并根据输出电流状态通过相应的发电机控制器对发电机进行间接地控制，从而实现并联发电机的均衡控制。

图9 两台电励磁双凸极发电机组成的高压直流并联供电系统

3.2 双凸极高压直流并联供电系统控制方法

单台电励磁双凸极发电机通常采用直流侧电压外环、励磁电流内环的控制方法。

电压外环比例-积分(PI)控制器的输入为检测到的母线电压和预设的电压参考值。电压外环PI控制器的输出为励磁电流参考值。

(1)

ifref=kpv(uref-udc)+kivSv

(2)

式中：Sv代表对母线电压误差的积分操作；udc为母线电压；uref为母线电压的参考值；ifref为励磁电流的参考值；kpv和kiv为电压外环PI控制器的比例系数和积分系数。

励磁电流内环控制以励磁电流为控制对象，采用比例-积分-微分(PID)控制实现对励磁电流的调节。励磁电流内环的输入为励磁电流检测值和励磁电流参考值，输出为不对称半桥功率开关驱动信号占空比。

(3)

(4)

ds=kpi(ifref-if)+kiiSi+kdiDi

(5)

式中：Si代表对励磁电流误差值的积分操作；Di代表对励磁电流误差值的微分操作；if为励磁电流；ds为不对称半桥功率开关驱动信号占空比；kpi、kii和kdi分别为励磁电流内环PID控制器的比例、积分、微分系数。

2台电励磁双凸极发电机组成的高压直流并联供电系统中，除了对每台发电机进行控制，还需要增加额外的均流控制模块。本文采用平均值均流方法进行均流控制。

首先计算每台发电机应承受的平均电流iavg：

(6)

在平均均流控制中包含2个均流PID控制器，均以平均电流iavg作为输入的参考值，分别以2台发电机的输出电流作为反馈输入量。以x代表其中一台电励磁双凸极发电机，则第x台电励磁双凸极发电机的均流PID控制器可以表示为

(7)

(8)

umodx=kpidcx(iavg-idcx)+kiidcxSidcx+kdidcxDidcx

(9)

式中：Sidcx代表对第x台发电机输出电流与平均电流之间误差的积分操作；Didcx代表对第x台发电机输出电流与平均电流之间误差的微分操作。umodx为第x台均流PID控制器输出结果，是对该发电机电压参考值的修正；kpidcx，kiidcx和kdidcx分别为均流PID控制器的比例、积分和微分系数。

第x台均流PID控制器的输出umodx为相应母线电压控制PI控制器参考值的修正，即式(1)和式(2)改写为

(10)

ifref=kpv(uref+umodx-udc)+kivSv

(11)

每台发电机的励磁控制环节则不需要改动。

基于两台电励磁双凸极发电机组成的高压直流并联供电系统的控制结构如图10所示。

图10 基于平均值均流的控制方法

该均流控制方法也可以应用于更多台发电机并联[19,24]和并联发电机功率不相等的情况。假设系统中并联发电机的台数为n，第i台发电机的额定功率为Pi(i=1,2，…，n)。每台发电机在励磁电流内环、直流侧电压外环之外均增加一个均流PID控制器，该控制器的输入为发电机输出电流与该台发电机的平均电流iavgi的差值。其中，iavgi的计算方法为

(12)

3.3 双凸极高压直流并联供电系统实验验证

按照图9所示的结构搭建了由2台电励磁双凸极发电机组成的高压直流并联供电系统，如图11所示。该系统中，两台9 kW电励磁双凸极发电机分别由两台不同原动机驱动，并由各自的发电机控制器实现调压控制。汇流条功率控制器用于两台发电机的均流控制。实验平台相关参数如表1所示。

图11 高压直流并联供电系统实验平台

表1 高压直流并联供电系统实验平台参数

2台电励磁双凸极发电机均运行在5 000 r/min转速，负载为1 kW。如果不进行均流控制，则第2台电励磁双凸极发电机DSEG2投入并联后，负载电流会由其中一台发电机承担，而另一台发电机的输出电流会减小，如图12所示。

图12 不进行均流控制时的母线电压、输出电流波形(100V/格、5A/格)

采用平均值均流控制方法时，可以保证均流误差较小，如图13所示。在负载较小时，均流误差较大，这主要是电流传感器和采样电路的固有误差导致的。随着负载功率的增加，2台发电机的误差可以缩小至2%以下，实现较高精度的均流控制。采用平均值均流控制方法时，控制负载仍为1 kW。当DSEG2投入并联时，母线电压的峰值为280 V，调节时间为20 ms，最终负载电流在两台发电机之间平均分配，如图14(a)所示。当DSEG2退出并联时，母线电压谷值为266 V，调节时间为31 ms，最终负载电流完全由另一台发电机承担，如图14(b)所示。

图13 均流误差

图14 投入和退出并联时的动态响应

在高压直流并联供电系统中，突加突卸负载时的母线电压和输出电流波形如图15所示。当负载从1 kW突加至7 kW时，电压谷值为258 V，调节时间为20 ms。当负载从7 kW突卸至1 kW时，电压峰值为286 V，调节时间为35 ms。在负载突加突卸过程中，经过短暂的调整，两台发电机的输出电流能够保持均衡。

图15 突加突卸负载时的动态响应

通过对2台电励磁双凸极发电机组成的高压直流并联供电系统的实验，可以验证：高压直流并联供电系统可以实现2台发电机在稳态过程中的精确均流控制；高压直流并联供电系统在投入并联、退出并联、突加负载和突卸负载等动态过程中，能够保持母线电压的稳定，实现良好的均流控制。

2台电励磁发电机组成的高压直流并联供电系统中故障特征分析与相应的故障保护方法是确保高压直流并联供电系统安全运行的重要技术。文献[24]详细分析了电励磁发电机组成的高压直流并联供电系统中电枢绕组开路、短路故障，整流器开路、短路故障，励磁绕组开路、短路故障，发电机控制器开路、短路故障，电压、电流传感器故障，发电机至整流器差动故障，励磁脉动故障，支路汇流条短路故障和并联汇流条短路故障的现象和相应的保护方法。上述故障模式分析对于新型双凸极发电机高压直流并联供电系统同样具有重要参考意义。

稳定性分析建立在对系统进行数学建模，求取发电系统输出阻抗和负载系统输入阻抗的基础上。由于电励磁双凸极发电机本身特性较为复杂，存在着强烈的非线性和耦合性[30]，因此精确数学模型的建立仍存在一定难度。对电励磁双凸极发电机组成的高压直流并联供电系统稳定性分析与优化方法，将作为未来研究的重点。

4 结 论

高压直流并联供电系统与交流并联供电系统相比显著简化并联控制，易于实现不中断供电，并实现了多发动机/多发电机布局下供电容量的扩展，提升了供电系统的稳定性和鲁棒性，有助于进一步发挥高压直流供电系统的优势和潜力。本文的主要工作和结论包括：

1) 在总结低压直流和恒频交流并联供电系统技术的基础上，阐释了高压直流并联供电系统的基本概念、技术优势和研究现状。随着机载电气负载种类和容量不断增加，高压直流并联供电系统在新一代多电/全电飞机上有重要研究和应用价值。

2) 总结了高压直流并联供电系统的关键技术和问题。分析了并联供电系统的架构、并联电源的均流控制、并联供电系统的故障模式分析与保护策略、并联供电系统的稳定性分析、能量回馈与能量综合管理技术等。

3) 提出并研究了基于新型双凸极无刷直流电机的高压直流并联供电系统，采用平均值均流控制方法，实现了对高压直流并联供电系统的高精度的负载电流分配。

4) 新型双凸极高压直流无刷发电机的并联供电系统在投入和退出并联时可以实现对母线电压的稳定控制，在投入并联后能够迅速实现均流，在突加突卸负载时具有良好的动态性能。

5) 针对多电/全电飞机高压直流并联供电系统的特性分析、系统级建模方法、保护逻辑和控制策略等方面仍存在诸多需要深入研究和突破的关键技术。