本發明涉及電源領域，具體涉及一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法。

背景技術：

機載用電設備要求較高的供電質量，電壓調整精度、頻率調整精度、交流電壓波形正弦度、電壓浪涌和尖峰等都有一定的技術標準。

通常一臺發動機上有1～2臺發電機，因此多發動機飛機上裝有許多臺發電機。直流電源系統中的發電機都并聯工作。交流發電機有的并聯工作，有的不并聯工作。不并聯工作的交流電源系統較為簡單；并聯系統則比較復雜，但電源容量大，負載的波動對電源電壓和頻率的影響較小，故電能質量高，且不易中斷供電。

目前，如航空高尖端領域，需要功率變換器能夠具備在故障狀態下實現容錯運行的能力。功率器件作為構成各種功率變換器的基本器件，當功率器件損壞時，必將導致功率變換器失去運行能力，甚至引發災難性的后果，因此對功率變換器的容錯控制研究是非常有必要的。容錯，就是容忍故障的簡稱。隨著科學技術的發展，對電源系統的穩定性與可靠性要求越來越高。

電力電子變換器是實現機載電源變換和有效利用的關鍵裝置，電力電子變換器由連續變量系統和離散事件動態系統相互作用而形成統一的動態系統。在每一開關狀態下電路可能是線性的，但是按照一定規律對開關狀態的切換又使得整個系統變為不連續的非線性系統。

傳統的電力電子變換器的分析和設計采用小信號線性化方法得到忽略開關狀態的線性模型，這種模型雖然能夠方便地利用傳統的頻域設計方法，但是存在的問題是當變換器工作點發生大范圍變化時，系統性能變差，同時在信號大范圍變化時有可能會出現不可預期的不穩定現象。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法，該方法針對DC/DC變換器電流參考值，不需測量輸入和負載，根據輸出誤差調節電流參考值，從而提高穩態精度的方法，實現了自動調節切換控制，能夠在保證DC/DC變換器控制全局穩定性的同時對輸入電壓、負載等變化具有魯棒性，加快了多路輸出電壓的響應速度。

為了實現上述目的，本發明提供一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法，其特征在于，DC/DC多路分壓變換模塊向多路負載提供穩定的電壓，所述DC/DC多路分壓變換模塊從AC/DC模塊和/或儲能模塊獲取電能。

優選的，

DC/DC多路分壓變換模塊具有多個二階電子變換器，每個二階變換器均至少向一路機載負載進行供電。

優選的，建立電力電子變換器的切換控制器的控制模型，簡稱為切換系統模型，根據所述切換系統模型對二階電力電子變換器進行控制，以輸出恒定且滿足負載需求的電壓。

優選的，輸出恒定且滿足負載需求的電壓具體控制方式如下：

設模型為二階，則二階變換器的切換系統模型如下：

其中的是系統的狀態變量，是常數矩陣，對于二階系統來說n_x＝2，m是切換系統子系統的個數；一般而言，x＝[x₁ x₂]^T，x₁為電感電流，x₂為輸出電壓，上標T表示向量轉置；

設系統狀態變量的期望值x_d為恒值，則得到誤差系統函數是：

e＝x(t)-x_d(t)

k_i是定義的一個常數矩陣，(X(t)與一樣)是系統的狀態變量，x_d(t)實際上就是前面提到的狀態變量期望值；

定義v_i(e(t))為切換子系統i的Lyapunov函數，表示為：

v_i(e(t))＝e(t)^TP_ie(t)+e(t)^TS_i， (3)

其中P_i為對稱陣，滿足下式：

其中α_i＞0為給定常數，M為相應維數的對稱矩陣，S_i^T、A_i^T、k_i^T分別是S_i、A_i、k_i的轉置，先求解不等式(4)和(5)得到P_i及S_i，進而按照式(3)計算v_i(e(t))；

選擇切換控制規律，設σ(t)是開關切換信號，σ(t):[0,∞)→{1,...m}是時間的分段常數函數，σ(t)＝i表示當前系統運行在第i個子系統，針對誤差系統式(2)，設定如下切換控制規律：

式(6)表示選擇Lyapunov函數最大的子系統作為當前子系統，使得系統切換到這個子系統工作；

根據輸出誤差e₂調節電流參考值x_d1，在理想狀態下，電流參考值為x_d1＝I_L0；當存在參數不確定或輸入電壓與負載發生變化時，調節電流參考值為：

x_d1＝(1+β)I_L0＝u_cpI_L0 (7)

其中β＝(k_p·e₂+k_I∫e₂dt)/x_d2，k_p是PI補償器的比例系數，k_I是PI補償器的積分系數，e₂＝x₂-x_d2，x_d2為輸出電壓參考值。

優選的，所述二階電子變化器包括Boost變換電路，根據電路基本規律得到Boost變換器的動態方程為：

其中x＝[x₁ x₂]^T＝[i_L v_C]^T，i_L為電感電流值，v_C為輸出電壓值，A_i、b_i分別為系統矩陣和輸入矩陣，當設置子系統個數m＝3時，則n_x＝2，i＝1,2,3，U＝E，E為輸入直流電源電壓值，則有以下三個模式：

模式1：Boost變換電路開關S閉合，此時系統矩陣和輸入矩陣分別為：

模式2：Boost變換電路開關S斷開，同時電感電流i_L大于0，此時系統矩陣和輸入矩陣分別為：

模式3：Boost變換電路開關S斷開，同時電感電流i_L等于0，此時系統矩陣和輸入矩陣分別為：

本發明具有如下優點：(1)解決了在現有雙級式矩陣變換器拓撲結構基礎上，在三相輸入交流電源中性點引出一個由兩個雙向開關構成的橋臂，該橋臂的引入大大提高了AC/DC變換器容錯控制時的靈活度；(2)針對DC/DC變換器電流參考值，不需測量輸入和負載，根據輸出誤差調節電流參考值，從而提高穩態精度的方法，實現了自動調節切換控制，能夠在保證DC/DC變換器控制全局穩定性的同時對輸入電壓、負載等變化具有魯棒性，加快了多路輸出電壓的響應速度。

附圖說明

圖1示出了本發明的一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法的框圖；

圖2示出了一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法的流程圖。

具體實施方式

圖1示出了一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法10，該系統10包括：

AC/DC模塊11，用于將機載發電機的交流電轉換為直流電；

蓄電池模塊12，用于在電源系統10欠載時儲存電能，在電源系統10過載時，輸出直流電能；

DC/DC多路分壓變換模塊13，用于將AC/DC模塊11和/或蓄電池模塊13，進行電壓變換，用于為多路機載負載30供電；

控制模塊14，用于控制電源系統10的運行；

其特征在于，所述AC/DC模塊11為具有容錯功能的雙級式矩陣變換器，所述DC/DC多路分壓變換模塊為多個二階電力電子變換器，每個二階電力電子變換器負載一路機載負載供電，每個二階電力電子變換器均獨立控制。

優選的，所述AC/DC模塊11包括：整流級電路和容錯電路；所述容錯電路包括兩個串聯的雙向開關S₁、S₂，S₁、S₂的連接點與三相交流輸入電源的中性點相連；S₁的另一端與整流級電路直流母線側的正端(P)相連，S₂的另一端與整流級電路直流母線側的負端相連；所述整流級電路為由6個雙向開關管S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn構成的三相整流電路；其中，S_ap和S_an、S_bp和S_bn、S_cp和S_ca分別串聯形成三個橋臂，S_ap、S_bp、S_cp分別為對應橋臂的上管，S_an、S_bn、S_cn分別為對應橋臂的下管，三個橋臂的上、下管分別與整流級電路直流母線側的正端和負端相連；S_ap和S_an、S_bp和S_bn、S_cp和S_cn的連接點分別與機載發電機的三個輸出端相連。

優選的，所述雙向開關S₁、S₂均由兩個帶反并聯二極管的IGBT器件共發射極連接組成。

其中，控制模塊14構建上述具有容錯功能的雙級式矩陣變換器；

通過對容錯電路中的兩個雙向開關S1、S2分別進行控制，可以實現雙級式矩陣在故障狀態下的容錯運行，具體步驟為：

當整流級電路中的各雙向開關管正常工作時，采取基于輸入電流的空間矢量調制策略；

當跟整流級電路直流母線側的正端連接的某個雙向開關管出現驅動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發生故障的雙向開關管的驅動信號切換給S₁；當故障的雙向開關管所接的輸入相電壓是整個空間矢量扇區正向最大時，對該扇區調制信號做如下處理：S₁恒開通，整流級電路中未發生故障的兩個下管按照以下方式開通：在該空間矢量扇區前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關先開通，另一個雙向開關管則在該空間矢量扇區的后半段時間開通；對整流級電路其他扇區的調制信號不做處理；

當跟整流級電路直流母線側的負端連接的某個雙向開關管出現驅動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發生故障的雙向開關管的驅動信號切換給S₂；當故障的開關管所連的輸入相電壓是整個空間矢量扇區負向最大時，對該扇區調制信號做如下處理：S₂恒開通，整流級電路中未發生故障的兩個上管按照以下方式開通：在該空間矢量扇區前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關先開通，另一個雙向開關管則在該空間矢量扇區的后半段時間開通；對整流級電路其他扇區的調制信號不做處理。

優選的，所述DC/DC多路分壓變換模塊13中的每個二階電力電子變換器均包括Boost變換電路、切換控制器和PI補償器的設置，增加PI補償后的控制連接方式是，將PI補償器的兩個輸入端分別與Boost變換電路輸出電壓信號和Boost變換電路輸出電壓參考值x_d2信號連接；PI補償器輸出端的U_cp信號與I_Lo一起進入乘法器，從該乘法器輸出的電流參考值x_d1信號與x_d2信號、輸出電壓信號以及i_L信號一起進入切換控制器中，切換控制器的輸出端信號與Boost變換電路開關S信號連接，控制開關S的切換，其中開關S與AC/DC模塊11和/或蓄電池模塊13的直流電壓輸出端串聯連接。

優選的，所述控制模塊14根據每個二階電力電子變換器的工作狀態建立電力電子變換器的切換控制器的控制模型，簡稱為切換系統模型，根據所述切換系統模型對二階電力電子變換器進行控制，以輸出恒定且滿足負載需求的電壓，具體控制方式如下：

設模型為二階，則二階變換器的切換系統模型如下：

其中的是系統的狀態變量，是常數矩陣，對于二階系統來說n_x＝2，m是切換系統子系統的個數；一般而言，x＝[x₁ x₂]^T，x₁為電感電流，x₂為輸出電壓，上標T表示向量轉置；

設系統狀態變量的期望值x_d為恒值，則得到誤差系統函數是：

e＝x(t)-x_d(t)

k_i是定義的一個常數矩陣，(X(t)與一樣)是系統的狀態變量，x_d(t)實際上就是前面提到的狀態變量期望值；

定義v_i(e(t))為切換子系統i的Lyapunov函數，表示為：

v_i(e(t))＝e(t)^TP_ie(t)+e(t)^TS_i， (3)

其中P_i為對稱陣，滿足下式：

其中α_i＞0為給定常數，M為相應維數的對稱矩陣，S_i^T、A_i^T、k_i^T分別是S_i、A_i、k_i的轉置，先求解不等式(4)和(5)得到P_i及S_i，進而按照式(3)計算v_i(e(t))；

選擇切換控制規律，設σ(t)是開關切換信號，σ(t):[0,∞)→{1,...m}是時間的分段常數函數，σ(t)＝i表示當前系統運行在第i個子系統，針對誤差系統式(2)，設定如下切換控制規律：

式(6)表示選擇Lyapunov函數最大的子系統作為當前子系統，使得系統切換到這個子系統工作；

根據輸出誤差e₂調節電流參考值x_d1，在理想狀態下，電流參考值為x_d1＝I_L0；當存在參數不確定或輸入電壓與負載發生變化時，調節電流參考值為：

x_d1＝(1+β)I_L0＝u_cpI_L0 (7)

其中β＝(k_p·e₂+k_I∫e₂dt)/x_d2，k_p是PI補償器的比例系數，k_I是PI補償器的積分系數，e₂＝x₂-x_d2，x_d2為輸出電壓參考值，即成。

圖2示出了一種機載電源多路恒壓輸出的控制方法的流程圖，該供電方法包括如下步驟：

S1.AC/DC模塊將機載發電機發出的交流電轉換為直流電，并輸出給DC/DC多路分壓變換模塊和蓄電池模塊；

S2.在機載電源欠負載運行時，儲能模塊從AC/DC模塊吸收電能，在機載電源過負載運行時，儲能模塊向DC/DC多路分壓變換模塊供電；

S3.DC/DC多路分壓變換模塊向多路負載提供穩定的電壓。

優選的，在S1中，AC/DC模塊將機載發電機發出的交流電轉換為直流電時，采用容錯控制方法進行控制，該方法包括如下步驟：

S11.當整流級電路中的各雙向開關管正常工作時，采取基于輸入電流的空間矢量調制策略；

S12.當跟整流級電路直流母線側的正端連接的某個雙向開關管出現驅動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發生故障的雙向開關管的驅動信號切換給S₁；當故障的雙向開關管所接的輸入相電壓是整個空間矢量扇區正向最大時，對該扇區調制信號做如下處理：S₁恒開通，整流級電路中未發生故障的兩個下管按照以下方式開通：在該空間矢量扇區前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關先開通，另一個雙向開關管則在該空間矢量扇區的后半段時間開通；對整流級電路其他扇區的調制信號不做處理；

當跟整流級電路直流母線側的負端連接的某個雙向開關管出現驅動信號丟失或者開路損壞故障時，立即將發生故障的雙向開關管的驅動信號切換給S₂；當故障的開關管所連的輸入相電壓是整個空間矢量扇區負向最大時，對該扇區調制信號做如下處理：S₂恒開通，整流級電路中未發生故障的兩個上管按照以下方式開通：在該空間矢量扇區前半段時間，與輸入相電壓絕對值較大一相連接的雙向開關先開通，另一個雙向開關管則在該空間矢量扇區的后半段時間開通；對整流級電路其他扇區的調制信號不做處理。

優選的，在步驟S3中，

DC/DC多路分壓變換模塊具有多個二階電子變換器，每個二階變換器均至少向一路機載負載進行供電。

優選的，在步驟S3中，建立電力電子變換器的切換控制器的控制模型，簡稱為切換系統模型，根據所述切換系統模型對二階電力電子變換器進行控制，以輸出恒定且滿足負載需求的電壓。

優選的，輸出恒定且滿足負載需求的電壓具體控制方式如下：

S31.設模型為二階，則二階變換器的切換系統模型如下：

其中的是系統的狀態變量，是常數矩陣，對于二階系統來說n_x＝2，m是切換系統子系統的個數；一般而言，x＝[x₁ x₂]^T，x₁為電感電流，x₂為輸出電壓，上標T表示向量轉置；

設系統狀態變量的期望值x_d為恒值，則得到誤差系統函數是：

e＝x(t)-x_d(t)

k_i是定義的一個常數矩陣，(X(t)與一樣)是系統的狀態變量，x_d(t)實際上就是前面提到的狀態變量期望值；

S32.定義v_i(e(t))為切換子系統i的Lyapunov函數，表示為：

v_i(e(t))＝e(t)^TP_ie(t)+e(t)^TS_i， (3)

其中P_i為對稱陣，滿足下式：

其中α_i＞0為給定常數，M為相應維數的對稱矩陣，S_i^T、A_i^T、k_i^T分別是S_i、A_i、k_i的轉置，先求解不等式(4)和(5)得到P_i及S_i，進而按照式(3)計算v_i(e(t))；

S33.選擇切換控制規律，設σ(t)是開關切換信號，σ(t):[0,∞)→{1,...m}是時間的分段常數函數，σ(t)＝i表示當前系統運行在第i個子系統，針對誤差系統式(2)，設定如下切換控制規律：

式(6)表示選擇Lyapunov函數最大的子系統作為當前子系統，使得系統切換到這個子系統工作；

S34.根據輸出誤差e₂調節電流參考值x_d1，在理想狀態下，電流參考值為x_d1＝I_L0；當存在參數不確定或輸入電壓與負載發生變化時，調節電流參考值為：

x_d1＝(1+β)I_L0＝u_cpI_L0 (7)

其中β＝(k_p·e₂+k_I∫e₂dt)/x_d2，k_p是PI補償器的比例系數，k_I是PI補償器的積分系數，e₂＝x₂-x_d2，x_d2為輸出電壓參考值。

優選的，所述二階電子變化器包括Boost變換電路，根據電路基本規律得到Boost變換器的動態方程為：

其中x＝[x₁ x₂]^T＝[i_L v_C]^T，i_L為電感電流值，v_C為輸出電壓值，A_i、b_i分別為系統矩陣和輸入矩陣，當設置子系統個數m＝3時，則n_x＝2，i＝1,2,3，U＝E，E為輸入直流電源電壓值，則有以下三個模式：

模式1：Boost變換電路開關S閉合，此時系統矩陣和輸入矩陣分別為：

模式2：Boost變換電路開關S斷開，同時電感電流i_L大于0，此時系統矩陣和輸入矩陣分別為：

模式3：Boost變換電路開關S斷開，同時電感電流i_L等于0，此時系統矩陣和輸入矩陣分別為：

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發明的保護范圍。