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附录A 外文译文

多电飞机电力电子技术综述

摘要

在多电飞机（MEA）中，大多数液压和机械部件都被电气部件所取代，从而使飞机更可靠、更轻。 此外，它还显著节省了燃飞机电气化领域的研究可分为飞机推进系统、发电系统、配电系统、电力电子系统、驱动系统、功率流和能量管理、电能质量和稳定性问题。本文综述了更多电动飞机交流和直流配电结构中的电力电子系统。

关键词：多电飞机（MEA），电力电子转换器，配电架构

1. 简介

飞机质量、燃油消耗和环境影响是航空领域最重要的问题之一。在每次飞行中节省1公斤的质量，可以使所有空中交通每年节省约1700吨燃油，减少5400吨二氧化碳排放[1]。 飞机的电气化对于减少质量、油耗和环境影响以及电力和能源管理非常有帮助。此外，通电可以提高可靠性，因为可以更容易、更快地隔离故障。多电飞机（MEA）的另一个优点是，在靠近负载的地方发电和配电具有灵活性。由于发电和消耗之间的距离较短，这可能导致配电系统效率的提高和导体额定功率的降低。由于设备额定值较低，这可能会导致质量降低、燃油和成本节约[2]。此外，电力电子转换器是MEA配电系统的重要组成部分，可以在最佳工作点运行电机，因为电机产生的扭矩可以由电力逆变器适当控制 [3]。

在多电飞机中，发动机负责提供信任并驱动发电机轴。这种飞机中的电源由集成启动发电机（ISG）提供，并且由发电机控制单元（GCU）控制。此外，还有一个辅助动力装置负责在飞机在地面以及在某些情况下（如紧急情况下）供电。

电池负责提供负载的瞬态功率、获取再生功率、提供应急电源、提供额外功率以平衡发动机驱动的交流发电机的整流直流功率，并协助为发动机启动提供电源[4]。MEA的主要部件和负载是电静液压执行器（EHA）、机电执行器（EMA）、环境控制系统（ECS）、主机启动系统（MES）和车载惰性气体生成系统（OBIGGS）。EHA用于副翼和升降舵的飞行控制[5]，EMA用于制动，ECS通过调节座舱温度和压力实现乘客舒适。MES用于主机发电机作为电机启动发动机。车载惰性气体生成系统用于向飞机油箱中注入氮气，以防止油箱中的静电积聚导致任何类型的爆炸，从而导致油箱中各种系统发生意外电弧，并导致灾难性事件[2]。其他MEA负载包括除冰系统、航空电子设备、酒店负载（电视和娱乐系统）、照明和厨房负载（冰箱、烤箱和咖啡机）。

本文的重点是为MEA中的直流和交流母线和负载供电的电力电子系统。首先，将概述MEA的配电架构。然后，对航空工业中适用的各种AC/AC、AC/DC、DC/DC和DC/AC功率变换器拓扑进行分类和研究。

2. 多电飞机电力系统结构

本文从发电和配电的角度对MEA电力系统结构进行了分类：发电机轴的转速及其输出电压的频率是发电和配电分类的主要参数。

2.1发电架构

根据发电机轴转速，多电飞机发电系统可分为恒速/恒频（CSCF）和变速/变频（VSVF）。恒速/恒频（CSCF）：在这种结构中，发电机通过称为恒速驱动（CSD）的机械驱动装置连接到主机，以保持机械速度恒定。因此，飞机电动客车上的电气频率也将是恒定的；变速/变频（VSVF）：在这种结构中，主机和发电机之间没有任何连接。因此，总线频率根据发动机转速成比例地变化，并且取决于发动机和飞机类型，频率可以在350和800 Hz之间变化。发电机的输出电压可以在发电机之后立即转换为恒频AC或DC电压，也可以在靠近电力负载的不同位置转换为恒频AC或DC电压。该系统的主要优点是更好的起动器/发电机系统。其他优势包括：更高的可靠性、更低的重复成本和更短的任务周期[6]。此外，与CSCF相比，CSD安装在靠近发动机的位置，而电力电子转换器可以安装在靠近发动机或负载的位置。这使得飞机重量分布得到优化[7]。

2.2配电架构

根据发电机输出电压的频率，多电飞机配电系统可分为以下三种结构：

1、恒定频率分布：恒定频率可以从CSCF架构的输出或连接到VSVF架构中发电机输出的AC/AC变频器的输出提供。AC/AC变频器将VSVF的可变频率转换为恒定频率。这种结构的缺点是，变频器必须处理所有产生的功率，因此必须具有全功率额定值和高可靠性，以达到飞机所需的安全水平[8]。此外，一些主要的飞机负载，如执行器，需要电力电子转换器，因为它们需要在变速下工作。因此，需要在负载附近安装额外的转换器。图1示出了具有CSD的恒定频率分布的示例。如图所示，该系统的频率为400Hz，配电电压可能为115V或230V；28V直流总线用于航空电子设备负载。

图1 恒定频率分布 图2.变频分布

1. 变频分配：在这种架构中，来自VSVF的变频电压在没有任何接口的情况下分配，并根据负载和负载位置转换为所需的交流或直流电压。该体系结构的可靠性更高，因为系统中有许多分布式电力电子转换器，允许设计更冗余的系统，以避免任何单点故障[8]。该系统的另一个优点是不需要额定功率与发电机相连的转换器[9]。然而，如果由变频交流母线供电，辅助电机（如泵和风扇电机）会显著变大[10]。另一方面，一些飞机负载，如机翼冰保护、厨房烤箱和货物加热器，对频率不敏感，因为它们大多是电阻负载。因此，它们可以直接连接到变频总线，而无需功率转换器[11]。图2显示了可变频率分布的示例。从图中可以看出，配电频率为350Hz-800Hz，电压可为115V或230V。在这种架构中，从变频总线到直流的交流转换由自动变压器整流器单元（ATRU）和变压器整流器单元（TRU）完成，分别提供270VDC和28VDC。
2. 直流分布： 该架构中的分布式直流电压由交流/直流整流器提供，该整流器将发电机输出的变频电压转换为270V直流电，在航空工业中称为高压直流输电。在这种架构中，主电源和存储设备之间的耦合更容易实现，配电网络的总体质量低于其他架构[1]。此外，当导体中的集肤效应是一个问题时，以及当增加储能装置的数量时，在将来需要的时候这是一个更好的选择。

此外，直流系统只需两根电缆即可传输电力，从而减少了电力转换器的数量和所需的电缆绝缘[13]。不利的一面是，这种架构中最重要的问题是安全和系统故障，这可能是由电晕效应和绝缘击穿引起的[7]。此外，在这种架构中，必须考虑电能质量和稳定性问题。图3显示了270 HV直流配电系统。如图所示，28 V直流电通过DC/DC转换器提供，该转换器必须是双向的。

GEN

APU

GEN

CB4

CB3

CB5

115 V/230 VAC

350-800 Hz Bu

CB1

CB2

AC

AC

DC

DC

270 VDC Bus

CB7

To 270VDC Loads

DC

DC

Battery DC

Bank

DC

DC

AC

DC

DC

DC

AC

28 VDC Bus

CB8

To 28VDC Loads

115 V/ 230 VAC 400 Hz Bus

CB6

To Constant Frequency Loads

图3. 直流分布

在下一节中，将对适用于航空工业的最新电力电子转换器拓扑进行分类和讨论。

3. 多电飞机电力电子转换器

根据配电结构，多电飞机电力系统中有不同的功率转换阶段。这些可以概括为以下几点。

在恒定频率分布中：

• 交流/直流转换：(115V or 230V) 400Hz 交流 / 28V 直流

在变频分布中：

• AC/AC转换：(115V or 230V) 350Hz-800Hz交流/ (115V or 230V) 400Hz 交流
• AC/DC转换：(115V or 230V) 350Hz-800Hz交流/28V 直流(由变压器整流器单元（TRU）提供)
• AC/DC转换：(115V or 230V) 350Hz-800Hz交流/270V 直流(由自耦变压器整流装置（ATRU）提供)

在直流分配中：

• AC/DC转换：(115V or 230V) 350Hz-800Hz交流/270V 直流
• DC/AC转换： 交流电压和频率取决于负载
• DC/DC转换： 270V 直流/ 28V 直流

3.1 交流变频转换

有两种类型的AC/AC转换系统：如果交流电源通过直流链路间接转换为直流电，则称为间接转换，如果中间链路中没有储能元件，则称为直接转换。用于多电飞机应用的AC/AC转换系统应具有正弦输入和输出、低谐波含量、双向功率流、无庞大的中间链路和高功率因数[14]。背靠背转换器是用于AC/AC转换的间接类型。这种拓扑结构有一个庞大的直流链路电容器，这会缩短设备的寿命，增加设计复杂性，降低系统效率[14]。因此，直接AC/AC转换提供了更好的功能。多电飞机中有两种适用于直接AC/AC转换的主要拓扑。这些是交交变频器和矩阵变频器。

交变频器：交变频器通过开关电路直接从发电机稳定交流母线的频率和电压。单级转换、可在可变负载下工作以及可在两个方向上产生功率是交变频器的主要优点。对他们不利的是，根据输入电压的频率，他们有笨重的输出滤波器。此外，连接到交交变频器输入端的发电机必须产生大约两倍所需功率[15]。

矩阵变换器（MC）：这种拓扑结构提供直接能量转换，中间链路中没有任何储能元件。如图4所示，三相MC有九个双向半导体开关，它们排列在一个三乘三矩阵中。这种变换器只需要小的滤波器就可以降低开关纹波。其优点是具有正弦输入和输出、双向功率流、高功率密度、长寿命和可控功率因数[15]。

图4. 矩阵变换器

除上述配置外，在[16]中还介绍了一种具有积分直流输出的单输入双输出间接矩阵变换器。这种配置可以提供正弦输入/输出、零电流和平衡三相电压，结构紧凑。

3.2 交直流转换

电流隔离、复杂性、可靠性、EMI滤波、损耗、散热器温度、中性点控制、总重量以及二极管和晶体管的数量是多电飞机中交直流电转换系统必须考虑的一些主要参数。多电飞机应用中最简单的三相整流器是六脉冲整流器。这种配置会产生较大的电流谐波失真，不符合多电飞机的电流谐波和功率因数要求。适用于变频配电系统的其他配置包括变压器整流器单元（TRU）和自耦变压器整流器单元（ATRU）。TRU需要为28VDC母线供电，ATRU需要为变频配电中的270VDC母线供电。在多电飞机应用中，通常首选12或18脉冲配置。TRU的主要优点是电流隔离。然而，ATRU中不提供电流隔离。

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