前言
随着智能电网的发展，分布式发电成为关键技术。分布式发电比传统的集中发电和长途高压运输具有明显的优势，但一旦连接到电网，对电网的影响就更大。本文提出了适用于航空电子快速发展的分布式电源解决方案，详细介绍了分布式电源的总体体系结构和特点，然后以直流28V电源为例总结了分布式电源的设计过程和实现方法。
1分布式电源概述
智能电网的核心是建设具有智能判断和自动调整能力的智能电网系统,将多种电源集成到电网和分布式管理中,优化配电和能源利用,提高电网运行和能源利用的可靠性。分布式电源是一个位于用户附近的发电项目,可以现场使用,以低于10千伏的电压水平连接到电网,总装机容量不超过6兆瓦。分布式电源由于靠近充电中心而被广泛使用,从而减少了电网扩展的需要,提高了电源的可靠性。大量分布式电源在中低压配电网络上并联运行,完全改变了配电系统传统单向电流的特性。原有的系统保护程序已经不能满足要求,新的保护程序、电压控制和仪表可以满足系统的稳定性。通过自动控制系统,这些分布式能源与电网无缝连接,并以协调的方式运行,以满足电力系统和用户的特定要求。分布式电源为系统的运行提供了极大的灵活性。例如,在极端天气条件下,当大型电网严重受损时,这些分布式电源可以形成岛屿或微电网,为医院,交通枢纽,广播电视等重要用户提供应急电源。
分布式电源作为直接放置在用户附近的电源解决方案,与传统的发电厂相比具有独特的优势:(1)提高了电网的可靠性:分布式电源可以作为不间断电源用户的备用电源,提高了电网的可靠性。同时,当传统电网出现大规模短路时,由于分布式供电的独立性,可以脱离电网,依靠形成的岛屿继续供电。(2)缓解能源危机,保护环境:目前,燃煤发电仍是主要的发电方式,不仅消耗大量能源,而且污染环境。分布式能源使用清洁能源,太阳能和风能是取之不尽、用之不竭的清洁能源,减少了对能源的依赖。
2航空电力电子设备性能概述
在20世纪60年代之前,为了评估飞机的性能,通常需要介绍飞机机身的空气动力学特性和发动机的特性,如飞机长度,最大马赫数,巡航时间,负载,发动机推力,燃油消耗等。我们很少谈论飞机的性能。飞机上为数不多的通信和雷达设备还无法确定飞机的战斗和运输性能。近几十年来,飞机机身和发动机的全面发展提高了航空电子的性能,国家水平逐渐接近。电子技术和微电子技术的发展相对较快。在短短几十年间,电子管、半导体、中等规模集成电路、大规模集成电路迅速发展成为现代大规模集成电路。飞机设备也将更新。随着航空电子设备容量和性能的增加,飞机上的电子设备数量从几个增加到十几个,几十个或几百个。由这些设备组成的系统大大提高和提高了飞机的运行性能和运输经济效益,因此航空电子设备的性能在飞机性能中发挥着越来越重要的作用。今天,在评估飞机性能时,除了飞机的性能和起飞价格外,还需要仔细评估飞机的型号和性能。换句话说,相同的飞机和发动机,不同的航空电子设备,作战能力和运输能力是完全不同的。传统的飞机设计主要分为气动形状、结构阻力和发动机三大要素,现代飞机设计还必须考虑按照系统工程设计航空电子一体化系统,进行大量的硬件和软件开发工作。复杂的航空电子设备的开发周期一般为10年,比7年飞机的开发周期长得多。为了协调航空技术的现代化,世界各国都投入了大量的人力和财力,对航空进行长期的科学研究,以开发,设计和生产各种性能优良的飞机来装备飞机。
3分布式电源的构架及优势
分布式电源比集中式电源具有明显的优势。第一，在分布式电源系统中，负载板和点负载可实现最接近的电源配置，即POL点电源。由于负载点电源传输线路已大大减少，因此该线路造成的电压损失和干扰将降至最低。第二，远距离传输的IBV电压一般较高，不需要像电压5V和3.3V那么大的传输电流，因此传导和辐射干扰可以在一定程度上减少，而较小的电流将减少电路损耗和热量，多氯联苯的布线尺寸将。第三，由于每个点负载都使用其自己的电源电压，因此电压波动不会从根本上影响其他负载点的电源特性。第四，集中供电会集中热量，需要较大的散热器。但是，分散式电源供应器会产生分散的热能，因此每个负载点的耗电量都很低，有助于散热。基本上不需要冷却冷盘，这对于减少体积和重量非常有益。第五，设备级分布式电源(通常是单芯片集成电路)的可靠性等级高于模块化电源，因此系统可靠性高。单个电源出现故障时，除短路外，不会影响其他电源和负载。第六，分布式电源基于零位概念，根据功能将电源分成较小的单元，并根据需要形成电力系统，因此系统易于扩展和升级，电源和系统的标准化和循序设计也有助于最后，分布式电源的单部件集成电源在体积、重量和成本方面也优于模块化电源。简而言之，分布式电源在现阶段比集中电源更适合空气动力技术的发展趋势。
4分布式电源的设计方案
4.1方案介绍
飞行控制计算机、移动式管控制器和惯性导航系统等电气和航空设备的电流电压见表1。三个系统的一次电源为28V，二次电源要求相同。第3层PSU是每个负载卡的PSU，可能会因功能而异。每个系统所需的最大电压为15Vc。因此，将IBV直流母线电压设定为18V是适当的。分布式电源的设计必须首先考虑接地导体的绝缘。虽然飞机电气系统的地线最终在某一点上与飞机外壳共享，但每个电子系统的电源和信号站最终将与外壳的地线共享。但是，在设计子系统时，其自身系统中的电源地线通常与机载电源地线隔离，从而消除了系统之间的干扰。因此，分布式电源的部署方式有两种:首先是稳定电源，然后是独立电源，最后是稳定电源。电压调节器和VTM共同构成完整的直流电源模块。相反，分布式电源方案的核心部分反映了分布式电源的中心思想，即把直流电源模块分为电压稳定单元和隔离单元两部分，以便能够根据需要灵活地安排这两个单元的位置。在这两种情况下，关键是实现VTM，我们可以称之为DC变压器。
4.2方案的特点
第一种方案的特点是:IBV之前的电压调节器和IBV之后的VTM隔离电压转换器，即前一个调节器产生的调整IBV中间条形电压、VTM在负载板上产生每个负载所需的电压，或者VTM首先转换电源在这种情况下，前调压器转换的IBV为稳定电压，空载板的电压和电流相对稳定，干扰较低，后极充电点电源设计简单。但是，由于调压器位于前端，且距离负载比较远，因此需要高性能。背面VTM由于其内部的独立传输变压器，体积较大，不适合作为极点直接给终端供电。
第二种方案的特点是在IBV之前采用VTM隔离电压转换器。VTM会产生IBV主汇流排的不稳定电压，然后将电压调节器放置在负载板上，以产生每个负载所需的电压。一种非绝缘后控制器、相对简单的电路、小型集成电路、占用的印刷电路板面积小，适用于在需要多个电源的负荷板上用作极点负荷点电源。VTM功能强大，足以放在前面。同时，地线正面隔离，不会干扰背板上的内置电源。该方案的缺点是IBV总线电压不稳定，根据输入机电源电压波动而变化，同样，充电卡上存在电源电压波动，可能会造成一定程度的干扰。
因为第二种方法是在绝缘后保持电压，充电点的后调节器和电源位于充电板上。两个电源均为非隔离开关电压稳定结构，因此终端负载电源可以实现单次转换。总体比较表明，第二种备选办法较为有利，而且通常是可取的，但有时可能更适合空运系统的不同特点和要求，以及设计的各方面的制约和平衡。简而言之，分布式电源的优点之一是配置灵活，可在需要时完全隔离，并可根据系统需求在需要时稳定运行。
4.3中间母线电压IBV的设计考虑
在第二种情况下,IBV不是稳压,因此其中心值定义为相应的28V输入值。如上所述,假设临时IBV值为18V,则比率系数K=0.64。可以看出,在GJB181A规定的所有28V直流电源系统的电压范围内,IBV值范围为11至32V(无论0V状态如何),输入比为3:1,适用于大多数情况。同时可以看到,即使在50V过载的情况下,IBV值也仅为32V,可以完全消除前置单元中的过载抑制器,从而进一步简化设计,提高可靠性,减小体积和重量。
4.4方案的实现
分布式能源的实施得益于全球电子工业技术的迅速发展。磁电子元件集成技术的创新和成熟使单一电源元件集成产品成为可能。VICOR公司的六芯片集成芯片可以形成一个实现中间总线电压的总线转换单元。能够做到这一点的芯片有PRM、BCM和VTM。但是，VTM输入电压范围的底部不足以满足28V板载电源范围。因此，需要添加电压调节器以增加输入电压，例如PRM或wacketBCM，或者直接设计VTM。由于PRM和BCM对于大多数航空电子系统来说过于强大且相对较大，因此线性、intersil和it等公司提供的单部件电源可用作后方稳压器和POL电源。VICOR和线性产品满足GJB181A直流28V电源系统的要求，以及飞行控制和惯性导航系统的直流电源要求。
结束语
本文提出了一种替代传统集中供电的新型分布式供电方法。以直流28V控制器为例，该控制器概述了设计分布式电源方案的方法和过程。根据对本文的分析，分布式电源明显优于集中电源，可以适应现阶段航空和电力技术的快速发展趋势。
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