航空发动机多电控制系统源-网-荷架构与关键技术

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30689

综述

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航空发动机多电控制系统源-网-荷架构与关键技术

孔武斌¹^,²(), 刘迪¹^,², 范兴纲¹^,², 裴雪军¹^,², 郝圣桥¹^,²^,³, 崔颖⁴, 马前容⁴, 李大伟¹^,², 方海洋¹^,², 俞珏¹^,³, 程颐¹^,³, 陈文娟¹^,⁵, 罗飞腾¹^,⁵

^1.电能高密度转换全国重点实验室，武汉 430074
^2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉市 430074
^3.中国航发控制系统研究所，无锡 214000
^4.太行实验室，成都 610000
^5.华中科技大学航空航天学院，武汉 430074

收稿日期:2024-05-16 修回日期:2024-06-05 接受日期:2024-08-05 出版日期:2024-08-21 发布日期:2024-08-20
通讯作者: 孔武斌 E-mail:wubinkong@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(52377050)

Source-grid-load architecture and key technologies of aero-engine multi-electrical control system

Wubin KONG¹^,²(), Di LIU¹^,², Xinggang FAN¹^,², Xuejun PEI¹^,², Shengqiao HAO¹^,²^,³, Ying CUI⁴, Qianrong MA⁴, Dawei LI¹^,², Haiyang FANG¹^,², Jue YU¹^,³, Yi CHENG¹^,³, Wenjuan CHEN¹^,⁵, Feiteng LUO¹^,⁵

^1.State Key Laboratory of High Density Electrical Energy Conversion，Wuhan 430074，China
^2.School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
^3.AECC Aero Engine Control System Institute，Wuxi 214000，China
^4.Taihang Laboratory，Chengdu 610000，China
^5.School of Aerospace Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

Received:2024-05-16 Revised:2024-06-05 Accepted:2024-08-05 Online:2024-08-21 Published:2024-08-20
Contact: Wubin KONG E-mail:wubinkong@126.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52377050)

摘要/Abstract

摘要：

航空发动机引入多电技术作为其新特征，优化了系统多元能量架构，显著提升了系统可维护性和可靠性，是目前多电航空研究领域的核心组成部分。随着发电系统从百千瓦级跃升至兆瓦级，高功率、高集成度的多节点配电系统以及包括大功率泵类作动类等装置在内的用电系统共同构成了复杂的多电控制系统。针对该系统具有多节点、动静态变化叠加的特性，以及面临不同应用环境下的挑战，结合电气化基础，首先对航空发动机多电控制系统进行了源-网-荷架构的划分，并详细阐述了源、网、荷系统的基本概念、组成特点和挑战。然后，对源-网-荷一体化系统进行了提炼，综合分析了轻量化高可靠电机技术、电能变换拓扑与电机驱动控制、多节点微网组网与控制研究以及电磁兼容建模分析与抑制方法等4个关键技术的研究现状。最后，对源-网-荷系统发展趋势和多位一体的架构布局进行了总结和展望，以促进航空发动机多电控制系统加快发展。

关键词: 多电技术, 电气化, 多电控制系统, 源-网-荷, 电机, 驱动控制, 多节点微电网, 电磁兼容

Abstract:

The aero-engine， with the multi-electric technology as its new feature， optimizes the system’s multiple energy architectures and significantly improves system maintainability and reliability， which is now a core component of the multi-electric aero-engine research field. As the power generation system jumps from the hundred kW level to the MW level， the high-power， highly integrated multi-node power distribution system and the power-using system including high-power pumps and actuators together constitute a complex multi-electric control system. This system is characterized by multi-nodes and superposition of dynamic and static changes， and is facing the challenges in different application environments. Based on the electrification foundation， this paper firstly classifies the source-grid-load architecture of the aero-engine multi-electrical control system， and elaborates on the basic concepts， compositional characteristics， and challenges of the source， grid， and load systems. Then， the source-grid-load integrated system is analyzed， and the research status of four key technologies， the lightweight and high-reliable motor technology， power conversion topology and motor drive control， multi-node microgrid networking and control research， and electromagnetic compatibility modeling analysis and suppression methods， is comprehensively analyzed. Finally， the development trend of source-grid-load system and the layout of multi-position architecture are summarized and the prospects are discussed to promote the development of aero-engine multi-electrical control system.

Key words: multi-electric technology, electrification, more-electric control system, source-grid-load, motor, drive control, multi-node microgrid, electromagnetic compatibility

中图分类号:

孔武斌, 刘迪, 范兴纲, 裴雪军, 郝圣桥, 崔颖, 马前容, 李大伟, 方海洋, 俞珏, 程颐, 陈文娟, 罗飞腾. 航空发动机多电控制系统源-网-荷架构与关键技术[J]. 航空学报, 2025, 46(2): 30689.

Wubin KONG, Di LIU, Xinggang FAN, Xuejun PEI, Shengqiao HAO, Ying CUI, Qianrong MA, Dawei LI, Haiyang FANG, Jue YU, Yi CHENG, Wenjuan CHEN, Feiteng LUO. Source-grid-load architecture and key technologies of aero-engine multi-electrical control system[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(2): 30689.

图/表 22

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表1

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

用电系统	电压等级	用电功率/kW
环控增压系统	270 VDC	320
液压系统	270 VDC	40
冷却装置	270 VDC	40
环控风扇	270 VDC	32
防冰系统	230 VAC	60
厨房	230 VAC	120
燃油泵	230 VAC	32
前货舱	230 VAC	60
综合通讯系统ICS	115 VAC	40
各种交流负载	115 VAC	140
飞控系统	28 VDC	14
各种直流负载	28 VDC	20

电机类型	研究单位/公司	功率/kW	功率密度/（kW·kg^-1）	冷却方式	效率/%
EMRAX 348	EMRAX	210	5.1	风冷水冷	95
SP260-DA	Siemens	260	5.9	油冷	95
Magni 650-EPU	Magnix	560	2.8
Air cooled PM	Illinois Univ.	1 000	13		96
HEMM	NASA	1 400	16		96
SP2000D	Siemens	2 000	7.7	水冷
IM	Ohio Unv.	2 700	13		96

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航空发动机多电控制系统源-网-荷架构与关键技术

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飞控系统	28	50	80
环控系统	10	10	40
滑行系统	20	5	30
气动系统	2	15	30
起动发电机	6	125	125/通道
燃油泵	10	9	35
其他	10	1	20