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WO2025062033A1 - Système et procédé de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d'un aéronef - Google Patents

Système et procédé de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d'un aéronef Download PDF

Info

Publication number
WO2025062033A1
WO2025062033A1 PCT/EP2024/076616 EP2024076616W WO2025062033A1 WO 2025062033 A1 WO2025062033 A1 WO 2025062033A1 EP 2024076616 W EP2024076616 W EP 2024076616W WO 2025062033 A1 WO2025062033 A1 WO 2025062033A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrical
aircraft
power
corrector
setpoint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/076616
Other languages
English (en)
Inventor
Geoffrey BEGGIORA
Quentin MAUVIEL
Marc BUFFO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electrical and Power SAS filed Critical Safran Electrical and Power SAS
Publication of WO2025062033A1 publication Critical patent/WO2025062033A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of DC sources
    • H02J1/102—Parallel operation of DC sources being switching converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D2221/00—Electric power distribution systems onboard aircraft
    • H02J2105/32—

Definitions

  • the present invention relates to an electrical generation system for an aircraft.
  • an electrical generation system 100 configured to take, on the one hand, mechanical energy from a low pressure shaft BP and, on the other hand, mechanical energy from a high pressure shaft HP of an aircraft turbomachine T to supply an electrical network of the aircraft REA with a calibrated distribution voltage.
  • the electrical generation system 100 comprises at least two supply paths, here, a BP path and an HP path.
  • the electrical generation system 100 can also be connected to electrical sources BAT or electrical loads LOAD.
  • the electrical generation system 100 is configured to receive a generation instruction P ECU from an ECU computer of the turbomachine T.
  • This generation instruction P ECU makes it possible to determine, for example, the quantity of electrical power to be generated, the mechanical draw on each shaft, etc.
  • the generation instruction P ECU makes it possible to determine the hybridization strategy chosen.
  • the electrical generation system 100 comprises two generators G1, G2 connected respectively to the low pressure shaft BP and to the high pressure shaft HP of the turbomachine T.
  • the electrical generation system 100 further comprises two converters C1, C2, in particular inverters, which are respectively associated with the two generators G1, G2.
  • Each generator G1, G2 generates an alternating current which is then rectified by its converter C1, C2 to provide a distribution voltage V DC to an electrical distribution unit EDU which is electrically connected to the electrical network of the aircraft REA, to the electrical sources BAT or to the electrical loads LOAD.
  • each converter C1, C2 can also convert the direct voltage V DC to supply alternating current respectively to the two electric machines G1, G2 in order to inject power.
  • the generator function For an engine function, the ECU provides an injection setpoint P ECU to determine, for example, the injection of mechanical power on each shaft, etc.
  • the hybridization system is bidirectional to allow the generation of electrical power but also the injection of mechanical power.
  • each converter C1, C2 comprises a plurality of switches, in particular power transistors, which make it possible to modify the electrical power generated and the electrical power taken by each generator G1, G2 on each shaft BP, HP.
  • the electrical generation system 100 comprises a control device 200 for transmitting parameter setting instructions P CONS1 , P CONS2 to each converter C1, C2 as a function of the generation instruction P ECU so as to obtain a distribution voltage V DC which is adapted to the electrical distribution unit EDU.
  • paralleling converters C1, C2 must be done with appropriate control laws to ensure the quality of the electrical network and the control of power sharing.
  • Several voltage control strategies can be applied.
  • a centralized control strategy is known, in which the control of the various electrical devices is carried out by a single voltage control loop.
  • this strategy does not allow independent control of each electrical converter C1, C2.
  • the invention thus aims to eliminate at least some of these drawbacks in order to obtain independent control of several electrical supply channels.
  • the invention advantageously prevents divergence of the regulating units without communication between the power supply channels, and thus allows stable independent control without static error of each power supply channel.
  • the divergence indicator is determined from the comparison between the gradient of the power setpoint and a predetermined gradient threshold.
  • the determined gradient threshold allows the sensitivity of the reset to be adjusted.
  • a time variation limitation is applied to the power setpoint based on a predetermined gradient threshold in order to determine a threshold value.
  • the divergence indicator is determined from the comparison between the power setpoint and the threshold value. This divergence indicator activates the reset of the integral corrector.
  • the predetermined gradient threshold makes it possible to adjust the sensitivity of the reset.
  • control unit comprises a proportional corrector.
  • the regulation unit comprises a derivative corrector.
  • the integral corrector and the proportional corrector are connected in cascade. In another aspect, the integral corrector and the proportional corrector are connected in series.
  • the control units can be freely determined. This advantageously allows them to be adapted according to the requirements.
  • the invention also relates to an electrically hybridized turbomachine comprising an electrical generation system as presented previously.
  • the invention also relates to an aircraft comprising at least one turbomachine as presented previously.
  • the invention also relates to a computer program type product, comprising at least one sequence of instructions stored and readable by a processor and which, once read by this processor, causes the steps of the method as presented previously to be carried out.
  • the invention further relates to a computer-readable medium comprising the computer program product as presented above.
  • an electrical generation system 1 for an aircraft comprises a turbomachine T comprising a low pressure shaft LP and a high pressure shaft HP.
  • the turbomachine T comprises a low pressure compressor 71 and a low pressure turbine 74 which are connected by the low pressure shaft LP and a high pressure compressor 72 and a high pressure turbine 73 which are connected by the high pressure shaft HP.
  • the electrical generation system 1 is configured to draw, on the one hand, mechanical energy from the low pressure shaft BP and, on the other hand, mechanical energy from the high pressure shaft HP to supply an electrical network of the aircraft REA with a calibrated voltage.
  • the electrical generation system 1 can also be connected to electrical sources BAT or electrical equipment to be supplied LOAD.
  • the electrical generation system 1 more generally allows electrical hybridization to allow power to be taken from or injected into the turbomachine T.
  • the electrical generation system 1 is configured to receive a generation setpoint P ECU from an ECU computer of the turbomachine T.
  • This generation setpoint P ECU makes it possible to determine, for example, the quantity of electrical power to be generated, the mechanical draw on each shaft, etc.
  • the generation setpoint P ECU makes it possible to determine the hybridization strategy chosen.
  • the generation setpoint P ECU is in the form of a power setpoint called “Setpoint PS” or a power sharing setpoint called “Mode PS”.
  • the electrical generation system 1 comprises two generators G1, G2 connected respectively to the low pressure shaft BP and to the high pressure shaft HP of the turbomachine T.
  • the electrical generation system 1 comprises a first supply path V1 and a second supply path V2 which are, in this example, independent.
  • the first supply path V1 is associated with a power draw from a low pressure LP shaft while the second supply path V2 is associated with a power draw from a high pressure HP shaft. It goes without saying that the reverse is also possible.
  • the generators G1, G2 are preferably electrical machines capable of operating in a generator mode or motor mode.
  • each electrical machine comprises a rotor secured to a rotating shaft (here a LP shaft or an HP shaft) and a stator comprising windings so as to generate three-phase alternating currents.
  • a rotating shaft here a LP shaft or an HP shaft
  • a stator comprising windings so as to generate three-phase alternating currents.
  • the speed and angular position of each generator G1, G2 are available.
  • the structure and operation of such an electrical machine are known and will not be presented in further detail.
  • the electrical generation system 1 comprises an electrical distribution unit EDU which is electrically connected to the electrical network of the aircraft REA, to the electrical sources BAT or to the electrical loads LOAD.
  • Each converter C1, C2 provides a distribution voltage V DC to the power distribution unit EDU.
  • the power distribution unit EDU has a voltage bus.
  • each converter C1, C2 comprises a plurality of switches, in particular transistors, which make it possible to modify the electrical power generated and the mechanical power taken from each BP, HP shaft to adapt the distribution intensity according to requirements.
  • the electrical generation system 1 comprises a control device 2 configured to determine a first parameter setting P CONS1 for the first converter C1 and a second parameter setting P CONS2 for the second converter C2.
  • each parameter setting instruction P CONS1 , P CONS2 is in the form of a pulse width modulation (PWM) signal.
  • PWM pulse width modulation
  • the control device 2 comprises a first processing unit 22a configured to determine a first parameter setting setpoint P CONS1 for the first converter C1 from a first power setpoint P BP* .
  • the control device 2 comprises a first regulation unit 21a configured to determine the first power setpoint P BP* as a function of a distribution voltage setpoint V DC* and a measurement of the distribution voltage V DC .
  • the first regulation unit 21a is also configured to receive the generation setpoint P ECU , and to determine from the latter the first power setpoint P BP* ; this latter aspect being known to those skilled in the art, it will not be presented subsequently.
  • the control device 2 also comprises a second processing unit 22b configured to determine a second parameter setting setpoint P CONS2 for the second converter C2 from a second power setpoint P HP* .
  • the control device 2 comprises a second regulation unit 21b configured to determine the second power setpoint P HP* as a function of a distribution voltage setpoint V DC* and a measurement of the distribution voltage V DC .
  • the second regulation unit 21b is also configured to receive the generation setpoint P ECU , and to determine from the latter the second power setpoint P H P* ; this latter aspect being known to those skilled in the art, it will not be presented subsequently.
  • the electrical generation system 1 does not comprise a control device 2, and the first regulation unit 21a and the first processing unit 22a are combined in the first converter C1, while the second regulation unit 21b and the second processing unit 22b are combined in the second converter C2.
  • first regulation unit 21a for determining the first power setpoint P BP* .
  • the second regulation unit 21b has a similar architecture and will not be presented subsequently. For the sake of clarity and conciseness, only the first regulation unit 21a will be presented.
  • the first regulation unit 21a comprises a comparator 4 configured to determine a difference ⁇ between the distribution voltage setpoint V DC* and the measurement of the distribution voltage V DC .
  • the first regulation unit 21a takes into account the generation setpoint P ECU to determine the first power setpoint P BP* .
  • the generation instruction P ECU will not be presented.
  • the first regulation unit 21a further comprises a correction module 5 which comprises a proportional corrector CP, having a proportional gain Kp, and an integral corrector CI having an integral gain Ki.
  • a correction module 5 which comprises a proportional corrector CP, having a proportional gain Kp, and an integral corrector CI having an integral gain Ki.
  • the integral corrector CI is configured to determine a correction parameter that is determined between an initial time t0 and a current time tx. As the correction is carried out, the correction parameter includes a static error that increases.
  • the integral corrector CI includes a reset module RAZ that is configured to reset the integral corrector CI.
  • the reset module RAZ is configured to determine the correction with respect to a new initial time t0' that corresponds to the current time tx determined when the reset is activated. This advantageously makes it possible to stop the integral effect of the corrector CI in certain cases in order to control the dynamics of the integral, to limit overvoltages and undervoltages of the distribution voltage Vdc and to eliminate instabilities between the converters C1 and C2.
  • the proportional corrector CP and the integral corrector CI are connected in series. According to another embodiment, shown in the , the proportional corrector CP and the integral corrector CI are mounted in parallel. This other embodiment will be presented later.
  • the correction module 5 could also include other correctors, in particular, a derivative corrector.
  • the correction module 5 only includes an integral corrector CI, that is to say, the correction module 5 is devoid of a proportional corrector CP.
  • the first regulation unit 21a also comprises a divergence determination module 3 configured to determine a divergence indicator M3, in particular a boolean, from the first power setpoint P BP* from the correction module 5.
  • the divergence determination module 3 is connected to the reset module RAZ.
  • the reset module RAZ is configured to activate based on the divergence indicator M3.
  • the divergence determination module 3 is configured to determine the divergence indicator M3 from a gradient GP BP* of the first power instruction P BP* .
  • the GP gradient BP* of the first power instruction P BP* represents the variation of the first power setpoint P BP* and is representative of the degree of correction and the risk of divergence.
  • the divergence determination module 3 is configured to determine the GP gradient BP* of the first power instruction P BP* and compare it to a predetermined gradient threshold S3.
  • the divergence determination module 3 comprises a saturation block 30 and a comparison block 31.
  • the saturation block 30 determines a threshold value vS from the first power setpoint P BP* by limiting its variation compared to its previous values, according to a predetermined gradient threshold S3. This threshold value vS is then compared with the first power setpoint P BP* by the comparison block 31, determining the divergence indicator M3 as positive if the two values are different. Indeed, if the value of the power setpoint P BP* has been limited by saturation block 30, this means that it has started to diverge and risks causing instability.
  • the divergence indicator M3 is equal to 1 in case of divergence and is equal to 0 in the absence of divergence.
  • the divergence determination module 3 comprises a control block 33 and a gradient determination block 32.
  • Gradient determination block 32 explicitly determines the gradient GP BP * of the first power instruction P BP* by calculation.
  • Control block 33 determines that the divergence indicator M3 is positive if the absolute value of the gradient GP BP * of the first power instruction P BP* is greater than the absolute value of the predetermined gradient threshold S3.
  • the divergence indicator M3 makes it possible to quickly and practically indicate that the power setpoint P BP * is being modified too quickly and that it may lead to a risk of instability.
  • the predetermined gradient threshold S3 is predetermined by calculation, statistically or by feedback.
  • He is represented at the a first embodiment of the first regulation unit 21a having a correction module 5 having a cascaded architecture.
  • a divergence is detected at the divergence instant t 3 .
  • the first power setpoint P BP* then follows in this embodiment a mathematical law of the form:
  • the initial time t 0 corresponds to the initialization time of the regulation unit 21a, 21b
  • the divergence time corresponds to the moment when the divergence indicator M3 indicated a divergence to the reset module RAZ.
  • the two converters C1, C2 can be controlled independently, in a decentralized manner and without the need to set up a communication link.
  • the resetting of the correction module 5, in particular of its integral corrector CI, during a divergence makes it possible to eliminate any risk of temporary instability in order to optimally generate energy for an aircraft.
  • the correction modules of the two correctors competed with each other.
  • the correction modules of the two correctors can be reset to zero at the same time without communication between them.
  • the correction modules will start again with stable values or even in some cases equal values by sharing control. This helps avoid instabilities. It also helps reduce voltage peaks by forcing the integral of the integral corrector CI to return to zero when the variation is too large. This allows the integral not to start overshooting significantly before having to change direction. This aspect helps reduce the time to reach the desired correction.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Un procédé de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d'un aéronef à partir d'un système de génération électrique, l'aéronef comprenant deux voies d'alimentation, chaque voie d'alimentation comprenant un convertisseur électrique et une génératrice électrique, le système électrique comprenant deux unités de régulation (21a) associées respectivement à chaque voie d'alimentation, chaque unité de régulation (21a) comprenant un module de correction (5) comprenant un correcteur intégral (CI), le procédé comportant des étapes consistant à, pour ledit module de correction (5) :déterminer une consigne de puissance (PBP*), à partir d'une consigne de tension de distribution (VDC*) et d'une mesure de la tension de distribution (VDC), déterminer un indicateur de divergence (M3) à partir d'un gradient (GPBP*) de la consigne de puissance (PBP*), et réinitialiser le correcteur intégral (CI) de l'unité de régulation (21a) de la voie d'alimentation en fonction de l'indicateur de divergence (M3).

Description

Système et procédé de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d’un aéronef
La présente invention concerne un système de génération électrique pour un aéronef.
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers Etats. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’aéronefs mais aussi à ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des aéronefs. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des aéronefs.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent notamment sur de nouvelles générations de moteurs d’aéronef hybrides thermiques et électriques. L’objectif de la Déposante est notamment de développer des aéronefs intégrant un système de génération électrique de forte puissance. Ceci permettrait d’augmenter la part des équipements électriques à bord afin de réduire la consommation de carburant.
En pratique, dans une turbomachine d’aéronef classique, il est connu d’intégrer un générateur électrique qui prélève de l’énergie mécanique sur un unique arbre de la turbomachine d’aéronef pour produire de l’énergie électrique qui est distribuée à une unité de distribution d’énergie électrique.
Pour augmenter la génération d’énergie électrique, en référence à la , il a été proposé un système de génération électrique 100 configuré pour prélever, d’une part, de l’énergie mécanique sur un arbre basse pression BP et, d’autre part, de l’énergie mécanique sur un arbre haute pression HP d’une turbomachine d’aéronef T pour alimenter un réseau électrique de l’aéronef REA avec une tension de distribution calibrée. Autrement dit, le système de génération électrique 100 comporte au moins deux voies d’alimentation, ici, une voie BP et une voie HP. Le système de génération électrique 100 peut être par ailleurs relié à des sources électriques BAT ou des charges électriques LOAD.
En pratique, le système de génération électrique 100 est configuré pour recevoir une consigne de génération PECU issue d’un calculateur ECU de la turbomachine T. Cette consigne de génération PECU permet de déterminer, par exemple, la quantité de puissance électrique à générer, le prélèvement mécanique sur chaque arbre, etc. Autrement dit, la consigne de génération PECU permet de déterminer la stratégie d’hybridation retenue.
En référence à la , le système de génération électrique 100 comporte deux génératrices G1, G2 reliées respectivement à l’arbre basse pression BP et à l’arbre haute pression HP de la turbomachine T. Le système de génération électrique 100 comporte en outre deux convertisseurs C1, C2, en particulier des onduleurs, qui sont respectivement associés aux deux génératrice G1, G2. Chaque génératrice G1, G2 génère un courant alternatif qui est ensuite redressé par son convertisseur C1, C2 pour fournir une tension de distribution VDC à une unité de distribution électrique EDU qui est reliée électriquement au réseau électrique de l’aéronef REA, aux sources électriques BAT ou aux charges électriques LOAD.
Il est présenté dans cet exemple une application liée à la génération électrique mais l’invention s’applique plus généralement au domaine de l’hybridation dans lequel une machine électrique remplit, d’une part, une fonction de générateur pour prélever de la puissance mécanique sur l’arbre basse pression BP ou sur l’arbre haute pression HP et, d’autre part, une fonction de moteur pour injecter de la puissance mécanique sur l’arbre basse pression BP ou sur l’arbre haute pression HP. Pour une fonction moteur, chaque convertisseur C1, C2 peut également convertir la tension continue VDC pour alimenter en courant alternatif respectivement les deux machines électriques G1, G2 afin d’injecter de la puissance.
Par souci de clarté et de concision, il n’est présenté que la fonction génératrice. Pour une fonction moteur, le calculateur ECU fournit une consigne d’injection PECU permettant de déterminer, par exemple, l’injection de puissance mécanique sur chaque arbre, etc. Le système d’hybridation est bidirectionnel pour permettre la génération de puissance électrique mais également l’injection de puissance mécanique.
De manière connue, chaque convertisseur C1, C2 comporte une pluralité d’interrupteurs, en particulier des transistors de puissance, qui permettent de modifier la puissance électrique générée et la puissance électrique prélevée par chaque génératrice G1, G2 sur chaque arbre BP, HP. Le système de génération électrique 100 comporte un dispositif de contrôle 200 pour émettre des consignes de paramétrage PCONS1, PCONS2 à chaque convertisseur C1, C2 en fonction de la consigne de génération PECU de manière à obtenir une tension de distribution VDC qui soit adaptée à l’unité de distribution électrique EDU.
En pratique, la mise en parallèle des convertisseurs C1, C2 doit se faire avec des lois de contrôle appropriées pour garantir la qualité du réseau électrique et la maitrise du partage de puissance. Plusieurs stratégies de contrôle de la tension peuvent être appliquées. Il est notamment connu une stratégie de contrôle centralisé, dans laquelle le contrôle des différents équipements électriques est effectué par une unique boucle de contrôle de tension. Cette stratégie ne permet cependant pas un contrôle indépendant de chaque convertisseur électrique C1, C2.
Il est connu d’utiliser une stratégie de contrôle décentralisée, dans laquelle la tension de chaque équipement électrique est contrôlée par une boucle de contrôle différente. Pour réaliser cette stratégie décentralisée, il est connu d’utiliser un contrôle de type «Droop», connu de l’Homme du métier, permettant une indépendance des boucle de contrôles. Ce type de contrôle présente cependant l’inconvénient de provoquer la création d’une erreur statique dans la commande en sortie. En effet, lorsqu’une perturbation est détectée, chaque boucle de contrôle va chercher à la compenser. Ces compensations peuvent provoquer une divergence de la commande. Cela crée une instabilité du système de génération électrique. Il est connu de corriger cette erreur statique par l’utilisation d’une communication entre les boucles de contrôle, mais cela supprime alors l’indépendance de chaque boucle de contrôle et augmente la complexité.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients afin d’obtenir une commande indépendante de plusieurs voies d’alimentation électrique.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un procédé de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d’un aéronef à partir d’un système de génération électrique, l’aéronef comprenant au moins une turbomachine d’aéronef, le système électrique comprenant deux voies d’alimentation, chaque voie d’alimentation comprenant un convertisseur électrique et une génératrice électrique entrainée par la turbomachine, le système électrique comprenant deux unités de régulation associées respectivement à chaque voie d’alimentation, chaque unité de régulation comprenant un module de correction comprenant un correcteur intégral, le procédé comportant des étapes consistant à, pour ledit module de correction, :
  • Déterminer une consigne de puissance, à partir d’une consigne de tension de distribution et d’une mesure de la tension de distribution,
  • Déterminer un indicateur de divergence à partir d’un gradient de la consigne de puissance,
  • Réinitialiser le correcteur intégral de l’unité de régulation de la voie d’alimentation en fonction de l’indicateur de divergence.
La réinitialisation du correcteur intégral lors d’une divergence permet d’écarter tout risque d’instabilité temporaire pour générer de manière optimale de l’énergie pour un aéronef. L’invention permet avantageusement d’empêcher la divergence des unités de régulation sans communication entre les voies d’alimentation, et permet ainsi une commande indépendante stable et sans erreur statique de chaque voie d’alimentation.
Selon un aspect, l’indicateur de divergence est déterminé à partir de la comparaison entre le gradient de la consigne de puissance et un seuil de gradient prédéterminé. Le seuil de gradient déterminé permet de régler la sensibilité de la réinitialisation.
Selon un aspect, une limitation en variation dans le temps est appliquée à la consigne de puissance en fonction d’un seuil de gradient prédéterminé afin de déterminer une valeur seuil. L’indicateur de divergence est déterminé à partir de la comparaison entre la consigne de puissance et la valeur seuil. Cet indicateur de divergence active la réinitialisation du correcteur intégral. Le seuil de gradient prédéterminé permet de régler la sensibilité de la réinitialisation.
Selon un aspect, l’unité de régulation comprend un correcteur proportionnel.
Selon un aspect, l’unité de régulation comprend un correcteur dérivé.
Selon un aspect, le correcteur intégral et le correcteur proportionnel sont montés en cascade. Selon un autre aspect, le correcteur intégral et le correcteur proportionnel sont montés en série. Les unités de régulation peuvent être déterminées de manière libre. Cela permet avantageusement de les adapter en fonction du besoin.
L’invention concerne également un système de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d’un aéronef comprenant au moins une turbomachine, le système électrique comprenant deux voies d’alimentation, chaque voie d’alimentation comprenant un convertisseur électrique et une génératrice électrique entrainée par la turbomachine, le système électrique comprenant un dispositif de contrôle, le dispositif de contrôle comprenant deux unités de régulation associées respectivement à chaque voie d’alimentation, chaque unité de régulation comprenant un module de correction comprenant un correcteur intégral, chaque unité de régulation étant configurée pour :
  • Déterminer une consigne de puissance, à partir d’une consigne de tension de distribution et d’une mesure de la tension de distribution,
  • Déterminer un indicateur de divergence à partir d’un gradient de la consigne de puissance,
  • Réinitialiser le correcteur intégral de l’unité de régulation de la voie d’alimentation en fonction de l’indicateur de divergence.
L’invention concerne également une turbomachine hybridée électriquement comprenant un système de génération électrique tel que présentée précédemment.
L’invention concerne également un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que présentée précédemment. 
L’invention concerne également un produit de type programme d’ordinateur, comprenant au moins une séquence d’instructions stockée et lisible par un processeur et qui, une fois lue par ce processeur, provoque la réalisation des étapes du procédé tel que présenté précédemment.
L’invention concerne en outre un support lisible par un ordinateur comportant le produit de type programme d’ordinateur tel que présenté précédemment.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’un système de génération électrique prélevant de l’énergie mécanique sur une turbomachine d’aéronef.
La est une représentation schématique du système de génération électrique avec ses génératrices, ses convertisseurs, une unité de distribution électrique et un dispositif de contrôle.
La est une représentation schématique d’un système de génération électrique selon l’invention.
La est une représentation schématique d’un dispositif de contrôle selon l’invention.
La est une représentation schématique d’une première forme de réalisation d’une unité de régulation selon l’invention, présentant des contrôleurs montés en série.
La est une représentation schématique d’une deuxième forme de réalisation d’une unité de régulation selon l’invention, présentant des contrôleurs montés en parallèle.
La est une représentation schématique d’une première forme de réalisation d’un module de détermination de divergence selon l’invention.
La est une représentation schématique d’une deuxième forme de réalisation d’un module de détermination de divergence selon l’invention.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à la , il est représenté un système de génération électrique 1 pour un aéronef. L’aéronef comprend une turbomachine T comprenant un arbre basse pression BP et un arbre haute pression HP. Dans cet exemple, la turbomachine T comporte un compresseur basse pression 71 et une turbine basse pression 74 qui sont reliées par l’arbre basse pression BP et un compresseur haute pression 72 et une turbine haute pression 73 qui sont reliées par l’arbre haute pression HP.
Le système de génération électrique 1 est configuré pour prélever, d’une part, de l’énergie mécanique sur l’arbre basse pression BP et, d’autre part, de l’énergie mécanique sur l’arbre haute pression HP pour alimenter un réseau électrique de l’aéronef REA avec une tension calibrée. Le système de génération électrique 1 peut être par ailleurs relié à des sources électriques BAT ou des équipements électriques à alimenter LOAD.
En pratique, comme cela sera présenté par la suite, le système de génération électrique 1 permet plus généralement une hybridation électrique pour permettre de prélever ou d’injecter de la puissance à la turbomachine T.
Le système de génération électrique 1 est configuré pour recevoir une consigne de génération PECU issue d’un calculateur ECU de la turbomachine T. Cette consigne de génération PECU permet de déterminer, par exemple, la quantité de puissance électrique à générer, le prélèvement mécanique sur chaque arbre, etc. Autrement dit, la consigne de génération PECU permet de déterminer la stratégie d’hybridation retenue. En pratique, la consigne de génération PECU se présente sous la forme d’une consigne de puissance dite « Setpoint PS » ou d’une consigne de partage de puissance dite « Mode PS ».
En référence à la , le système de génération électrique 1 comporte deux génératrices G1, G2 reliées respectivement à l’arbre basse pression BP et à l’arbre haute pression HP de la turbomachine T. Le système de génération électrique 1 comporte une première voie d’alimentation V1 et une deuxième voie d’alimentation V2 qui sont, dans cet exemple, indépendantes.
La première voie d’alimentation V1 comprend :
  • Une première génératrice G1 configurée pour générer un courant alternatif en prélevant de l’énergie mécanique sur l’arbre basse pression BP et
  • Un premier convertisseur C1, associé à la première génératrice G1, pour convertir le courant alternatif généré en une première intensité de distribution en fonction de son paramétrage, le premier convertisseur C1 générant une première puissance PBP qui est fonction d’une tension de distribution VDC.
La deuxième voie d’alimentation V2 comprend :
  • Une deuxième génératrice G2 configurée pour générer un courant alternatif en prélevant de l’énergie mécanique sur l’arbre haute pression HP et
  • Un deuxième convertisseur C2, associé à la deuxième génératrice G2, pour convertir le courant alternatif généré en une deuxième intensité de distribution en fonction de son paramétrage, le deuxième convertisseur C2 générant une deuxième puissance PHP qui est fonction de la tension de distribution VDC.
Dans cet exemple, la première voie d’alimentation V1 est associée à un prélèvement de puissance sur un arbre basse pression BP tandis que la deuxième voie d’alimentation V2 est associée à un prélèvement de puissance sur un arbre haute pression HP. Il va de soi que l’inverse est également possible.
Dans cet exemple, les génératrices G1, G2 sont de préférence des machines électriques capables de fonctionner selon un mode générateur un ou mode moteur. De manière connue, chaque machine électrique comporte un rotor solidaire d’un arbre tournant (ici un arbre BP ou un arbre HP) et un stator comportant des enroulements de manière à générer des courants alternatifs triphasés. De manière préférée, la vitesse et la position angulaire de chaque génératrice G1, G2 sont disponibles. La structure et le fonctionnement d’une telle machine électrique sont connus et ne seront pas présentés plus en détails.
En référence à la , le système de génération électrique 1 comporte une unité de distribution électrique EDU qui est reliée électriquement au réseau électrique de l’aéronef REA, aux sources électriques BAT ou aux charges électriques LOAD.
Chaque convertisseur C1, C2 assure une tension de distribution VDC à l’unité de distribution électrique EDU. De préférence, l’unité de distribution électrique EDU comporte un bus de tension.
De manière connue, chaque convertisseur C1, C2 comporte une pluralité d’interrupteurs, en particulier des transistors, qui permettent de modifier la puissance électrique générée et la puissance mécanique prélevée sur chaque arbre BP, HP pour adapter l’intensité de distribution en fonction des besoins.
Selon l’invention, en référence à la , le système de génération électrique 1 comporte un dispositif de contrôle 2 configuré pour déterminer une première consigne de paramétrage PCONS1 pour le premier convertisseur C1 et une deuxième consigne de paramétrage PCONS2 pour le deuxième convertisseur C2.
De manière préférée, chaque consigne de paramétrage PCONS1, PCONS2 se présente sous la forme d’un signal de modulation de largeur d’impulsion (MLI). Une telle consigne de paramétrage PCONS1, PCONS2 permet de commander la commutation des transistors des convertisseurs C1, C2.
En référence à la , le dispositif de contrôle 2 comprend une première unité de traitement 22a configurée pour déterminer une première consigne de paramétrage PCONS1 pour le premier convertisseur C1 à partir d’une première consigne de puissance PBP*. De plus, le dispositif de contrôle 2 comprend une première unité de régulation 21a configurée pour déterminer la première consigne de puissance PBP* en fonction d’une consigne de tension de distribution VDC* et d’une mesure de la tension de distribution VDC. La première unité de régulation 21a est également configurée pour recevoir la consigne de génération PECU, et déterminer à partir de cette dernière la première consigne de puissance PBP* ; ce dernier aspect étant connu de l’Homme du Métier, il ne sera pas présenté par la suite.
Le dispositif de contrôle 2 comprend également une deuxième unité de traitement 22b configurée pour déterminer une deuxième consigne de paramétrage PCONS2 pour le deuxième convertisseur C2 à partir d’une deuxième consigne de puissance PHP*. De plus, le dispositif de contrôle 2 comprend une deuxième unité de régulation 21b configurée pour déterminer la deuxième consigne de puissance PHP* en fonction d’une consigne de tension de distribution VDC*et d’une mesure de la tension de distribution VDC. La deuxième unité de régulation 21b est également configurée pour recevoir la consigne de génération PECU, et déterminer à partir de cette dernière la deuxième consigne de puissance PH P* ; ce dernier aspect étant connu de l’Homme du Métier, il ne sera pas présenté par la suite.
Selon une autre forme de réalisation, le système de génération électrique 1 ne comprend pas de dispositif de contrôle 2, et la première unité de régulation 21a et la première unité de traitement 22a sont réunies dans le premier convertisseur C1, tandis que la deuxième unité de régulation 21b et la deuxième unité de traitement 22b sont réunies dans le deuxième convertisseur C2.
En référence à la , il est représenté une forme de réalisation de la première unité de régulation 21a pour déterminer la première consigne de puissance PBP*. La deuxième unité de régulation 21b présente une architecture analogue et ne sera pas présentée par la suite. Par souci de clarté et de concision, il ne sera présenté que la première unité de régulation 21a.
La première unité de régulation 21a comporte un comparateur 4 configuré pour déterminer un écart Δ entre la consigne de tension de distribution VDC*et la mesure de la tension de distribution VDC. De préférence, la première unité de régulation 21a tient compte de la consigne de génération PECU pour déterminer la première consigne de puissance PBP*. Par souci de clarté et de concision, la prise en compte de la consigne de génération PECU ne va pas être présentée.
Dans cet exemple, la première unité de régulation 21a comporte en outre un module de correction 5 qui comporte un correcteur proportionnel CP, présentant un gain proportionnel Kp, et un correcteur intégral CI présentant un gain intégral Ki. De tels correcteurs permettent de réaliser une régulation visant à diminuer l’écart Δ pour fournir en sortie la première consigne de puissance PBP*. Un correcteur du type proportionnel intégral est connu de l’Homme du métier et ne sera pas présenté par la suite. Il permet avantageusement d’annuler l’erreur statique.
De manière connue, le correcteur intégral CI est configuré pour déterminer un paramètre de correction qui est déterminé entre un instant initial t0 et un instant courant tx. Au fur et à mesure que la correction s’effectue, le paramètre de correction comporte une erreur statique qui augmente. Dans cet exemple, le correcteur intégral CI comporte un module de remise à zéro RAZ qui est configuré pour réinitialiser le correcteur intégral CI. En particulier, le module de remise à zéro RAZ est configuré pour déterminer la correction par rapport à un nouvel instant initial t0’ qui correspond à l’instant courant tx déterminé lors de l’activation de la remise à zéro. Cela permet avantageusement d’arrêter l’effet intégral du correcteur CI dans certains cas afin de maitriser la dynamique de l’intégrale, de limiter les surtensions et les sous-tensions de la tension de distribution Vdc et de supprimer les instabilités entre les convertisseurs C1 et C2.
Dans cette forme de réalisation de la , le correcteur proportionnel CP et le correcteur intégral CI sont montés en série. Selon une autre forme de réalisation, représentée sur la , le correcteur proportionnel CP et le correcteur intégral CI sont montés en parallèle. Cette autre forme de réalisation sera présentée par la suite.
Il va de soi que le module de correction 5 pourrait comporter également d’autres correcteurs, en particulier, un correcteur dérivé. Selon une forme de réalisation, le module de correction 5 ne comporte qu’un correcteur intégral CI, c’est-à-dire, le module de correction 5 est dénué de correcteur proportionnel CP.
Toujours en référence à la , la première unité de régulation 21a comporte également un module de détermination de divergence 3 configuré pour déterminer un indicateur de divergence M3, en particulier un booléen, à partir de la première consigne de puissance PBP* issue du module de correction 5.
Le module de détermination de divergence 3 est relié au module de remise à zéro RAZ. Le module de remise à zéro RAZ est configuré pour s’activer en fonction de l’indicateur de divergence M3. Comme illustré à la , le module de détermination de divergence 3 est configuré pour déterminer l’indicateur de divergence M3 à partir d’un gradient GPBP* de la première consigne de puissance PBP*. En effet, le gradient GPBP* de la première consigne de puissance PBP* représente la variation de la première consigne de puissance PBP* et est représentatif du degré de correction et du risque de divergence.
En référence à la , le module de détermination de divergence 3 est configuré pour déterminer le gradient GPBP* de la première consigne de puissance PBP* et le comparer à un seuil de gradient prédéterminé S3.
En référence à la , selon une première forme de réalisation, le module de détermination de divergence 3 comporte un bloc de saturation 30 et un bloc de comparaison 31.
Dans cette première forme de réalisation, le bloc de saturation 30 détermine une valeur seuil vS à partir de la première consigne de puissance PBP* en la limitant en variation par rapport à ses valeurs précédentes, en fonction d’un seuil de gradient prédéterminé S3. Cette valeur seuil vS est ensuite comparée avec la première consigne de puissance PBP* par le bloc de comparaison 31, déterminant l’indicateur de divergence M3 comme positif si les deux valeurs sont différentes. En effet, si la valeur de la consigne de puissance PBP* a été limitée par le bloc de saturation 30, cela signifie qu’elle a commencé à diverger et risque d’entrainer une instabilité. Dans cet exemple, l’indicateur de divergence M3 est égal à 1 en cas de divergence et est égal à 0 en l’absence de divergence.
Selon une autre forme de réalisation, représentée sur la , le module de détermination de divergence 3 comporte un bloc de contrôle 33 et un bloc de détermination de gradient 32.
Le bloc de détermination de gradient 32 détermine explicitement le gradient GPBP* de la première consigne de puissance PBP* par calcul. Le bloc de contrôle 33 détermine que l’indicateur de divergence M3 est positif si la valeur absolue du gradient GPBP* de la première consigne de puissance PBP*est supérieure à la valeur absolue du seuil de gradient prédéterminé S3.
Ainsi, l’indicateur de divergence M3 permet d’indiquer de manière rapide et pratique que la consigne de puissance PBP * est en train d’être modifiée de manière trop rapide et qu’elle peut entrainer un risque d’instabilité. Le seuil de gradient prédéterminé S3 est prédéterminé par calcul, de manière statistique ou par retour d’expérience.
Il est représenté à la une première forme de réalisation de la première unité de régulation 21a présentant un module de correction 5 ayant une architecture cascadée. Dans cet exemple, une divergence est détectée à l’instant de divergence t3. La première consigne de puissance PBP* suit alors dans cette forme de réalisation une loi mathématique de la forme :
Avec :
Où l’instant initial t0correspond au moment d’initialisation de l’unité de régulation 21a, 21b, et l’instant de divergence correspond au moment où l’indicateur de divergence M3 a indiqué une divergence au module de remise à zéro RAZ. Cela permet avantageusement au correcteur intégral CI de recommencer à fonctionner sans prendre en compte ce qui s’est déroulé entre le temps initial t0 et l’instant de divergence . Autrement dit, l’effet intégral du correcteur CI est arrêté immédiatement afin de stopper au plus vite la divergence.
Il est représenté en une deuxième forme de réalisation de la première unité de régulation 21a présentant un module de correction 5 ayant une architecture parallèle. La première consigne de puissance PBP* suit alors dans cette forme de réalisation une loi mathématique de la forme :
Avec :
Grâce à l’invention, les deux convertisseurs C1, C2 peuvent se contrôler de manière indépendante, de manière décentralisée et sans nécessité de mettre en place un lien de communication. La réinitialisation du module de correction 5, en particulier de son correcteur intégral CI, lors d’une divergence permet d’écarter tout risque d’instabilité temporaire pour générer de manière optimale de l’énergie pour un aéronef.
Dans l’art antérieur, les modules de correction des deux correcteurs s’affrontaient de manière concurrente. Dans le cas présent, les modules de correction des deux correcteurs peuvent être remis à zéro en même temps sans communication entre eux. Les modules de correction vont repartir avec des valeurs stables voire dans certains cas égales en se partageant le contrôle. Cela permet d’éviter les instabilités. Cela permet également de réduire les pics de tension en obligeant l’intégrale du correcteur intégral CI à revenir à zéro quand la variation est trop importante. Cela permet à l’intégrale de ne pas partir en fort dépassement avant de devoir changer de sens. Cet aspect permet de réduire le temps pour atteindre la correction voulue.

Claims (10)

  1. Procédé de génération électrique pour alimenter au moins un réseau électrique d’un aéronef (REA) à partir d’un système de génération électrique, l’aéronef comprenant au moins une turbomachine d’aéronef (T), le système électrique comprenant deux voies d’alimentation (V1, V2), chaque voie d’alimentation (V1, V2) comprenant un convertisseur électrique (C1, C2) et une génératrice électrique (G1, G2) entrainée par la turbomachine d’aéronef (T), le système électrique comprenant deux unités de régulation (21a, 21b) associées respectivement à chaque voie d’alimentation (V1, V2), chaque unité de régulation (21a, 21b) comprenant un module de correction (5) comprenant un correcteur intégral (CI), le procédé comportant des étapes consistant à, pour ledit module de correction (5) :
    • Déterminer une consigne de puissance (PBP*, PHP*), à partir d’une consigne de tension de distribution (VDC*) et d’une mesure de la tension de distribution (VDC) d’une unité de distribution électrique (EDU) reliée électriquement au réseau électrique de l’aéronef (REA),
    • Déterminer un indicateur de divergence (M3) à partir d’un gradient (GPBP*) de la consigne de puissance (PBP*, PHP*), et
    • Réinitialiser le correcteur intégral (CI) de l’unité de régulation (21a, 21b) de la voie d’alimentation (V1, V2) en fonction de l’indicateur de divergence (M3).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’indicateur de divergence (M3) est déterminé à partir de la comparaison entre le gradient (GPBP*) de la consigne de puissance (PBP*, PHP*), et un seuil de gradient prédéterminé (S3).
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel une limitation en variation dans le temps est appliquée à la consigne de puissance (PBP*, PHP*) en fonction d’un seuil de gradient prédéterminé (S3) afin de déterminer une valeur seuil (vS), et dans lequel l’indicateur de divergence (M3) est déterminé à partir de la comparaison entre la consigne de puissance (PBP*, PHP*), et la valeur seuil (vS).
  4. Procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’unité de régulation (21a, 21b) comprend un correcteur dérivé.
  5. Procédé de commande selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’unité de régulation (21a, 21b) comprend un correcteur proportionnel (CP).
  6. Procédé de commande selon la revendication 5, dans lequel le correcteur intégral (CI) et le correcteur proportionnel (CP) sont montés en cascade.
  7. Procédé de commande selon la revendication 5, dans lequel le correcteur intégral (CI) et le correcteur proportionnel (CP) sont montés en série.
  8. Système de génération électrique (1) pour alimenter au moins un réseau électrique d’un aéronef (REA) comprenant au moins une turbomachine d’aéronef (T), le système électrique comprenant deux voies d’alimentation (V1, V2), chaque voie d’alimentation (V1, V2) comprenant un convertisseur électrique (C1, C2) et une génératrice électrique (G1, G2) entrainée par la turbomachine d’aéronef (T), le système électrique comprenant un dispositif de contrôle (2), le dispositif de contrôle (2) comprenant deux unités de régulation (21a, 21b) associées respectivement à chaque voie d’alimentation (V1, V2), chaque unité de régulation (21a, 21b) comprenant un module de correction (5) comprenant un correcteur intégral (CI), chaque unité de régulation (21a, 21b) étant configurée pour :
    • Déterminer une consigne de puissance (PBP*, PHP*), à partir d’une consigne de tension de distribution (VDC*) et d’une mesure de la tension de distribution (VDC) d’une unité de distribution électrique (EDU) reliée électriquement au réseau électrique de l’aéronef (REA),
    • Déterminer un indicateur de divergence (M3) à partir d’un gradient (GPBP*) de la consigne de puissance (PBP*, PHP*),
    • Réinitialiser le correcteur intégral (CI) de l’unité de régulation (21a, 21b) de la voie d’alimentation (V1, V2) en fonction de l’indicateur de divergence (M3).
  9. Turbomachine hybridée électriquement comprenant un système de génération électrique (1) selon la revendication 8.
  10. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 9.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5270916A (en) * 1990-02-27 1993-12-14 Ge Fanuc Automation North America, Inc. Apparatus and method for preventing runaway of the integral term of a proportional plus integral controller
US20160208717A1 (en) * 2015-01-19 2016-07-21 United Technologies Corporation System and method for load power management in a turboshaft gas turbine engine
WO2023105168A1 (fr) * 2021-12-10 2023-06-15 Safran Procédé de protection en tension d'un système électrique multi sources

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