法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2022-04-26
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G06F17/50 专利号:ZL2015102376061 申请日:20150511 授权公告日:20171114
专利权的终止
2017-11-14
授权
授权
2015-09-02
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F17/50 申请日:20150511
实质审查的生效
2015-08-05
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种飞机电力系统小扰动稳定性分析方法,尤其涉及一种基 于广义状态空间平均的飞机电力系统小扰动稳定性分析方法,通过以傅里叶 系数为状态变量的状态矩阵分析,可实现准确的飞机电力系统小扰动稳定判 定。
背景技术
为节约能源、降低成本及改善机载系统的性能,现代飞机越来越多地采 用电能取代传统飞机上的液压、气压能源,即将发动机直接驱动的机械、液 压和气动驱动的负载更换为电气驱动负载。由此提出的“多电飞机(More Electric Aircraft)”概念,已成为飞机工业发展的主流趋势。伴随着多电飞机 的发展及日益成熟,飞机电力系统在飞机中的重要性日益凸显。飞机电力系 统包括飞机电源系统、飞机配电系统、机上用电设备三部分:飞机电源系统 是机上用来产生电能的设备组合,包括主电源、辅助电源、应急电源和二次 电源等;飞机配电系统是机上用来传输、分配、转换和控制电能的设备和线 缆按一定方式进行的组合,也称飞机电网,主要包括电力传输导线和电缆、 防止导线和设备受短路或超载危害的保护装置、配电装置、二次电源、用电 设备的控制和转换装置及电源检查仪表等;机上用电设备是指依靠电能工作 的设备。
随着B787、A380等多电飞机的投入使用,飞机电力系统的安全稳定运 行问题也得到了越来越多的重视,其稳定性一旦遭受破坏,必将造成巨大的 经济损失和灾难性后果。由于飞机电力系统问题导致的飞机故障时有发生, 作为多电飞机的核心,飞机电力系统的安全稳定运行则愈加重要。由于飞机 电力系统多机并联、多变换器交联、电气负载性质多样,导致飞机电力系统 是一个高维复杂非线性系统,其稳定性不仅受常规电力元件动态特性影响, 而且与电力电子装置的动态特性密切相关。同时,由于飞机电力系统的运行 环境千差万别,导致飞机电力系统运行动态存在很大差异,因此有必要建立 反映其动态特性的数学模型并以此为基础进行稳定性分析,实现飞机电力系 统在正常和故障条件下快速、准确的稳定性判定,以及确定飞机电力系统各 构成环节电气及控制参数对系统小扰动的影响程度,最终对大飞机制造中电 力系统的设计和改进提供建议。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种基于广义状态空间平均的飞 机电力系统小扰动稳定性分析方法,可以实现飞机电力系统不同动态特性下 的小扰动稳定性判定需求。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是提供一种基于广义状态空间 平均的飞机电力系统小扰动稳定性分析方法,所述广义状态空间平均就是以 傅里叶系数为状态变量的一种空间平均,该方法包括以下步骤:
1)依据飞机电力系统结构,建立飞机电力系统中电源、配电系统、用 电系统的交直流混合潮流方程,确定飞机电力系统的稳态工作点;
式中:Vs为三相交流电压有效值、Vbus为交流侧电压稳态值,即变压整 流器交流侧输入电压值、λ为上述两电压之间的相位差、Z∠γZ为交流输电线 路阻抗,包括变压器的折算电抗、P、Q分别为恒功率负载有功功率、无功 功率,Ploss为由于直流侧线路产生的功率损耗
2)对步骤1)飞机电力系统进行电路等效,等效后的电路用于广义状态 空间平均建模,并依据该等效电路得到飞机电力系统的非线性微分方程:
其中,x=[x1,x2,…,xn]T为系统状态变量,Ψ为系统状态变量矩阵,为n×n 阶矩阵,u=[u1,u2,…,um]T为系统代数变量,Γ为系统代数变量矩阵,为n×m 阶矩阵;
3)依据步骤2)得到的飞机电力系统的非线性微分方程,确定飞机电力 系统电源系统、配电系统、用电系统非线性微分方程状态变量,状态变量中 非周期状态变量r个,周期状态变量s个,并对状态变量进行傅里叶分解, 根据得到的傅里叶系数<xi>k(τ),引入新的状态变量矩阵Q, Q=[q1,q2,…,qr+2ks]T,Q矩阵各元素如下所示:
0<i≤r时,<xi>0(τ)=qi
r<i≤n时,<xi>k(τ)=q2s(k-1)+(2i-r-1)+jq2s(k-1)+(2i-r)
4)对步骤2)中的飞机电力系统的非线性微分方程进行傅里叶分解,并 将步骤3)得到的状态变量矩阵Q代入,最终得到傅里叶系数描述的飞机电 力系统广义状态空间平均方程:
式中:Q代表傅里叶系数描述的系统状态变量矩阵,A代表傅里叶系数 状态变量系数矩阵,Y为本环节非线性微分方程的输出,其大小影响下一环 节的动态特性,B为Y的系数矩阵,Ux为系统运行控制参数;
5)依据步骤4)得到的飞机电力系统广义状态空间平均方程,在步骤1) 得到的飞机电力系统的稳态工作点处线性化,得到线性化系统的状态方程的 系统矩阵A:
6)计算步骤5)得到的系统矩阵的特征值,计算公式如下:
det[λI-A]=0
式中:A为状态方程的系统矩阵,I为单位矩阵,λ为待求特征值。
依据特征值实部的正负判断飞机电力系统的小扰动稳定性,改变系统的 运行控制参数,并依据特征值在复平面内随系统运行控制参数的变化趋势, 若特征值在复平面虚轴的左侧系统则为稳定,在虚轴右侧系统则为不稳定, 用以判断飞机电力系统运行控制参数变化对小扰动稳定性影响。
本发明达到的效果是该稳定性分析方法,相较于不能体现稳定性程度的 时域仿真法,以及不考虑飞机电力系统动态特性的状态空间平均法,实现飞 机电力系统不同动态下的小扰动稳定性分析,同时可以实现小扰动稳定的灵 敏度分析,最终对大飞机制造中电力系统的设计和改进提供有价值建议,同 时可为机组人员提供可靠的飞机电力系统运行信息
附图说明
图1为本发明飞机电力系统小扰动稳定分析流程图;
图2为某多电飞机电力系统结构简图;
图3为飞机电力系统交直流潮流计算单线图;
图4为某多电飞机飞机电力系统广义状态空间平均建模等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的基于广义状态空间平均的飞机电力 系统小扰动稳定性分析方法进一步说明。
图1为飞机电力系统小扰动稳定分析流程图。
本发明的基于广义状态空间平均的飞机电力系统小扰动稳定性分析方 法,所述广义状态空间平均就是以傅里叶系数为状态变量的一种空间平均, 该方法包括以下步骤:
1)依据飞机电力系统结构,建立飞机电力系统中电源、配电系统、用 电系统的交直流混合潮流方程,确定飞机电力系统的稳态工作点;
式中:Vs为三相交流电压有效值、Vbus为交流侧电压稳态值,即变压整 流器交流侧输入电压值、λ为上述两电压之间的相位差、Z∠γZ为交流输电线 路阻抗,包括变压器的折算电抗、P、Q分别为恒功率负载有功功率、无功 功率,Ploss为由于直流侧线路产生的功率损耗。
2)对步骤1)飞机电力系统进行电路等效,等效后的电路用于广义状态 空间平均建模,并依据该等效电路得到飞机电力系统的非线性微分方程:
其中,x=[x1,x2,…,xn]T为系统状态变量,Ψ为系统状态变量矩阵,为n×n 阶矩阵,u=[u1,u2,…,um]T为系统代数变量,Γ为系统代数变量矩阵,为n×m 阶矩阵。
3)依据步骤2)得到的飞机电力系统的非线性微分方程,确定飞机电力 系统电源系统、配电系统、用电系统非线性微分方程状态变量,状态变量中 非周期状态变量r个,周期状态变量s个,并对状态变量进行傅里叶分解, 根据得到的傅里叶系数<xi>k(τ),引入新的状态变量矩阵Q, Q=[q1,q2,…,qr+2ks]T,Q矩阵各元素如下所示:
0<i≤r时,<xi>0(τ)=qi
r<i≤n时,<xi>k(τ)=q2s(k-1)+(2i-r-1)+jq2s(k-1)+(2i-r)。
4)对步骤2)中的飞机电力系统的非线性微分方程进行傅里叶分解,并 将步骤3)得到的状态变量矩阵Q代入,最终得到傅里叶系数描述的飞机电 力系统广义状态空间平均方程:
式中:Q代表傅里叶系数描述的系统状态变量矩阵,A代表傅里叶系数 状态变量系数矩阵,Y为本环节非线性微分方程的输出,其大小影响下一环 节的动态特性,B为Y的系数矩阵,Ux为系统运行控制参数。
5)依据步骤4)得到的飞机电力系统广义状态空间平均方程,在步骤1) 得到的飞机电力系统的稳态工作点处线性化,得到线性化系统的状态方程的 系统矩阵A:
6)计算步骤5)得到的系统矩阵的特征值,计算公式如下:
det[λI-A]=0
式中:A为状态方程的系统矩阵,I为单位矩阵,λ为待求特征值。
依据特征值实部的正负判断飞机电力系统的小扰动稳定性,改变系统的 运行控制参数,并依据特征值在复平面内随系统运行控制参数的变化趋势, 若特征值在复平面虚轴的左侧系统则为稳定,在虚轴右侧系统则为不稳定, 用以判断飞机电力系统运行控制参数变化对小扰动稳定性影响。
所述步骤1)中建立的飞机电力系统交直流混合潮流方程,为基于400Hz 交流航空发电机、交流输电线路、滤波器、变压整流器、直流输电线路、逆 变环节建立的方程,基于所述方程计算出变压整流器交流侧的电压稳态值, 再根据所述变压整流器的交直流变换关系,得到变压整流器直流侧在不同功 率P、Q下的稳态电压值Vout。
所述步骤2)中建立的用于飞机电力系统广义状态空间建模的等效电路 及飞机电力系统非线性微分方程,是基于三相静止abc坐标系,包含400Hz 交流航空发电机、交流输电线路、滤波器、变压整流器、直流输电线路环节 的交直流混合等效电路。
所述步骤4)中得到的飞机电力系统的广义状态空间平均模型,为包含 飞机电力系统动态特性的广义状态空间平均模型,而飞机电力系统的动态特 性随飞机运行的工作状况而时刻调整。
所述步骤5)中线性化系统的状态方程的系统矩阵,是根据飞机电力系 统的动态特性,以不同阶数傅里叶系数为状态变量得到的。
飞机电力系统的动态特性随飞机起动、滑行、起飞、爬升、巡航、下降、 着陆的工况而时刻调整,包括元件级动态、行为级动态、功能级动态、结构 级动态四种层次,所述元件级动态指飞机电力系统中电力电子器件、电磁作 动器的内部动态特性;所述行为级动态指组成飞机电力系统变压整流器、斩 波器、逆变器在工作工程中产生的开关动态;所述功能级动态指完成飞机启 动、降落、防冰、除霜功能,飞机电力系统进行的电机启动、停止、负荷改 变、投切动态行为;所述结构级动态指飞机为应对不同的飞行阶段的起飞、 爬升、巡航、降落所产生的电力系统结构切换动态特性。
在所述步骤6)中,影响特征值在复平面内变化趋势的系统运行控制 参数包括线路电感、电容、有功功率、无功功率、频率。
实施例
本实施例基于某多电飞机电力系统,建立其广义状态空间平均模型并进 行小扰动稳定性分析。图2为包含特定环节的多电飞机电力系统结构简图, 其中假定GCU调节速度足够快,因此交流发电机可用交流400Hz稳压交流 电源代替,电作动系统用恒功率负载代替,其余组成部件包括:输电线路, 变压整流器,直流滤波电容。Req,Leq,Ceq分别为线路及变压器等效电阻、电 抗、电容。
1)根据多电飞机电力系统结构简图,将直流侧电路折算到交流侧,得 到图3所示的飞机电力系统交直流混合潮流计算单线图,计算公式如下:
其中,Vs为三相交流电压有效值,取230V;
Vbus为交流侧电压稳态值,即变压整流器交流侧输入电压值,为待求量;
λ为上述两电压之间的相位差,为待求量;
Z∠γZ为交流输电线路阻抗(包括变压器的折算电抗),按下式计算:
P、Q分别为恒功率负载有功功率、无功功率,为随负载变化而变化的 量,其变化会影响稳态电压值的变化。
由此,可以计算出交流侧的电压稳态值,再根据变压整流器的交直流变 换关系,可以得到直流侧在不同功率P、Q下的稳态电压值Vout。
2)根据多电飞机电力系统结构简图,将变压整流器进行电路等效,得 到广义状态空间平均建模等效电路图,如图4所示,可得到该等效电路的非 线性微分方程如下,其中公式中的各项参数已在图中标注:
3)根据步骤2)中的非线性微分方程,确定飞机电力系统的状态变量 x=[Vout,Idc,ILa,ILb,ILc,VCa,VCb,VCc]T,其中非周期状态变量r=2个,为Vout,Idc, 周期状态变量s=6个,为ILa,ILb,ILc,VCa,VCb,VCc,对状态变量进行傅里叶分解, 取k=1,并忽略直流纹波,则引入的新的状态变量矩阵Q中元素如下:
<Vout>0=q1
<Idc>0=q2
<ILa>1=q3+jq4
<ILb>1=q5+jq6
<ILc>1=q7+jq8
<VCa>1=q9+jq10
<VCb>1=q11+jq12
<VCc>1=q13+jq14
4)对步骤2)得到的飞机电力系统非线性微分方程进行傅里叶分解,并 代入步骤3)得到的新的状态变量矩阵Q,最终得到傅里叶系数描述的飞机 电力系统广义状态空间平均方程:
5)针对步骤4)得到的广义状态空间平均模型,在步骤1得到的某一特 定功率P、Q下的稳态工作点处进行线性化,得到针对傅里叶系数描述的线 性化系统的状态方程的系统矩阵A。
式中,PCPL为恒功率负载的有功功率。
6)利用式det[λI-A]=0计算矩阵A的特征值,依据特征值实部的正负判 断飞机电力系统的小扰动稳定性,并通过分别变换矩阵中PCPL,LF,CF,rF,Req, Leq,Ceq等参数,得到特征值在复平面跟随上述不同参数的变化趋势,进而确 定飞机电力系统的各参数变化对小扰动稳定性的影响。
由此,本发明实现了基于广义状态空间平均的飞机电力系统小扰动稳定 性分析,能满足不同动态条件下飞机电力系统的小扰动稳定性分析需求。
最后应该说明的是:结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其 进行限制。所属领域的普通技术人员应当理解到:本领域技术人员可以对本 发明的实施方式进行修改或等同替换,但这些修改或变更均在申请待批的权 利要求保护范围之内。
机译: 基于源侧和负载侧扰动和广义奈奎斯特准则的电力系统小信号稳定性评估方法
机译: 基于低阶EIGD的延迟电力系统稳定性分析方法
机译: 基于低阶EIGD的电力系统延迟稳定性分析方法