本發(fā)明涉及一種方法,更具體的說(shuō),是涉及一種飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型及大擾動(dòng)穩(wěn)定域構(gòu)建方法。
背景技術(shù):
當(dāng)前,世界各國(guó)都面臨著巨大的能源消耗與環(huán)境污染壓力,多電飛機(jī)由于其效率高、環(huán)保效益好的優(yōu)點(diǎn),成為國(guó)際航空界的研究熱點(diǎn)。多電飛機(jī)采用電力系統(tǒng)部分取代飛機(jī)上原有的液壓、氣壓和機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其二次能源將更多的使用電能。隨著多電飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)上電能需求的急劇上升給飛機(jī)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。
飛機(jī)電力系統(tǒng)是飛機(jī)上電能產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和消耗等部分的總稱,包括飛機(jī)電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和機(jī)載用電設(shè)備三部分。電力電子技術(shù)的發(fā)展是推動(dòng)“多電飛機(jī)”以及飛機(jī)電力系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步的重要力量之一。飛機(jī)電力系統(tǒng)中廣泛采用各類電力電子變換器實(shí)現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)換與控制,如自耦變壓整流器(AC/DC)、Buck/Boost(DC/DC)變換器等環(huán)節(jié)。另外,多電飛機(jī)上采用了大量電力電子驅(qū)動(dòng)的用電設(shè)備,如飛機(jī)操縱系統(tǒng)中的機(jī)電作動(dòng)器等。由于飛機(jī)上電能需求的不斷增加,飛機(jī)電力系統(tǒng)變得愈加復(fù)雜;飛機(jī)上電力電子驅(qū)動(dòng)的用電設(shè)備由于控制器的快速響應(yīng)特性而表現(xiàn)為恒功率負(fù)載,其負(fù)阻抗特性給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)了嚴(yán)重危害。因此,飛機(jī)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析成為重要的研究課題,主要包括飛機(jī)電力系統(tǒng)建模與仿真,小擾動(dòng)以及大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析等方面。
飛機(jī)電力系統(tǒng)建模方法包括狀態(tài)空間平均法、dq變換法、平均值方法。狀態(tài)空間平均模型廣泛應(yīng)用于直流系統(tǒng)以及單相交流系統(tǒng)中電力電子變換器的分析,適合于飛機(jī)電力系統(tǒng)的快速仿真,但用于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析時(shí)模型較為復(fù)雜。dq變換法能夠建立電力電子變換器的時(shí)變變壓器模型,適用于仿真分析和系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析,國(guó)外已初步形成實(shí)用性質(zhì)的分析工具。平均值模型能夠建立單相或三相整流器的直流電源模型,其模型相對(duì)簡(jiǎn)單,但仍具有較高的精度,不僅適用于快速仿真分析,也適用于大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析,但尚未獲得廣泛應(yīng)用。
飛機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析目前主要集中在小擾動(dòng)穩(wěn)定性分析領(lǐng)域,但是小擾動(dòng)穩(wěn)定性具有一定的局限性,無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定域范圍進(jìn)行定量計(jì)算,僅能提供系統(tǒng)平衡點(diǎn)附近的穩(wěn)定性分析。飛機(jī)電力系統(tǒng)大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析目前只考慮了直流系統(tǒng)部分,尚未有同時(shí)考慮交直流系統(tǒng)相互作用的分析工具。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中多電飛機(jī)電力系統(tǒng)尚未有同時(shí)考慮交直流系統(tǒng)相互作用且適合系統(tǒng)大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析的模型,缺乏合理的系統(tǒng)的大擾動(dòng)分析方法和工具,提供一種飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型及大擾動(dòng)穩(wěn)定域構(gòu)建方法,為多電飛機(jī)電力系統(tǒng)建模與穩(wěn)定性分析提供了分析工具,同時(shí)能夠?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了評(píng)估方法。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的一種飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型及大擾動(dòng)穩(wěn)定域構(gòu)建方法,包括以下步驟:
(1)建立飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型:所述飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型的等效電路包括依次串聯(lián)形成閉合回路的電源、直流側(cè)電感、直流側(cè)電阻、二極管、直流側(cè)濾波器電感、直流側(cè)濾波器電阻和負(fù)載,所述負(fù)載兩端并聯(lián)有直流側(cè)濾波器電容;
(2)構(gòu)建穩(wěn)定域:基于步驟(1)的飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型,確定系統(tǒng)的混合勢(shì)函數(shù),構(gòu)造系統(tǒng)的李雅普諾夫型能量函數(shù),結(jié)合混合勢(shì)函數(shù)穩(wěn)定性定理計(jì)算出系統(tǒng)的臨界能量,確定系統(tǒng)的穩(wěn)定域。
所述步驟(1)中所述電源為交流電源在直流側(cè)的等效電壓源,按公式計(jì)算,其中,Vm為交流電壓幅值。
所述步驟(1)中所述直流側(cè)電感為自耦變壓整流器原副邊漏感和線路電感在直流側(cè)的等效電感,按公式Leq=2Lp+Ls計(jì)算,其中,Lp為自耦變壓整流器原副邊漏感,Ls為線路電感。
所述步驟(1)中所述直流側(cè)電阻為考慮整流器換相重疊角等因素影響的直流側(cè)等效電阻,按公式計(jì)算,其中,n=6.464。
所述步驟(2)中系統(tǒng)的混合勢(shì)函數(shù)為:
式中,Rf為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中直流側(cè)電阻和直流側(cè)濾波器電阻之和,if為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的電感電流,vs為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的直流側(cè)濾波器電容電壓,pcpl飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中負(fù)載的功率值。
所述步驟(2)中系統(tǒng)的李雅普諾夫型能量函數(shù)為:
式中,Lf=Leq+Ldc,Rf=Req+Rdc,Ldc為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的直流側(cè)濾波器電感,Rdc為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的直流側(cè)濾波器電阻;Cdc為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的直流側(cè)濾波器電容。
所述步驟(2)中系統(tǒng)的臨界能量為:
P*(if,vs)=max{P*(if,vsmin)}
將上述臨界能量帶入李雅普諾夫型能量函數(shù)中,即得到系統(tǒng)關(guān)于vs、if的穩(wěn)定域。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是:
本發(fā)明建立的多電飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確,適合于飛機(jī)電力系統(tǒng)大擾動(dòng)穩(wěn)定性分析,在飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型的基礎(chǔ)上,采用混合勢(shì)函數(shù)理論和李雅普諾夫穩(wěn)定性定理,能夠方便地建立系統(tǒng)的大擾動(dòng)穩(wěn)定域,用于評(píng)估系統(tǒng)的抗擾動(dòng)穩(wěn)定性能力,為飛機(jī)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析人員提供簡(jiǎn)單、直觀的分析工具。
附圖說(shuō)明
圖1是多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)圖;
圖2是多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖;
圖3是本發(fā)明中飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型的等效電路圖;
圖4是本發(fā)明中實(shí)施例一的數(shù)值仿真與混合勢(shì)函數(shù)穩(wěn)定域結(jié)果對(duì)比圖;
圖5是本發(fā)明中實(shí)施例一的李雅普諾夫能量函數(shù)三維圖與等高圖;
圖6是本發(fā)明中實(shí)施例二的基于永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載的仿真示意圖;
圖7是本發(fā)明中實(shí)施例二的基于PMSM的系統(tǒng)短路數(shù)值仿真圖;
圖8是不同功率等級(jí)及濾波器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定域的影響示意圖。
附圖標(biāo)記:Ⅰ發(fā)電機(jī);Ⅱ自耦變壓整流器;Ⅲ防冰系統(tǒng)中的阻性負(fù)載;Ⅳ環(huán)境控制系統(tǒng)中電力電子驅(qū)動(dòng)的調(diào)速電動(dòng)機(jī);Ⅴ飛機(jī)操縱系統(tǒng)中電力電子驅(qū)動(dòng)的調(diào)速電動(dòng)機(jī);Veq電源;Leq直流側(cè)電感;Req直流側(cè)電阻;VD二極管;Ldc直流側(cè)濾波器電感;Rdc直流側(cè)濾波器電阻;Cdc直流側(cè)濾波器電容;R負(fù)載;A不穩(wěn)定區(qū)域;B穩(wěn)定區(qū)域;C穩(wěn)定域理論邊界
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型及大擾動(dòng)穩(wěn)定域構(gòu)建方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
(1)建立飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型
飛機(jī)電力系統(tǒng)主要包括發(fā)電機(jī)Ⅰ、自耦變壓整流器Ⅱ(Auto Transformer Rectifier,ATRU)、直流電力電子變換器、機(jī)載用電設(shè)備等。系統(tǒng)供電母線主要包括235V交流高壓母線、270V高壓直流母線以及28V低壓直流母線;機(jī)載用電設(shè)備主要為防冰系統(tǒng)中的阻性負(fù)載Ⅲ(Wing ice protection system,WIPS)、環(huán)境控制系統(tǒng)中電力電子驅(qū)動(dòng)的調(diào)速電動(dòng)機(jī)Ⅳ、飛機(jī)操縱系統(tǒng)中電力電子驅(qū)動(dòng)的調(diào)速電動(dòng)機(jī)Ⅴ等,其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
為研究飛機(jī)電力系統(tǒng)的大擾動(dòng)穩(wěn)定性,需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行合理、適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)由于具有良好的電壓控制作用,高壓交流母線電壓較穩(wěn)定,直流電力電子變換器、防冰系統(tǒng)中的阻性負(fù)載Ⅲ和飛機(jī)操縱系統(tǒng)中電力電子驅(qū)動(dòng)的調(diào)速電動(dòng)機(jī)Ⅴ負(fù)載的影響可以忽略[18],得到飛機(jī)電力系統(tǒng)的典型簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。
為簡(jiǎn)化分析,發(fā)電機(jī)Ⅰ可等效為理想電壓源,自耦變壓整流器采用平均值模型,電力電子驅(qū)動(dòng)的調(diào)速交流電動(dòng)機(jī)等機(jī)載用電設(shè)備由于控制器的快速響應(yīng)特性可視為負(fù)載,在上述合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,建立如圖3所示飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型的等效電路。所述飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型的等效電路包括依次串聯(lián)形成閉合回路的電源Veq、直流側(cè)電感Leq、直流側(cè)電阻Req、二極管VD、直流側(cè)濾波器電感Ldc、直流側(cè)濾波器電阻Rdc和負(fù)載R,所述負(fù)載R兩端并聯(lián)有直流側(cè)濾波器電容Cdc。
所述電源Veq為交流電源在直流側(cè)的等效電壓源,按以下公式計(jì)算:
其中,Vm為交流電壓幅值。
所述直流側(cè)電感Leq為自耦變壓整流器原副邊漏感和線路電感在直流側(cè)的等效電感,按以下公式計(jì)算:
Leq=2Lp+Ls (2)其中,Lp為自耦變壓整流器原副邊漏感,Ls為線路電感。
所述直流側(cè)電阻Req為考慮整流器換相重疊角等因素影響的直流側(cè)等效電阻,按以下公式計(jì)算:
其中,n=6.464。
(2)構(gòu)建穩(wěn)定域:基于飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型,確定系統(tǒng)的混合勢(shì)函數(shù),構(gòu)造系統(tǒng)的李雅普諾夫型能量函數(shù),結(jié)合混合勢(shì)函數(shù)穩(wěn)定性定理計(jì)算出系統(tǒng)的臨界能量,確定系統(tǒng)的穩(wěn)定域。
混合勢(shì)函數(shù)理論是一種適用于研究含非線性電感、電容、電阻等元件電路大擾動(dòng)穩(wěn)定性的方法,其通過(guò)構(gòu)造系統(tǒng)的李雅普諾夫型能量函數(shù),結(jié)合混合勢(shì)函數(shù)理論中的穩(wěn)定性判別定理,進(jìn)而研究系統(tǒng)的大擾動(dòng)穩(wěn)定性。
混合勢(shì)函數(shù)P可以根據(jù)系統(tǒng)電路中的元件和拓?fù)潢P(guān)系得到,其一般形式為
P(i,v)=-A(i)+B(v)+D(i,v) (4)
其中,i,v分別為電路中的電感電流和電容電壓,A(i)為電路的電流勢(shì)函數(shù),B(v)為電路的電壓勢(shì)函數(shù),D(i,v)=iT·γ·v為電路中電容的能量和部分非儲(chǔ)能元件的能量,γ為與電路拓?fù)溆嘘P(guān)的常系數(shù)矩陣。
系統(tǒng)的李雅普諾夫型函數(shù)可以由下式構(gòu)造:
其中,u1為矩陣L-1/2·Aii·L-1/2的最小特征值,u2為矩陣C-1/2·Bvv·C-1/2的最小特征值,L為電路中電感元件的對(duì)角矩陣,C為電路中電容元件的對(duì)角矩陣,
根據(jù)混合勢(shì)函數(shù)穩(wěn)定性定理,若u1+u2>0,則對(duì)所有屬于某區(qū)域中的i,v
P*(i,v)→∞ (6)
即當(dāng)t→∞,電路將達(dá)到穩(wěn)態(tài),系統(tǒng)保持穩(wěn)定。
依據(jù)圖3簡(jiǎn)化等效電路,可得系統(tǒng)狀態(tài)方程
其中,Lf為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中直流側(cè)電感Leq和直流側(cè)濾波器電感Ldc之和,Lf=Leq+Ldc;Rf為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中直流側(cè)電阻Req和直流側(cè)濾波器電阻Rdc之和,Rf=Req+Rdc;if為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的電感電流;vs為飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中的直流側(cè)濾波器電容Cdc電壓;pcpl飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型等效電路中負(fù)載R的功率值。系統(tǒng)的混合勢(shì)函數(shù)為
由上式可求得:
系統(tǒng)的李雅普諾夫型能量函數(shù)為
由穩(wěn)定性條件可知,臨界穩(wěn)定時(shí)u1+u2=0,得
推得
將Vsmin代入式(14),求得系統(tǒng)能量的最大值,作為系統(tǒng)的臨界能量
P*(if,vs)=max{P*(if,vsmin)} (17)將系統(tǒng)的臨界能量代入式(14)的左側(cè),并將系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)代入,可得右側(cè)vs、if須滿足的關(guān)系方程,并繪出此方程的圖像,即為系統(tǒng)關(guān)于vs、if的穩(wěn)定域。
本發(fā)明建立了同時(shí)包含交直流系統(tǒng)的飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型,并采用混合勢(shì)函數(shù)理論,研究了飛機(jī)電力系統(tǒng)的大擾動(dòng)穩(wěn)定性,建立了系統(tǒng)的穩(wěn)定域,為飛機(jī)電力系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力評(píng)估與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的分析方法。
本發(fā)明最佳實(shí)現(xiàn)方式為MATLAB環(huán)境,能夠?qū)崿F(xiàn)多電飛機(jī)電力系統(tǒng)的整體搭建以及本專利平均值模型的搭建。同時(shí)可以在其他任何具有電力系統(tǒng)仿真功能的軟件中實(shí)現(xiàn),具有較廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。
本發(fā)明所提出的混合勢(shì)函數(shù)求解飛機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定域的方法可以通過(guò)MATLAB編程或C++編程實(shí)現(xiàn),推薦使用MATLAB。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能和繪圖功能,能夠?yàn)榱Ⅲw展現(xiàn)本專利成果提供便利的手段。也可以在其他具有繪圖功能的軟件中實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例一:基于恒功率負(fù)載模型仿真結(jié)果
恒功率負(fù)載簡(jiǎn)化模型的仿真結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中負(fù)載R為恒功率負(fù)載,參數(shù)如表1所示。
表1飛機(jī)電力系統(tǒng)仿真參數(shù)(基于恒功率負(fù)載)
結(jié)合數(shù)值方法,針對(duì)不同的系統(tǒng)狀態(tài)初始點(diǎn)(2500點(diǎn))進(jìn)行“試探”仿真,通過(guò)判別各初始點(diǎn)能否收斂至平衡點(diǎn),對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定域進(jìn)行求解;與采用混合勢(shì)函數(shù)理論計(jì)算的穩(wěn)定域結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(計(jì)算結(jié)果已平移至原點(diǎn)),結(jié)果如圖4所示。可以看出,混合勢(shì)函數(shù)理論所求得的系統(tǒng)的穩(wěn)定域范圍具有一定的保守性,但已經(jīng)能夠包含平衡點(diǎn)附近主要運(yùn)行范圍,能夠用于描述系統(tǒng)的穩(wěn)定域,對(duì)評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定程度及抗擾動(dòng)能力能夠給出直觀的結(jié)果?!爸瘘c(diǎn)法”仿真在MATLAB環(huán)境中耗時(shí)15min,而混合勢(shì)函數(shù)理論計(jì)算耗時(shí)不足1s,計(jì)算時(shí)間大大縮短。
圖5給出了飛機(jī)電力系統(tǒng)平均值模型的李雅普諾夫能量函數(shù)P*(if,vs)的三維圖像以及等高圖??梢钥闯?,系統(tǒng)原點(diǎn)(即系統(tǒng)平衡點(diǎn))處能量函數(shù)最小,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài);系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)能量函數(shù)呈遞增狀態(tài),可定性判斷系統(tǒng)平衡點(diǎn)附近穩(wěn)定域的存在,且可依據(jù)系統(tǒng)能量函數(shù)定量求得系統(tǒng)穩(wěn)定域的范圍,為飛機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與評(píng)估提供直觀、方便的設(shè)計(jì)工具與分析方法。
實(shí)施例二:基于永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載模型的仿真結(jié)果
本文還進(jìn)行了采用永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)詳細(xì)模型作為負(fù)載的數(shù)值仿真。圖3中負(fù)載R為永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載,即永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載模型包括飛機(jī)電源側(cè)等效電路、逆變器、永磁同步電機(jī)及其控制器,如圖6所示。永磁同步電機(jī)及其控制器相關(guān)參數(shù)如表2所示。
表2永磁同步電機(jī)參數(shù)
短路故障是飛機(jī)機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)中常見(jiàn)的大擾動(dòng)情形,進(jìn)行了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)短路故障的仿真實(shí)驗(yàn),如圖7所示。故障前系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài),出現(xiàn)短路故障后,系統(tǒng)電壓突然跌至零;故障切除之后,系統(tǒng)重新區(qū)域穩(wěn)定。圖7中仿真為臨界結(jié)果,故障時(shí)間為最大臨界切除時(shí)間。圖7中還給出了采用混合勢(shì)函數(shù)理論所求得的系統(tǒng)大擾動(dòng)穩(wěn)定域,從圖7中可以得出結(jié)論:混合勢(shì)函數(shù)計(jì)算所得穩(wěn)定域范圍覆蓋了系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要范圍,能夠用于評(píng)估系統(tǒng)抵抗大擾動(dòng)的能力,指導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
由上述實(shí)施例可知,采用混合勢(shì)函數(shù)理論研究系統(tǒng)的大擾動(dòng)穩(wěn)定域,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單、耗時(shí)短。圖8給出了系統(tǒng)功率、濾波電容參數(shù)變化對(duì)穩(wěn)定域的影響??梢钥闯觯旌蟿?shì)函數(shù)理論能夠非常方便地用于研究系統(tǒng)穩(wěn)定域隨系統(tǒng)參數(shù)的變化情況,對(duì)指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。
盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的功能及工作過(guò)程進(jìn)行了描述,但本發(fā)明并不局限于上述的具體功能和工作過(guò)程,上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的,而不是限制性的,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下,在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下,還可以做出很多形式,這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。