一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法

技术领域

本发明涉及飞机电力系统技术领域，尤其涉及一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法。先针对整个飞行过程中最重要且持续时间最长的巡航阶段。

背景技术

为节能减排、降低成本和提高发动机的驱动效率，现代飞机逐渐将传统飞机上的液压、气压能源用电能取代，同时用电气驱动负载取代原来发动机直接驱动的机械、液压和气动驱动负载。由此在趋于电气化的现代交通运输工具中，提出“多电飞机”这种空中载体概念，并取得飞机工业发展的公认引领地位。鉴于其不可替代的优点，多电飞机甚至全电飞机技术必将成为未来飞机的重要发展方向。

目前最接近全电飞机的波音公司典型机型B787，最大程度上保留了传统多电飞机设计的优点和特色，最大发电功率能够达到1400kV·A。B787电源系统包括4台安装于左右两个发动机上的主发电机、2台安装于辅助动力装置的辅助动力发电机和1台由冲压空气涡轮系统驱动的冲压空气涡轮发电机。整个电源系统除了传统的115V交流、28V直流之外，还新增了230V交流和±270V直流，其中倍增交流电压可以有效降低配电系统的损耗。因此需要将主发电机产生的交流电进行变压、整流变换成不同电压等级以满足不同机载用电设备的正常运行。B787的正常工作状态由主发电机进行供电，应急状态由辅助动力发电机进行供电。交流发电机产生230V交流电，其汇流条之间通过断路器相连，在发生故障时可以进行相互切换保证冗余供电，供给油泵、机翼除冰、加热器、风扇等负载。经过自耦变压整流器变压整流得到的±270V高压直流电到达其汇流条，主要驱动大功率电机控制类负载。经过自动变压器变压得到的115V交流电到达其汇流条，给风扇、窗加热、前中厨房和远程电源管理系统等用电设备供电。同理，经过变压整流器变压整流得到的28V直流电到达其汇流条，提供蓄电池、燃油泵、汇流条功率控制组件和发电机控制组件等负载用电。

随着电驱动负载的逐步推广应用，多电飞机电力系统的兼容性与稳定性问题也得到了越来越多的重视，其兼容性与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。因此，在容量大、结构复杂的多电飞机电力系统中，兼容性与稳定性问题日益突出，制约着多电飞机电力系统的设计、控制及负载允许变化范围等。

在进行电力系统兼容性和稳定性分析研究中，潮流计算是最基础也最为有效的分析方法。面对日益大型化的多电飞机电力系统，在故障出现时对电网各项参数的监控以及在网络重构时如何最安全、经济、可靠的完成供电安排，需要潮流计算结果作为参考。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法，可以反映多电飞机电力系统静态特性，能够有效计算不同飞行阶段的潮流情况，能够有效解决现有技术中潮流计算收敛性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法，包括以下步骤：

1)依据多电飞机电网拓扑结构，建立多电飞机电力系统各环节的等值电路模型，进行交-直变换部分潮流计算；

2)将全部直流网络看作一个节点，采用基于电流的前推回代法进行交流网络潮流计算；

3)首先针对巡航阶段计算，再对其他飞行阶段同样进行电气负载统计、分析并开展潮流计算。

步骤1)所述多电飞机电力系统潮流计算等值电路模型包括发电机、传输线路、电能变换装置、用电负荷；其中发电机模型是对多电飞机一次电源的等值；传输线路模型是对多电飞机电力系统中输电线路的等值，交流线路等值为阻抗，直流线路等值为电阻；电能变换装置模型是对多电飞机电力系统中自耦变压器、变压整流器以及自耦变压整流器的等值；用电负荷模型是对多电飞机电力系统中各电压等级对应的实际负载的等值。

步骤1)所述交-直变换部分潮流计算，是根据已知线路首端发电机端电压和线路末端用电负荷端功率，通过改进的变压整流器方程和线路基本方程求解出交流系统注入直流系统的有功功率、无功功率和直流侧电压：

其中，G、B为变压整流器的等效电导和电纳，U

所述交流网络潮流计算过程中的多电飞机电网输电线路的具体阻抗参数通过飞机线缆相关标准确定。

步骤2)所述交流网络潮流计算通过不断的交替迭代求解整个潮流计算过程，直到满足精度要求，得到全网功率和电压分布。

步骤3)所述交替迭代求解主要过程为：由首次潮流计算的结果可以得到全网的电压分布，可得各汇流条节点电压，将其与初设值进行比较，若差值大于等于迭代精度，则将本次计算值重新作为基准节点电压进行迭代计算；若差值小于迭代精度，则说明迭代计算已经收敛，计算结束，将该次计算结果作为多电飞机电力系统的稳定运行状态。

步骤2)所述交流网络潮流计算过程将节点电流作为计算变量，采用基于电流的前推回代潮流算法，主要步骤如下：

1)基于基尔霍夫定律，通过回代过程计算各个负荷节点的等值注入电流、并对支路电流进行求和计算，前推过程将发电机端电压作为已知条件计算各个支路电压降以及各支路末端电压：

式中，k为迭代次数，I

2)将各支路电流叠加可以得到干路总电流，由发电机到主交流汇流条输电线路参数可得该线路的功率损耗；由计算得到的各直流系统从主交流汇流条吸收的功率和其他交流汇流条从主交流汇流条吸收的功率，再加上主交流汇流条上的交流负荷和干路的功率损耗，即可得到发电机总功率：

P

Q

步骤3)所述的其他飞行阶段是指地面、起发、滑行、爬升、下降和着陆。根据多电飞机工作阶段的不同，交直流负载的工作和用电状态都会发生变化，因此需要将一次飞行任务划分为地面、起发、滑行、爬升、巡航、下降、着陆等不同工作阶段进行电气负载统计、分析和后续的潮流计算；其中，巡航阶段最为重要且持续时间最长，首先对巡航阶段展开潮流计算具有普遍意义。

本发明的有益效果是：本发明结合陆地和船舶电力系统的潮流分析方法，分析多电飞机电力系统的特点，在基于陆用潮流算法的基础上对适用于多电飞机的潮流计算算法开展分析和研究；本发明根据多电飞机实际拓扑结构建立的等值电路模型开展潮流计算，将每根汇流条展开进行精确计算，得到的潮流计算结果更能反应多电飞机的静态特性；本发明根据交直流负载不同阶段用电数据改变相关原始参数展开潮流计算，得到不同飞行阶段的潮流分布，能够有效解决现有技术中潮流计算收敛性差的技术问题；本发明可为多电飞机电力系统的参数配置及多电飞机电力系统持续高效稳定运行提供有价值参考，也为后续进行健康管理、故障诊断及其他相关研究提供理论基础。

附图说明

图1为某型多电飞机电力系统拓扑结构图；

图2为本发明提供的多电飞机电力系统潮流算法全网总览图；

图3为本发明提供的潮流算法中交-直变换部分潮流计算的结构示意图；

图4为本发明提供的潮流算法中交流网络部分潮流计算的结构示意图；

图5为本发明一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法的实施流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法做进一步说明。

如图1所示，多电飞机电源系统主要由四个主发电机、两个辅助动力发电机和一个冲压空气涡轮发电机组成，主发电机发出的230V交流电主要有四个去向，其中第一部分直接接230V交流负荷，第二部分经过自耦变压整流器变压整流得到±270V高压直流电到达高压直流汇流条，第三部分经过自动变压器变压得到115V交流电到达其汇流条，第四部分经过变压整流器变压整流得到28V直流电到达低压直流汇流条；

本发明的一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法，包括以下步骤：

1)如图1所示的多电飞机电网拓扑结构，建立包括发电机、传输线路、电能变换装置、用电负荷在内的多电飞机电力系统各环节的等值电路模型，其中发电机模型是对多电飞机一次电源的等值、传输线路模型是对多电飞机电力系统中输电线路的等值、电能变换装置模型是对多电飞机电力系统中自耦变压器和变压整流器以及自耦变压整流器的等值、用电负荷模型是对多电飞机电力系统中各电压等级对应的实际负载的等值，其中交流线路和直流线路分布等值为阻抗和电阻，得到多电飞机电力系统潮流计算全网总览图，如图2所示。

图3为交-直变换部分潮流计算的结构示意图，230V汇流条中的交流电经变压整流后经输电线路后到达±270V直流汇流条，将变压整流器简化为变压器、整流器和损耗三个部分，其中变压整流器的损耗等效为等效电阻R和等值电抗X，另外输电线路的损耗等效为电阻R

根据图3建立的等值电路模型，得到基本电压关系：

U

其中，变压器变比为k

假设整流器交流侧各交流汇流条相电压均为对称且平衡的正弦波、变压整流器本身完全对称平衡运行、忽略变压器和整流器的谐波分量、整流器直流侧直流电压和直流电流是稳定连续的，则变压整流器损耗等效为：

X＝2πfL

其中，R、L为变压整流器的等效电阻和电感，X为等值电抗，r

由此可得基本功率关系：

P＝P

Q＝Q

其中，P、Q分别为从交流主汇流条注入该变压整流器的有功和无功功率，P

此外，为方便讨论，令：

δ＝δ

其中，G、B为变压整流器的等效电导和电纳，δ

由此得到图3所示稳态模型潮流计算的基本方程为：

2)将全部直流网络看作一个节点，采用基于电流的前推回代法进行交流网络潮流计算；

多电飞机电网输电线路的具体线缆参数可以通过相关标准《Wire,Electrical,Fluoropolymer-Insulated,Copper or Copper Alloy》查到，而不同电压和电流等级选用不同线规的线缆可以通过相关标准《Wiring Aerospace Vehicle》来确定；由此，可以得到输电线路具体的阻抗参数；

交流网络潮流计算将节点电流作为计算变量，采用基于电流的前推回代潮流算法，主要步骤如下：

由图4所示结构建立方程，通过回代过程计算各个负荷节点等值注入电流、并对支路电流进行求和计算，在前推过程将发电机端电压作为已知条件计算各个支路电压降以及末端电压：

式中，k为迭代次数，I

将各支路电流叠加可以得到干路总电流，由发电机到230V汇流条输电线路参数可得该线路的功率损耗；由计算得到的各直流系统从230V汇流条吸收的功率和交流115V汇流条从230V汇流条吸收的功率，再加上230V汇流条上的交流负荷和干路功率损耗，即可得到发电机总功率：

P

Q

3)通过不断的交替迭代求解整个潮流计算过程，直到满足精度要求，得到全网功率和电压分布；

交替迭代求解主要过程为：由首次潮流计算的结果可以得到全网的电压分布，可得各汇流条节点电压U

综上所述，本发明一种适用于多电飞机电力系统的潮流计算方法的实施流程图如图5所示。

4)整个潮流计算过程首先针对巡航阶段，巡航阶段计算完毕后再对其他飞行阶段同样进行电气负载统计、分析并开展潮流计算；

根据多电飞机工作阶段的不同，交直流负载的工作和用电状态都会发生变化，因此需要将一次飞行任务划分为地面、起发、滑行、爬升、巡航、下降、着陆等不同工作阶段进行电气负载统计、分析和后续的潮流计算；其中，巡航阶段最为重要且持续时间最长，首先对巡航阶段展开潮流计算具有普遍意义。

本发明一实施例用于某型多电飞机电力系统的潮流计算。

如图2所示，本实施例建立包括发电机、传输线路、电能变换装置、用电负荷在内的多电飞机电力系统各环节的等值电路模型，其中发电机模型是对多电飞机一次电源的等值、传输线路模型是对多电飞机电力系统中输电线路的等值、电能变换装置模型是对多电飞机电力系统中自耦变压器和变压整流器以及自耦变压整流器的等值、用电负荷模型是对多电飞机电力系统中各电压等级对应的实际负载的等值，其中交流线路和直流线路分布等值为阻抗和电阻；在巡航阶段，系统正常运行的情况下，发电机端相电压有效值为235V、频率为400Hz；由于18脉波自耦变压器变压过程输出18个夹角为20°的电压矢量，等效为只进行相位上的变化而不进行幅值上的改变，所以取等效变压器变比为1；通过查阅相关技术手册，变压器的一次和二次绕组的电阻和电感分别为8.136mΩ、83.7μH和3.729mΩ、61.1μH；采用如图3所示结构进行交-直变换部分潮流计算之后，将全部直流网络看作一个节点，采用基于电流的前推回代法进行交流网络潮流计算；通过不断的交替迭代求解整个潮流计算过程，直到满足精度要求，得到全网功率和电压分布；通过改变发电机端电压来模拟不同飞行阶段的变化，改变参数后采用相同的方法可对其他飞行阶段同样进行电气负载统计、分析，开展潮流计算。

本实施例计算结果可以看出，发电机做功在地面和起发阶段的功率需求较小，发电机做功有功功率在不同的飞行阶段波动明显、爬升和巡航阶段有功需求较大，无功功率整体比较平稳、其中巡航阶段无功需求最大；各230V汇流条电压的变化趋势基本一致，在滑行和巡航阶段电压相对其他阶段较高，在着陆阶段电压最低；各115V汇流条在滑行、巡航和下降阶段电压较低，着陆阶段电压最高；各270V汇流条电压的变化趋势基本一致，其中巡航阶段电压相对其他阶段较高，下降和着陆阶段电压较低；各28V汇流条电压的变化趋势基本一致，其中巡航阶段电压最高，其他阶段整体电压比较平稳。

本发明可为多电飞机电力系统的参数配置及多电飞机电力系统持续高效稳定运行提供有价值参考，也为后续进行健康管理、故障诊断及其他相关研究提供理论基础。

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。