分布式电推进飞机混合电源系统能量优化管理策略研究

To accomplish the goal of long endurance flight, high efficiency of energy conversion of hybrid power system (HPS) , and reducing the consumption of fuel oil to make sure the better power quality in distributed electrical propulsion aircraft (DEPA), the study of energy management strategies (EMS) in HPS need to be carried out. Regarding the disadvantages of current energy optimal management strategies such as the simple procedure of working mode for the HPS, the single optimal object function, and little consideration to the constraint conditions of power quality, The mechanism of energy flow between the device in the HPS will be analyzed in detail, then the energy optimal model in which the actual energy change in real time can be reflected will be built, the optimal algorithm for energy management is developed based on this model. So the global optimal energy distribution of HPS can be achieved. This project will reveal the correlative mechanism of power flow in HPS. The stochastic distribution model of power demanding under different flight mode will be build. The effective factors on power quality in HPS which is caused by the transition between the different flight mode will be investigated. Based on these analysis, optimal energy model of HPS will be built in which the constraint conditions of energy device such as operational limitation will be integrated. The algorithm of EMS will be proposed based on the coordinated optimal algorithm which will be consist of stochastic dynamic programming (SDP ) and model predictive control (MPC). Finally, The Hard-in-loop (HIL) integrated platform of EMS of HPS will be built to verify the proposed EMS. Successful implementation of methods proposed will effectively improve the optimal power distribution of DEPA against different flight scenario, and further improve the reliability and flight safety of distributed electrical propulsion aircraft.

为满足分布式电推进飞机长航时飞行需求，提高混合电源系统能量转换效率，降低燃油损耗排放，确保飞机电能质量，需开展飞机混合电源系统能量优化管理策略研究。针对常规能量管理策略存在工作模态较为简单、优化目标较为单一，对系统电能质量等约束条件考虑不够的缺点，本项目旨在分析分布式电推进飞机能量流动耦合机理，在此基础上建立反映分布式电推进飞机能量变化工况的实时优化算法，高效完成能量的优化配置。研究内容包括：1）研究分布式电推进系统的能量流动耦合机理，建立飞机在不同飞行模态下的能量需求变化的随机分布模型，研究在不同飞行模态切换时对电气系统电能质量的影响； 2）建立混合电源系统的能量优化模型，考虑到各个部件的约束条件，研究基于随机动态规划和模型预测控制的协作优化算法；3）建立混合电源系统能量管理策略验证仿真试验平台进行验证。通过项目基础研究，实现分布式电推进飞机能量的优化分配，提高系统可靠性和安全性。

本项目针对分布式电推进飞机混合电源系统能量管理关键技术开展研究，结合分布式电推进飞机的不同飞行模态，开展能量流动的机理研究，建立电推进混合电源系统的动态数学模型，进行系统架构和性能的评估优化技术研究，在此基础上，针对典型能量优化管理策略和功率控制技术研究，针对新能源电动飞机的关键技术包括油电混合、燃料电池、光伏电池、锂电池组等混合电源进行动态优化分配技术研究，采用了基于规则、模糊逻辑、粒子群优化、鲁棒优化、动态规划、基于深度学习的模型预测控制、强化学习控制等优化策略，开展了混合电源系统能量管理研究，在理论研究基础上，搭建了半物理实验仿真平台，同时设计了分布式电推进飞机的原理样机，进行了实际的试飞实验，验证了不同能量管理策略的有效性和合理性，揭示了分布式电推进飞机能量推进系统与飞机飞行气动特性之间的耦合关系，同时基于飞行姿态和飞行包线数据，对能量管理策略的效果进行了评估，从基于解析优化到数据驱动的能量管理算法对分布式电推进飞机的功率变化不确定性进行了深入研究，证明了不同算法的适用性和有效性，为基于多模态飞行模式的分布式电推进飞机的推进系统设计，能量优化综合管理以及综合控制，混合电源系统的稳定性分析和协同控制提供了理论和实验依据，本项目的研究成果可在无人机特种应用场景使用，具有航时长，低噪音，红外辐射小等优点，满足任务载荷多样化要求。在民用领域，可以应用到精准农业管理，电力系统自动巡线，林业监测和森林防火监视，城市短途快递物流，城市交通流量监测，城市环境污染监测等多个领域，具备很好的经济应用价值。