多电飞机电力系统结构优化与稳定性分析

The power system of a more electric aircraft (MEA) has two main features, one is its power system capacity is greatly increased and the other is its power distribution relies highly on the power electronics converters. These two features may cause challenges to the stability of the power system. Therefore, it is an urgent for the aviation industry to research into the power system stability issues of MEA. Several efforts will be made in this project to handle such issues: firstly, the way to rationalize the power system architecture and the way to develop a more generalized system architecture will be deeply analyzed. Then, the modeling method to obtain a reduced-order yet high accurate model of the generalized power system is to be studied. Thirdly, the detailed interactions among the subsystems and the way they impact on the system stability are going to be addressed. A design theory for optimizing the system parameters will be proposed with which the system stability can be greatly enhanced. Finally, a linked model between the engine and the whole power system will be proposed, based on which researches are conducted to find out the way the interactions between these two systems will influence the system stability. A novel power control strategy will be further proposed to help avoid the unexpected interactions. The main outcomes of this project including a stability design theory and an optimized power control strategy which are very good to enhance the stability operation of the whole system. The researches of this project will lay a good theoretical basis for the development of MEA technologies.

多电飞机电力系统容量的增加及其大量依靠电力电子变换装置进行配电的特点为其电力系统的稳定运行带来了挑战，研究多电飞机电力系统稳定性的分析与设计方法，是现阶段航空工业急需面对和解决的关键问题。本申请项目对多电飞机电力系统的稳定性问题展开深入研究，主要包括：①优化多电飞机电力系统的结构，研究扩展广义电力系统结构的方法；②研究广义电力系统的高精度降阶模型的建立方法；③研究电力系统子系统间的相互作用机理，通过分析电力系统参数与系统稳定性的关系，提出参数优化设计准则；④研究电力系统与发动机内在联系模型的建立方法，并基于该模型分析两者间相互作用的机理，提出可避免有害相互作用的功率控制策略。本项目研究最终将形成一套适用于多电飞机电力系统的参数优化设计准则和功率控制策略，研究所得有助于完善多电飞机电力系统稳定性分析与设计的理论与方法，对发展多电飞机技术具有重要的理论价值和广阔的应用前景。

随着民用航空工业的快速发展，燃油消耗量快速增加，飞机废气（CO2、NOx等）及噪音排放量大大增加，对环境的影响日趋严重。为了解决这一问题，民航工业开始大力推行多电飞机技术（More Electric Aircraft，MEA）。MEA技术提出更多的使用高效的电能来代替飞机其他形式能量，如气压能、液压能和机械能，从而提高系统效率，降低油耗，实现节能减排的目的。随着MEA机载设备的复杂度与电气化程度提高，需要对飞机配电结构进行优化，减小系统的体积重量。同时MEA中更多地使用电力电子变换器及电机驱动系统，其恒功率负载特性使电力系统的稳定性面临着巨大挑战。本项目对现代飞机的电力系统结构进行了全面的分析，在总结出优化结构的基础上对其稳定性问题展开了深入研究，并对飞机电力系统的参数提出优化设计准则，主要工作及取得结果概括如下：.① 通过现状调研，指出MEA是现代航空工业的发展趋势，并通过研究现状指出稳定性分析对未来MEA发展的重要性。.② 选取了四种具有代表性的现代飞机电力系统结构作为本项目结构优化选取对象，首先从整体系统减重方面对四种结构进行了完备的分析与比较，初步筛选出有益飞机减重的系统结构；之后，对初选结构进行了稳定性分析，得出了在减重与稳定性方面均最优的电力系统结构作为本项目的研究对象。.③ 确立了系统中源、荷及功率变换环节的具体类型，建立了各部件高精度动态模型，并通过联立各部件模型建立起MEA电力系统模型。基于模型研究了电力系统中子系统相互作用对系统稳定性的影响，并通过大信号稳定性分析，得出系统参数优化设计准则。此外，通过参数敏感度分析，得出了控制参数对系统稳定性的影响规律，提出了控制参数的优化设计准则。为了解决部分系统参数限制问题（即不能通过优化设计这些参数来保证系统稳定性），本项目提出了一种基于虚拟电容的稳定性补偿方法，保证了系统的全局稳定性。.④ 在Matlab/Simulink中建立了功率等级为200kW的MEA电力系统仿真模型，通过仿真分析验证了本项目研究所选取的电力系统结构的稳定性分析与系统参数设计理论的正确性。