基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法与流程

本发明涉及一种飞机电力系统稳定性分析方法，尤其涉及一种基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法，通过对飞机电力系统分布式结构中源级和负载级之间输出输入阻抗比进行分析，实现准确的对飞机电力系统稳定性进行判定。

背景技术：

飞机电力系统是飞机的基本系统之一，电力系统的性能和状态对飞机性能及安全有决定性的影响。全电/多电飞机技术是一项全新技术，它改变了传统的飞机设计理念，它是飞机技术发展史的一次创新，该技术的研究具有重要的意义。随着飞机对电能的需求与依赖性提高，各系统间的交联关系也将发生重大改变，与常规飞机相比，随着用电设备的增多，用电功率的增大，各个设备间工作的协调性也日益复杂。为了保证飞行安全，为了保证任务完成，对电力系统稳定性的快速判定具有重要意义。

在Middlebrooks稳定性判据的基础上进行禁止区域的缩小，应用到飞机电力系统稳定性的分析上，阻抗比判据使源级的优化设计变得简单,不需要知道负载级的全部信息,只要知道负载变换器闭环输入阻抗的最小值即可。通过对开环传递函数、音频衰减及闭环输出阻抗的分析还可以对源级系统稳定裕度与动态性能情况有所了解。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法，可以实现飞机在带不同负载情况下，满足对负载正常切换时的稳定性判定需求。

本发明的采用的技术方案为提供一种基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法，该方法包括以下步骤:该分析方法是在多电飞机分布式供电系统在飞机配电系统的基础上，提出基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法，其特征是：该分析方法包括以下步骤：

1)依据飞机电力系统不同负载结构，建立飞机电力系统等效电路

利用dq变换理论，对所述分布式供电系统中交流发电系统、逆变器进行电路变换，通过参数等效简化分析电路，针对所述飞机配电系统带有交流、直流负载，直流负载又分恒功率、恒电压负载和恒电流负载的不同情况，通过dq变换和参数等效的方法推导出飞机电力系统等效电路，以飞机电力系统中直流总线为分界点，交流发电机与直流总线之间的等效电路(含发电机)称之为源级，包括交流发电机，整流器以及传输线，直流总线与负载之间(含负载)称之为负载级，包括：逆变电路，交流负载，闭环调节电路和直流负载；

在含有交流发电机和交流负载的电路结构中，需要通过dq变换和dq逆变换建立等效电路，根据公式变换后，假定q轴电路输入为0，只需考虑d轴等效电路得到：

dq变换公式：

dq逆变换公式：

2)计算源级的输出阻抗Z_o

根据步骤1)中所建立的等效电路，计算源级输出阻抗Z_o和负载级输入阻抗Z_i，其中源级输入电压V_e,dq，等效电阻R_e,dq，电感L_e,dq，电容C_e，则源级输出阻抗：

3)计算负载级的输入阻抗Z_i

根据步骤1)中针对包括不同负载的负载级电路的输入阻抗需要分别计算：

交流负载：由于包含交流负载部分的电路含有逆变电路，需要将逆变电路部分作为负载去计算：式中：R,L,C和Z分别为逆变电路经dq变换后d轴等效电路中的等效电阻，等效电感，等效电容和交流负载等效阻抗；

直流负载：确定等效电路中各参数：输入电压u_i，输入电流i_i，输出电压u_o，输出电流i_o，占空比d，参考电压u_ref的扰动量；K为电压(电流)反馈系数；G为电压(电流)调节器(包括脉宽调制部分)，线路等效电阻R，等效电感L，等效电容C；

根据步骤1)中所建立的飞机电力系统等效电路和参数计算以下传递函数：

控制到输出传递函数：

开环输入电阻：

控制到输入电流传递函数：

负载级输入阻抗计算如下：

恒电压负载：电压恒为U，负载级开环输入阻抗为开环传递函数为T_v＝K·G·G_vd

负载级闭环输入阻抗：Z_i＝Z_io(1+T_v)(T_v为负载级传递函数)

代入参数得：

恒功率负载：功率恒为P，负载级开环输入阻抗为开环传递函数为T_v＝K·G·G_vd

代入参数得：

恒电流负载：电流恒为I，负载级开环输入阻抗为开环传递函数为T_v＝K·G·G_id

代入参数得：

4)基于阻抗比判据分析飞机电力系统的稳定性

根据阻抗比判据|Z_i|>|Z_o|或者GM＜20lg|Z_o|-20lg|Z_i|且

180°-PM＜∠Z_o-∠Z_i＜180°+PM，GM为幅值裕度，一般为6dB；PM为相角裕度为60°，分析电力系统稳定性，即|Z_i|>|Z_o|或者6＜20lg|Z_o|-20lg|Z_i|，120°＜∠Z_o-∠Z_i＜240°，电力系统稳定，即：

①针对交流负载需满足：或者

且

②针对恒电压负载需满足：

或者且

③针对恒功率负载需满足：

或者且

④针对恒电流负载需满足：或者且

本发明的效果是该稳定性分析方法可以根据电力系统带不同负载的情况，对不同动态性能下的系统稳定性进行有效的分析；在飞机电力系统设计时，可以使源级变换器的优化设计变得简单，不需要知道负载级的全部信息，只要知道负载级闭环输入阻抗的最小值，便能按单独工作模式的优化设计方法设计源级系统，保证带负载工作时，源级系统具有期望的动态性能。

附图说明

图1为本发明的方法步骤框图；

图2为多电飞机电力系统实施例结构图；

图3为本发明的交流供电部分dq变换电路图；

图4为本发明的源级和负载级等效电路示意图。

图中：

1、飞机三相交流发电机 2、变压器 3、12脉波整流器 4、低通滤波器

5、逆变器 6、直流负载 7、恒电压负载 8、恒电流负载 9、恒功率负载

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于改进阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法作进一步详细的说明。

本发明的基于改进阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法的设计思想是依据飞机电力系统不同负载结构，建立飞机电力系统等效电路；根据所建立的飞机电力系统的等效电路，确定飞机电力系统的级联系统结构，计算源级的输出阻抗Z_o和负载级的输入阻抗Z_i；分别将计算所得的源级输出阻抗与负载级输入阻抗进行比较；根据阻抗比判据分析飞机电力系统的稳定性，并且对影响飞机电力系统稳定性的因素进行分析。

本发明的基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法，它包括以下步骤：、

1)如图2所示，首先针对飞机电力系统结构，建立其等效电路。

针对飞机电力系统中交流供电部分，包括如图2中飞机三相交流发电机1和变压器2(TRU)、12脉波整流器3以及低通滤波器4的参数通过dq变换建立等效电路，假设变换后q轴电路输入为0，所以只需考虑d轴等效电路即可。

dq变换由公式：

得到。

负载中有逆变器的等效电路由dq逆变换得到，公式为：

2)根据1)中所建立的等效电路，确定级联系统结构，划分源级和负载级结构组成。

3)如图1中所示步骤，计算源级输出阻抗Z_o和负载级输入阻抗Z_i。

在d轴等效电路基础上确定源级输入电压V_e,dq，等效电阻R_e,dq，电感L_e,dq，电容C_e，则源级输出阻抗：

交流负载：由于包含交流负载部分的电路含有逆变电路，如图2中12脉波的逆变器5，需要将逆变电路部分作为负载去计算。式中：R,L,C和Z分别为逆变电路经dq变换后d轴等效电路中的等效电阻，等效电感，等效电容和交流负载等效阻抗。

直流负载：如图2中电池组等直流负载6，需要确定等效电路中各参数：输入电压u_i，输入电流i_i，输出电压u_o，输出电流i_o，占空比d，参考电压u_ref的扰动量；K为电压(电流)反馈系数；G为电压(电流)调节器(包括脉宽调制部分)，线路等效电阻R，等效电感L，等效电容C。

根据2)中所建立的飞机电力系统等效电路和参数计算以下传递函数和输入阻抗：

控制到输出传递函数：

开环输入电阻：

控制到输入电流传递函数：

负载级输入阻抗计算：

恒电压负载：如图2中恒电压负载7所示，电压恒为U，负载级开环输入阻抗为开环传递函数为T_v＝K·G·G_vd

负载级闭环输入阻抗：Z_i＝Z_io(1+T_v)(T_v为负载级传递函数)

代入参数得：

恒功率负载：如图2中恒电功率载9所示功率恒为P，负载级开环输入阻抗为开环传递函数为T_v＝K·G·G_vd

代入参数得：

恒电流负载：如图2中恒电流负载8所示电流恒为I，负载级开环输入阻抗为开环传递函数为T_v＝K·G·G_id

代入参数得：

4)如图1中所示步骤，根据阻抗比判据|Z_i|>|Z_o|或者GM＜20lg|Z_o|-20lg|Z_i|且180°-PM＜∠Z_o-∠Z_i＜180°+PM，式中GM为幅值裕度，一般为6dB；PM为相角裕度为60°，分析电力系统稳定性，即6＜20lg|Z_o|-20lg|Z_i|，120°＜∠Z_o-∠Z_i＜240°，系统稳定。

本发明的基于阻抗比判据的飞机电力系统稳定性分析方法功能是这样实现的：

1)针对图2中某飞机电力系统实施例结构，建立其等效电路。

如图3、4所示，针对飞机电力系统中交流模块通过dq变换建立等效电路，以及源级、负载级等效电路示意图。假设变换后q轴电路输入为0，所以只需考虑d轴等效电路即可。

dq变换由公式：

得到。

负载含逆变电路的需要dq逆变换由公式：

得到，以此推导出dq变换电路，如图3所示。

2)根据1)中所建立的等效电路，划分源级和负载级结构，如附图4所示。

3)计算源级输出阻抗Z_o和负载级输入阻抗Z_i。

①在d轴等效基础上确定源级输入电压V_e,dq，等效电阻R_e,dq，电感L_e,dq，电容C_e，输出电压V_o，负载级输入电流i_i，对Z_o进行计算：

由图2中参数计算图3中等效电路中的参数：式中：

式中参数：传输线电阻R_T、自耦变压器原边电阻r_p、副边电阻r_s、直流母线电阻、传输线电感、自耦变压器原边电感、副边电感以及直流母线电感

代入Z_o计算公式得：

②交流负载部分，确定等效电阻R'_e,dq，电感L'_e,dq，电容C'_e。对进行计算。

带入参数带入计算公式得到：

③直流负载部分，在等效电路的基础上，确定电路中参数：输入电压u_i，输入电流i_i，输出电压u_o，输出电流i_o，占空比d，参考电压u_ref的扰动量，参考电压i_ref的扰动量；K_v，K_i为电压和电流反馈系数；G_v，G_i为电压和电流调节器(包括脉宽调制部分)，SPWM控制器传递函数为H_v。

根据图3中数值得到：u_i＝V_dc，i_i＝I_in-cv，u_o＝V_cv，i_o＝i_cv；

电压反馈系数

根据步骤1中所建立的等效电路和参数计算以下传递函数：

控制到输出传递函数：

开环输入电阻：

控制到输入电流传递函数：

恒电压负载时：负载电源恒为U，负载级闭环输入阻抗为Z_i＝Z_io(1+T_v)(T_v为负载级传递函数)

各参数值带入Z_i的计算公式得到：

恒功率负载时：负载功率恒为P，负载级闭环输入阻抗为Z_i＝Z_io(1+T_v)(T_v为负载级传递函数)

各参数值带入Z_i的计算公式得到：

恒电流负载时：负载电流恒为I，负载级闭环输入阻抗为Z_i＝Z_io(1+T_v)(T_v为负载级传递函数)

各参数值带入Z_i的计算公式得到：

4)根据阻抗比判据|Z_i|>|Z_o|或者GM＜20lg|Z_o|-20lg|Z_i|，且

180°-PM＜∠Z_o-∠Z_i＜180°+PM，GM为幅值裕度，一般为6dB；PM为相角裕度为60°，分析电力系统稳定性,即6＜20lg|Z_o|-20lg|Z_i|，120°＜∠Z_o-∠Z_i＜240°，电力系统稳定，否则系统不稳定。

由此，本发明实现了基于阻抗比判据的飞机电力系统的稳定性分析，满足了不同动态情况下飞机电力系统稳定性分析的需求。