前言
多电飞机利用电力逐渐取代传统飞机的水力、气动和机械能源，大大提高了飞机嵌入式系统的可靠性和维修，优化了飞机的能源效率多燃料飞机已成为提高飞机技术和战术性能以及支持绿色航空发展的重要手段。与传统飞机相比，多电飞机需要增加空运系统的容量、电力密度、可靠性和容错能力。
1新型电气负载的变化与影响
多电动飞机二次能量的变化导致电荷性质的巨大变化,不仅对电力系统构成挑战,而且危及飞机电力系统的电能质量。主要表现在以下几个方面:(1)大功率电机负荷明显增加。为了用电力传动系统代替机械传动,液压传动和气动传动的负荷,电动机将被广泛使用,由于需要考虑效率,体积和重量,这些电动机大多采用永磁高速电动机。当发动机启动和制动时,电力可以增加几倍。例如,大功率静电液体致动器(EHA)和机电致动器(EMA),电机功率达到几十千瓦。这些设备的运行会给供电系统带来严重的潮汐和过电压,影响供电系统的稳定性,因此有必要考虑供电和负载的兼容性。(2)电力电子负载大大增加。需要调速的发动机必须使用电力电子设备,而飞机所需的其他形式的二次电源则需要使用电力转换器,这使得电力电子设备成为飞机电网的主要电荷。这些器件大多采用整流器和高频控制技术,给网络带来了大量的噪声、高谐波和脉冲,极大地影响了网络质量。(3)增加负担。过去,飞机的电荷主要是感官电荷。由于功率因数的偏移,对电网中的二阶谐波不敏感。然而,许多电力电子设备通常需要在电源输入处进行容量滤波或容量放电,这使得这些负载与电网兼容。充电开始时,相当于充电短路,电网产生大电流过载。当网络包含高谐波时,存在低阻抗和高电流,损坏设备。为了避免上述问题,飞机电源系统对电源的输入特性提出了严格的要求,并给出了一些性能指标。但是,由于电荷功率的不同,特别是在飞机的运行中,电能质量的影响是多种负荷的组合,属于一个非常复杂的系统。仅仅提出单一的电力负荷性能指标并不能保证电力系统的电能质量满足要求,因此在电力系统研究的不同时期,采用集成模拟和集成试验来研究电能质量。
2多电飞机典型的电气负载的仿真
2.1电力作动器负载电流特性的仿真
多燃料飞机飞行控制系统的电气传动装置是机电传动装置(EMA)和电解传动装置(EHA)。EMA使用发动机驱动的机械训练推动飞机转向，EHA则使用发动机驱动的液压泵推动转向。EMA和EHA都需要控制转速电机控制系统，即对电能质量有许多影响的电气和电子元件。由于电动执行机构是一种位置伺服系统，因此电动机的速度和转矩在运行过程中必须快速而显着地变化，因此电网所吸收的电能也可能发生显着变化，即所谓的动态负荷。为了确保电力系统的质量不受影响，规定执行机构运行的最大电流不得超过恒定电流的四倍。因此，在模拟电动执行机构时，必须准确反映该执行机构从电网中吸收的电力变化。
2.2AC/DC整流装置的仿真
使用交流电源时，交流电源转换器通常用于需要转速控制的电机控制系统。首先，必须将交流电源转换为交流电源，即转换为交流电源。整流电路的性能是影响电力系统电能质量的重要因素。六脉冲三相整流电路广泛应用于地面，但其输入电流含有大量谐波5和7，直流侧需要安装大型滤波电容器，造成体积大、功率因数小，降低了系统的稳定性。所以飞机不使用6脉冲波整流。目前，12和18脉冲整流器通常在飞机上使用，对电力系统电能质量的影响主要来自负载下的谐波和功率因数变化。12脉冲和18脉冲整流电路结合了两个或三个具有相同结构的三相桥，根据某种规律，这就是我们通常所说的多通道整流电路。整流电路的多移相连接有效降低了输入电流的谐波数量，提高了功率因数。为了节省模拟时间，我们使用理想的整流二极管对适配器12和18个脉冲进行建模，而不考虑变压器的磁化、泄漏、损耗和饱和。
2.3恒功率负载
大多数电子变换器，如电动机、执行器、功率变换器、开关电源等。在某些情况下，可以将其视为恒功率载荷。因此，恒功率负载具有阻抗特性。具有负阻抗的恒功率负载可能会影响电源品质和系统稳定性。恒功率负载模拟主要是模拟其负阻抗特性。因此，为了节省仿真时间，在使用saber进行建模时，我们不需要构建特定于负荷的回路模板，而是直接使用库中提供的模板。飞机上还有大量非线性负载，可能影响网络电能质量，例如各种开关设备，接触器、断路器等。这些载荷是作为被动零部件创建的，或由各种非线性动力学表达式描述的。
3多电飞机稳定性分析
第一，电力电子转换器和伺服电机驱动系统广泛应用于多电动飞机的电气系统中,用于传输和配电。电力电子转换器和伺服电机驱动系统所承受的负载在运行过程中一般都呈现恒功率特性,输入阻抗呈负阻抗,大大降低了系统的阻尼,容易导致系统的振荡和稳定性问题,给飞机的稳定运行带来很大的挑战。同时,多电动飞机的供电系统由几个复杂的子系统组成,多电动飞机内部的能量传递主要是通过几个转换器来实现的。因此,为了保证飞机供电系统的安全可靠运行,有必要研究和分析各子系统之间的动态关系,并分析系统的稳定性。系统稳定性分析是多电动飞机的动态性能分析,因此有必要从系统的静态特性出发对系统进行评估。可靠性评估技术已经广泛应用于传统的大型电网,包括发电,输电和配电系统。近年来,随着电力电子转换器广泛集成到电力系统中,在包括并网光伏发电系统在内的电力电子系统的可靠性分析方面做了大量的工作。电能更容易传输和管理能量,并且由于其安全性,易于传输和易于转换的特点而优化了飞机的能量系统。作为一种微电网结构,多电动飞机的可靠性评估近年来也成为人们关注的主要问题。如何建立一个适用于多电动飞机可靠性评估的数学模型,对其故障预测和可靠运行具有重要意义。
第二，在多电动飞机的供电系统中,大量的电力电子转换器和伺服电机驱动系统用于电力的传输和分配。这些器件在系统运行过程中呈现恒功率特性,输入阻抗呈负阻抗,大大减小了系统的阻尼,从而导致系统的稳定性和振荡问题。同时,恒功率负载经常与其他子系统相互作用,即使每个子系统都是为了保证稳定性而设计的,整个系统也可能不稳定,子系统的参数也会影响整个电气系统的稳定性,因此有必要研究飞机电气系统的稳定性。多电动飞机是飞机动力系统工程发展的一个主要方向,这导致了基于电力电子转换器和电机驱动系统的电荷的使用越来越多。众所周知,电力电子设备的驱动负载通常表现为信号负阻抗小的恒功率负载,这大大降低了电力系统的稳定性。特别是,在低电流和低速伺服控制下,由消耗能量的设备或执行器驱动的负载。为了确定下一代多电动飞机的总线架构标准,需要进行大量模拟,以验证各种飞行条件下的EPS的完整性。对于稳定性分析,有两种方法可以使模型在平衡点附近线性化。第一个是特征值定理,其中系统的特征值可以从Jacobi矩阵计算出来。另一种方法是基于Middlebrook标准的阻抗感应,已成功用于分析直流分布式电力系统的稳定性。
4飞机电力系统集成仿真
由于系统模型的建立，有必要描述飞机电力系统的电能质量，正确表示不同负荷组合下公共耦合点的谐波电压畸变(THD)。主要型号有:(1)同步发电机和调压器。Saber模块库为用户提供了更精确的同步发电机模型，可以直接使用。调压器用于将同步发电机输出电压调整到恒定水平，我们构建了其传递函数模型。同步发电机和调压器的仿真侧重于发电系统的动态过程，即负荷变化导致电网电压波动时的系统调节过程，以及不同负荷下功率因数的变化。(2)传输电缆类型。在电力系统电能质量分析中，输电电缆分布参数不能被忽略，必须根据导线长度和厚度进行估算。仿真中使用了总参数模型。
关于电力系统集成仿真结果，表1给出了以下三种情况的仿真数据:情况一，12脉冲波适配器容量为5KVA，18脉冲波适配器容量为1.5kva，单相适配器容量为0.0kva恒功率为2KVA，线性负载为0.1KW功率电阻，情况二，线性负载保持不变，每个适配器的负载容量增加。情况三，功率因数调节器的线性负载变化，其他负载保持不变。在上述三种情况下，三次谐波为单相整流负载产生的电压的主要谐波分量，十一次谐波和十三次谐波为十二脉冲整流负载产生的电压分量，十七次谐波和十九次谐波为十八脉冲整流负载产生的电压分量。第二种情况表明，负荷的增加增加增加了电网电压的畸变。情况三表明，由于增加了功率因数调节器，电力网的异常情况大为减少，因此，这类设备广泛用于飞机上。
结束语
本文针对各种负荷对电能质量的影响，研究了飞机电力系统的总体仿真。通过仿真，我们可以分析电力系统的谐波，估计能耗，模拟系统的可靠性。Saber软件提供了飞机动力系统的典型航空载荷模型和综合仿真模型。仿真工具可以通过给出几个实例，说明该方法可以预测其电压畸变，从而对飞机电力系统进行集成仿真。
参考文献：
[1]张卓然，于立，李进才，等.飞机电气化背景下的先进航空电机系统[J].南京航空航天大学学报，2017，49（5）：622-634.
[2]陆清，吴双.民用飞机虚拟集成试验技术研究[J].民用飞机设计与研究，2017，135（2）：1-7.
[3]马伟明.关于电工学科前沿技术发展的若干思考[J].电工技术学报，2021，36（22）：4627-4636.
[4]朱素华，闫杰.飞机电气系统的MBSE设计及仿真[J].科技创新导报，2019，16（20）：8-11.
[5]王莉，戴泽华，杨善水，等.电气化飞机电力系统智能化设计研究综述[J].航空学报，2019，40（2）：5-19.
[6]李永东，章玄，许烈.多电飞机高压直流电力系统稳定性研究综述[J].电源学报，2017，15（2）：2-11.
[6]吴秀杰,江鹏,杨彬彬,等.基于多电飞机概念下的飞机电气发展方向[J].电子世界,2014(13):62-62.
[7]周素莹,齐蓉,林辉.多电飞机电源系统的负载稳定性分析[J].航空计算技术,2002,32(4):93-95.