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一种电力系统稳定性计算方法

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本发明涉及飞机电力系统设计领域，特别是涉及一种电力系统稳定性计算方法，能够根据计算结果及时判断电力系统的稳定性。计算方法包括如下步骤：将预测试的机上电力系统进行模型化，得到相对应的特征电路；根据特征电路，列出非线性表达式；根据小信号稳定性分析方法，围绕一个预定的稳态操作点来线性化非线性表达式，得到空间状态矩阵；根据特征根分析方法来判断预定的稳态操作点的稳定性。本发明的电力系统稳定性计算方法能够高效率的针对某一固定电力系统结构进行稳定性分析，并对改变电感、电容参数，或改变负载功率之后电力系统的稳定性进行实时监控。

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公开/公告号CN105337276A

专利类型发明专利
公开/公告日2016-02-17

原文格式PDF
申请/专利权人中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所;
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申请/专利号CN201510830161.8
发明设计人那韵奇;
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申请日2015-11-25
分类号H02J3/00;
代理机构北京航信高科知识产权代理事务所(普通合伙);
代理人周良玉
地址 110035 辽宁省沈阳市皇姑区塔湾街40号
入库时间 2023-12-18 14:16:33

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2018-12-11

授权

授权
2016-12-14

实质审查的生效 IPC(主分类):H02J3/00 申请日:20151125

实质审查的生效
2016-02-17

公开

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说明书

技术领域

本发明涉及飞机电力系统设计领域，特别是涉及一种电力系统稳定性计算方法。

背景技术

随着航空工业的发展，多电飞机以其低油耗、高效率、高可靠性、低成本、环保等优点，逐渐成为一种趋势。在多电飞机中，电力系统代替传统的液压系统、气动系统和机械系统，来驱动机上各非推进系统。但是，随着电力系统使用的大量增加，电力系统必须要为不同类型的静态、动态负载供电，这给发电、电力转换、电力传输都带来了极大的挑战。在众多负载中，当恒定功率负载(ConstantPowerLoads) 出现时，它会表现出负增长特性(NegativeImpedanceCharacteristics), 这将影响电力系统的稳定性。因此，非常有必要设计一种电力系统的稳定性的计算方法，方便设计人员及时监控电力系统的稳定性状态。

发明内容

本发明的目的是提供了一种电力系统稳定性计算方法，能够根据计算结果及时判断电力系统的稳定性。

一种电力系统稳定性计算方法，包括如下步骤：

步骤一、将预测试的机上电力系统进行模型化，得到相对应的特征电路；

步骤二、根据所述特征电路，列出非线性表达式；

步骤三、根据小信号稳定性分析方法，围绕一个预定的稳态操作点来线性化所述非线性表达式，得到空间状态矩阵；

步骤四、根据所述特征根分析方法来判断所述预定的稳态操作点的稳定性。

优选的，所述机上电力系统包括一个恒定功率负载的机上电力系统以及三个电压源。

优选的，在所述步骤二中，所述非线性表达式为：

$\overset{\cdot}{u_{C a}} = - \frac{1}{C_{a}} * i_{23} - \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * u_{C a} + \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * U_{1} - - - (1);$

$\overset{\cdot}{u_{C b}} = \frac{1}{C_{b}} * i_{23} + \frac{1}{C_{b}} * i_{53} - \frac{1}{C_{b}} * i_{36} - \frac{P_{0}}{C_{b}} * \frac{1}{u_{C b}} - - - (2);$

$\overset{\cdot}{u_{C c}} = - \frac{1}{C_{c}} * i_{53} - \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * u_{C c} + \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * U_{4} - - - (3);$

$\overset{\cdot}{u_{C d}} = \frac{1}{C_{d}} * i_{36} - \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * u_{C d} + \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * U_{7} - - - (4);$

$\overset{\cdot}{i_{23}} = - \frac{R_{2}}{L_{2}} * i_{23} + \frac{1}{L_{2}} * u_{C a} - \frac{1}{L_{2}} * u_{C b} - - - (5);$

$\overset{\cdot}{i_{36}} = - \frac{R_{3}}{L_{3}} * i_{36} + \frac{1}{L_{3}} * u_{C b} - \frac{1}{L_{3}} * u_{C d} - - - (6);$

$\overset{\cdot}{i_{53}} = - \frac{R_{5}}{L_{5}} * i_{53} - \frac{1}{L_{5}} * u_{C a} + \frac{1}{L_{5}} * u_{C b} - - - (7);$

其中，Ca～Cd均表示电容，R1～R6表示电阻，U1、U4、U7表示电压源电压，i23表示BUS2流到BUS3的电流，i53表示BUS5流到BUS3的电流，i36表示BUS3流到BUS6的电流，uca、ucb、ucc、 ucd分别表示Ca、Cb、Cc、Cd两端的电压，L2、L3、L5分别表示电感，P₀表示CPL的功率。

优选的，在所述步骤三中，是通过如下公式(8)～(14)来进行线性化：

$Δ \overset{\cdot}{u_{C a}} = - \frac{1}{C_{a}} * {Δi}_{23} - \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * {Δu}_{C a} + \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * U_{1} - - - (8)$

$Δ \overset{\cdot}{u_{C b}} = \frac{1}{C_{b}} * {Δi}_{23} + \frac{1}{C_{b}} * {Δi}_{53} - \frac{1}{C_{b}} * {Δi}_{36} + \frac{P_{0}}{C_{b}} * \frac{1}{{u_{C b 0}}^{2}} {Δu}_{C b} - - - (9)$

$Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C c} = - \frac{1}{C_{c}} * {Δi}_{53} - \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * {Δu}_{C c} + \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * U_{4} - - - (10)$

$Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C d} = \frac{1}{C_{d}} * {Δi}_{36} - \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * {Δu}_{C d} + \frac{1}{R_{6} + C_{d}} * U_{7} - - - (11)$

$Δ \overset{\cdot}{i_{23}} = - \frac{R_{2}}{L_{2}} * {Δi}_{23} + \frac{1}{L_{2}} * {Δu}_{C a} - \frac{1}{L_{2}} * {Δu}_{C b} - - - (12)$

$Δ \overset{\cdot}{i_{36}} = - \frac{R_{3}}{L_{3}} * {Δi}_{36} + \frac{1}{L_{3}} * {Δu}_{C b} - \frac{1}{L_{3}} * {Δu}_{C d} - - - (13)$

$Δ \overset{\cdot}{i_{53}} = - \frac{R_{5}}{L_{5}} * {Δi}_{53} - \frac{1}{L_{5}} * {Δu}_{C c} + \frac{1}{L_{5}} * {Δu}_{C b} - - - (14) .$

优选的，在所述步骤三中，得到的所述空间状态矩阵为：

$(\begin{matrix} Δ {\overset{\cdot}{i}}_{23} \\ Δ {\overset{\cdot}{i}}_{36} \\ Δ {\overset{\cdot}{i}}_{53} \\ Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C a} \\ Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C b} \\ Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C c} \\ Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C d} \end{matrix}) = (\begin{matrix} - \frac{R_{2}}{L_{2}} & 0 & 0 & \frac{1}{L_{2}} & - \frac{10}{L_{2}} & 0 & 0 \\ 0 & - \frac{R_{3}}{L_{3}} & 0 & 0 & \frac{1}{L_{3}} & 0 & - \frac{1}{L_{3}} \\ 0 & 0 & - \frac{1}{R_{1} C_{a}} & 0 & - \frac{1}{L_{5}} & \frac{1}{L_{5}} & 0 \\ - \frac{1}{C_{a}} & 0 & 0 & - \frac{1}{R_{1} C_{a}} & 0 & 0 & 0 \\ \frac{1}{C_{b}} & - \frac{1}{C_{b}} & \frac{1}{C_{b}} & 0 & \frac{P_{0}}{C_{b} u_{C b 0}^{2}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - \frac{1}{C_{c}} & 0 & 0 & - \frac{1}{R_{4} C_{b}} & 0 \\ 0 & \frac{1}{C_{d}} & 0 & 0 & 0 & 0 & - \frac{1}{R_{6} C_{d}} \end{matrix}) (\begin{matrix} {Δi}_{23} \\ {Δi}_{36} \\ {Δi}_{53} \\ {Δu}_{C a} \\ {Δu}_{C b} \\ {Δu}_{C c} \\ {Δu}_{C d} \end{matrix}) + (\begin{matrix} 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ \frac{1}{R_{1} C_{a}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \\ 0 & \frac{1}{R_{4} C_{c}} & 0 \\ 0 & 0 & \frac{1}{R_{6} C_{d}} \end{matrix}) (\begin{matrix} U_{1} \\ U_{4} \\ U_{7} \end{matrix}) .$

本发明的优点在于：

本发明的电力系统稳定性计算方法中，通过模型化方法将预测试的机上电力系统转化为特征电路，并列出非线性表达式，再通过小信号稳定性分析方法得到空间状态矩阵，最后根据特征根分析方法来判断电力系统稳定性；本发明能够高效率的针对某一固定电力系统结构进行稳定性分析，并对改变电感、电容参数，或改变负载功率之后电力系统的稳定性进行实时监控。

附图说明

图1是本发明电力系统稳定性计算方法一个优选实施例的特征电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、 “外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

下面结合附图1对本发明电力系统稳定性计算方法做进一步详细说明。

本发明提供了一种电力系统稳定性计算方法，包括如下步骤：

步骤一、将预测试的机上电力系统进行模型化，例如包括电压源或电流源、总线、电缆电阻、电感、电容等等，从而得到相对应的特征电路。

步骤二、根据特征电路，列出非线性表达式。电力系统中带有非线性的恒定功率负载，即某些关系式为非线性的，因此不能直接应用线性方法来进行稳定性判定；本发明中是根据欧姆定律、基尔霍夫定律等，列出特征电路的非线性表达式。

步骤三、根据小信号稳定性分析方法，围绕一个预定的稳态操作点(可以根据需要进行适合的选择)来线性化非线性表达式，进而将各表达式整理成空间状态矩阵。其中，小信号稳定性反映了电力系统受到一个小的扰动之后回到原先的稳定状态的能力。

步骤四、根据特征根分析方法来判断预定的稳态操作点受到小的扰动后的稳定性。

在本发明的电力系统稳定性计算方法中一个优选实施例中，机上电力系统包括一个恒定功率负载的机上电力系统以及三个270V电压源，进行模型化后得到的特征电路如图1所示。

进一步，特征电路的其非线性表达式为：

$\overset{\cdot}{u_{C a}} = - \frac{1}{C_{a}} * i_{23} - \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * u_{C a} + \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * U_{1} - - - (1);$

$\overset{\cdot}{u_{C b}} = \frac{1}{C_{b}} * i_{23} + \frac{1}{C_{b}} * i_{53} - \frac{1}{C_{b}} * i_{36} - \frac{P_{0}}{C_{b}} * \frac{1}{u_{C b}} - - - (2);$

$\overset{\cdot}{u_{C c}} = - \frac{1}{C_{c}} * i_{53} - \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * u_{C c} + \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * U_{4} - - - (3);$

$\overset{\cdot}{u_{C d}} = \frac{1}{C_{d}} * i_{36} - \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * u_{C d} + \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * U_{7} - - - (4);$

$\overset{\cdot}{i_{23}} = - \frac{R_{2}}{L_{2}} * i_{23} + \frac{1}{L_{2}} * u_{C a} - \frac{1}{L_{2}} * u_{C b} - - - (5);$

$\overset{\cdot}{i_{36}} = - \frac{R_{3}}{L_{3}} * i_{36} + \frac{1}{L_{3}} * u_{C b} - \frac{1}{L_{3}} * u_{C d} - - - (6);$

$\overset{\cdot}{i_{53}} = - \frac{R_{5}}{L_{5}} * i_{53} - \frac{1}{L_{5}} * u_{C a} + \frac{1}{L_{5}} * u_{C b} - - - (7);$

其中，Ca、Cb、Cc、Cd均表示电容；R1、R2、R3、R4、R5、 R6表示电阻；U1、U4、U7表示电压源电压；i12表示BUS1流到 BUS2的电流；i23表示BUS2流到BUS3的电流；i45表示BUS4流到BUS5的电流；i53表示BUS5流到BUS3的电流；i36表示BUS3 流到BUS6的电流；i67表示BUS6流到BUS7的电流；uca、ucb、 ucc、ucd分别表示Ca、Cb、Cc、Cd两端的电压；L2、L3、L5分别表示电感；P₀表示CPL的功率；iCa、iCb、iCc、iCd分别表示流经Ca、Cb、Cc、Cd的电流；i₀表示流经CPL的电流。

另外，在步骤三中，是通过如下公式(8)-(14)来进行线性化：

$Δ \overset{\cdot}{u_{C a}} = - \frac{1}{C_{a}} * {Δi}_{23} - \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * {Δu}_{C a} + \frac{1}{R_{1} * C_{a}} * U_{1} - - - (8)$

$Δ \overset{\cdot}{u_{C b}} = \frac{1}{C_{b}} * {Δi}_{23} + \frac{1}{C_{b}} * {Δi}_{53} - \frac{1}{C_{b}} * {Δi}_{36} + \frac{P_{0}}{C_{b}} * \frac{1}{{u_{C b 0}}^{2}} {Δu}_{C b} - - - (9)$

$Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C c} = - \frac{1}{C_{c}} * {Δi}_{53} - \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * {Δu}_{C c} + \frac{1}{R_{4} * C_{c}} * U_{4} - - - (10)$

$Δ {\overset{\cdot}{u}}_{C d} = \frac{1}{C_{d}} * {Δi}_{36} - \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * {Δu}_{C d} + \frac{1}{R_{6} * C_{d}} * U_{7} - - - (11)$

$Δ \overset{\cdot}{i_{23}} = - \frac{R_{2}}{L_{2}} * {Δi}_{23} + \frac{1}{L_{2}} * {Δu}_{C a} - \frac{1}{L_{2}} * {Δu}_{C b} - - - (12)$

$Δ \overset{\cdot}{i_{36}} = - \frac{R_{36}}{L_{3}} * {Δi}_{36} + \frac{1}{L_{3}} * {Δu}_{C b} - \frac{1}{L_{3}} * {Δu}_{C d} - - - (13)$

$Δ \overset{\cdot}{i_{53}} = - \frac{R_{5}}{L_{5}} * {Δi}_{53} - \frac{1}{L_{5}} * {Δu}_{C c} + \frac{1}{L_{5}} * {Δu}_{C d} - - - (14) .$

并且，在步骤三中，得到的空间状态矩阵为：

最后，求特征方程的特征根，若其所有特征根都在复数平面的左半面，则电力系统处于稳定状态；反之则不稳定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

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