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研究生课程考试答题册得 分：学 号 2011261696 姓 名 吴贺俭 考试科目 飞机电力系统及试验技术考试日期 2012.7 西北工业大学研究生院多电飞机发展概述一、多电飞机电力系统概述现代飞机为节省能源以及改善机载系统的性能，越来越多地采用电能取代目前飞机上的液压、气压能源。未来“多电飞机”、“全电飞机”的概念其目标就是将原来的由发动机直接驱动的机械、液压和气压驱动的负载更换为电气驱动的负载。作为未来飞机发展方向的多电飞机,其特征是以电力作动系统取代液压作动系统。电力作动器使系统结构小巧、响应速度快捷、作动控制效率提高、能耗降低,消除了液压作动系统存在的漏油、安全性、结构复杂等问题,提高了系统的实时检测和故障诊断能力,改善了维护性并减小了飞机的重量,为机载系统智能化管理提供技术支撑 。由于电力作动系统应用于舵面操纵、燃油、刹车、环境控制等电力操纵和电力传动系统,它们都与飞行安全和战机性能紧密相关,这要求电力作动系统不但具有高功率密度,特别重要的是应具有高可靠性和容错能力。飞机主发动机除了完成提供飞行所需的动力这一主要功能之外，还为飞机上四种次级功率系统，即液压、气动、电气和机械系统提供原动力。全电飞机(AEA，all electric aircraft)是一种以电气系统取代液压、气动和机械系统的飞机，即所有的次级功率均以电的形式传输、分配。进入2O世纪9O年代后，全电飞机在提高燃油利用效率、增加飞机可靠性和可维修性等方面的优势得到了认可，但当时没有现成的系统或技术可以解决更换二次能源系统时所遇到的技术难题。实现AEA并不是一个简单的概念，也不是一种简单的系统替换，涉及的往往是相互交联的多个子系统，因此航空届开始阶段性地增加电气系统在功率转换中所占的比重，于是出现了多电飞机(MEA，more electric aircraft)的概念 。由供电系统部分取代次级功率系统形成了多电飞机，机电系统进一步综合。全电飞机与现役飞机相比在系统上的变化所示。以电作动系统部分或全部替代原有以液压和气动系统，次级功率系统中主要或全部以电功率的形式来体现是多电飞机和全电飞机的特征。许多年来，工程师们一直向往着全电飞机，而且还将之称为“Power-By-Wire”，简称为PBW_6 J，采用电力控制操纵飞机的各个舵面，省去了复杂、沉重、平均维护间隔时间短的，工作在高温、高压之下的脆弱的液压系统，减少了机上长达几千米的管路，以及相应的泵和阀门，节约出来的重量可以承载更多的旅客、燃油或其它任务载荷。在传统飞机上由发动机次级功率系统提供动力的子系统包括：环境控制系统、飞行控制系统、起落架收放、防 除雨、电源、燃油、灯光、电子设备等，在某典型飞机上电能、气动能，液压能从在1943年Matson将液压与电气系统做为飞机子系统提供能源方面的性能孰优孰劣进行了比较 ，由于当时航空发电机供电容量小、效率低，系统的调节控制保护技术不完善等原因，对比结果认定液压系统是最佳的二次能源系统，因此，现代的军用飞机和民用飞机仍然沿用机械、液压、电气和气动在内的混合式二次能源系统，即使A380这样的新式飞机也基本采用这种构型 J。虽然随着技术的进步，各子系统的性能不断提升，但混合式系统本身所存在的固有缺陷却难以克服，由直到20世纪80年代初，AEAMEA才重新引起航空界的重视，美国的许多公司也开始大规模开展以电能替换现有的液压、气动系统的可行性研究。波音和洛克希德公司都开展了名为集成数字电动飞机(IDE integrated digitalelectric aircraft)的研究工作，为了验证AEA技术为飞机制造带来的影响，他们选定英国克兰菲尔德(Cranfield)大学的航空学院作为独立的研究机构进行评估。1985年研究工作正式开始，此项目重点研究发动机引气作为二次能源对飞机性能的影响。安装罗一罗RB211524D4发动机的空客A3006O0飞机被选作为研究对象，在最终的研究报告中指出更换二次能源系统所降低的燃油消耗不足1 。波音公司则以767飞机作为试验对象，测试结果指出可以节省3 的燃油。洛克希德公司则以一架最新式的L101 1飞机进行验证工作，发现与传统系统相比，可节省燃油10 一13。后来的研究发现表明，性能改善的主要贡献来自于电传操纵(FBW)，它放宽了飞控系统对飞机静稳定性的要求，即使在传统飞机上也可以同样大幅度地减少燃油消耗。IDEA项目的研究表明，AEA对系统性能的提升并没有预期的大，其它子系统随着技术的革新，性能不断提升，而且可以克服全面更换系统所带来的风险。2、 电力系统电压稳定性分析方法电力系统是一个非线性动态系统, 电压稳定是整个电力系统稳定的一个方面。从40 年代苏联学者提出第一个电压稳定判据以来, 该领域长期没有重大进展,70 年代以来, 世界范围内的多次灾难性电压崩溃事故使这个长期被忽视的课题变成了关注的焦点。美国E PR I 输电小组在1 9 8 2 年讨论电力系统运行方面的研究方向时把电压崩溃和不正常电压问题的研究列为最重要的课题。IE E E 和C IG R E 也分别成立专门的工作组讨论电压稳定问题, 先后发表了一系列报告和教材。但是研究工作还远未成熟, 最明显的证据就是至今对电压稳定性的定义仍存在分歧,IE E E 动态委员会在其1 9 9 0 年报告l3 中把电压失稳定义为“ 电力系统不能维持电压以确保负荷导纳增大时, 负荷消耗的功率随着增大。” 这相当于把尸一V 曲线的下半部定义为电压不稳定区, 但事实上对于非恒功率的负荷而言, 尸一V 曲线的下半部虽然往往是不可接受的, 但却仍然稳定的。指出上述定义有缺陷, 并于1 9 9 3 年提出有关电压稳定性的定义。与一般的线性和非线性动态系统的稳定性定义相类似图, CIGRE 把电压稳定研究分为静态电压稳定和动态电压稳定,又进一步将动态电压稳定分为小扰动电压稳定、暂态电压稳定和长期电压稳定。此外为了区分: 扰动后虽有平衡点但电压值不可接受与没有平衡点两种情况, 的确有必要引人不同的术语。CIGRE一方面将小扰动电压稳定定义为负荷电压接近于扰动前平衡点的电压值, 将扰动后没有平衡点的情况定义为电压不稳定, 而将扰动后有平衡点, 但电压值过低的情况定义为电压崩溃。但另一方面却又认为电压不稳定性和电压崩溃这两个术语可以交换代用。对电压崩溃机理进行探讨的目的是要弄清楚电压崩溃的本质及原因, 电压稳定问题与电力系统中其它稳定问题的关系, 电力系统中各种元件对电压稳定性的影响, 从而建立适合于分析电压稳定问题的系统模型, 提出电压稳定判据、电压稳定裕度指标和控制电压崩溃的措施。由于有故障现场记录的电压崩溃都发生在初始故障以后相当晚的时刻, 早期的研究普遍认为这是一个静态问题。或者认为系统的动态对电压稳定性的影响是很慢的, 所以可以用平衡点的存在性来反映电压稳定性。因此, 研究集中在从静态观点也即用尸一V 曲线和Q 一V 曲线来解释电压崩溃的机理,以及基于潮流方程求取维持电压稳定的极限运行状态。电压稳定的分析方法可以分为两类, 一类是基于潮流方程的静态分析法, 另一类是基于微分方程的动态分析法。动态分析法又可进一步分为小扰动分析法、暂态电压稳定分析法和长期电压稳定分析法。2.1静态电压稳定分析目前有关静态电压稳定分析的研究都是基于潮流方程或经过修改的潮流方程。这一方面是因为许多学者认为电压稳定是一个潮流是否存在可行解的问题, 因而把临界潮流解看作是电压稳定极限; 另一方面也由于静态分析技术比较成熟, 易于给出电压稳定裕度指标和其对状态变量的灵敏度信息, 从而便于对系统的监控和优化调整。这一类分析方法主要有: 潮流多解法、奇异值分解(特征结构分析)法和最大功率法等。2.2小扰动电压稳定分析小扰动法就是把描述系统运动的非线性微分方程和代数方程在运行点处线性化, 形成状态方程, 并通过状态方程的特征矩阵的特征根分析来判断该运行点的稳定性。考虑了发电机及其励磁控制系统、负荷和O L T C 的动态, 提出用最小模特征值和相关系数鉴别功角失稳模式和电压失稳模式的方法, 认为电压失稳主要与负荷的动态特性相关。文28 也计及了发电机及其励磁控制系统的动态, 但是只考虑了负荷的静特性, 作者揭示了静态分析所得出的结论只是一个近似的估计, 甚至可能给出错误的解释。文 29 考虑了发电机及其励磁控制系统、负荷和O L T C 的动态, 认为电压失稳是非周期模式, 与负荷模型无关, 表现为负荷点电压的持续下降。分析了不同负荷模型对小扰动电压稳定分析的影响, 认为必须计及负荷的动态特性。小扰动电压稳定问题的数学分析原理清晰。电力系统中影响其动态行为的元件很多, 响应速度不同的元件对电压稳定的影响不尽相同, 难以用运行点处的特征矩阵来完整地描述。如何针对小扰动电压稳定的特点, 建立尽可能简化的模型来精确地反映电压稳定性是一个值得深人研究的方向。2.3 暂态电压稳定分析虽然通常的电压失稳过程比较缓慢, 需要进行长期的动态仿真, 但是快速响应元件(例如励磁系统、S V C、感应电动机负荷和H V D C 等) 的动态特性引起暂态电压失稳的可能性还是存在的。这种现象可以用计及这些元件的动态特性的暂态稳定程序来分析图。忽略了发电机电磁暂态过程对电压稳定性的影响, 还忽略了感应电动机负荷的电磁暂态过程。文 3 用尸一V 曲线和感应电动机的机械特性来分析暂态电压失稳的机理, 指出足够的电容补偿能使处于低电压解的负荷节点的电压恢复正常。仿真了不同短路故障切除时间下单机单负荷系统的动态过程, 指出暂态电压稳定也存在故障临界切除时间的概念, 并把电压失稳和负荷失稳联系起来。文 1 9 综合单负荷无穷大系统的仿真结果, 认为系统能保持电压稳定的充要条件是: (1) 故障切除以后动态负荷存在新的有功功率平衡点; (2) 故障切除时刻系统没有超越不稳定平衡点。并在此基础上提出了暂态电压稳定判据。我们的经验表明这两点并非稳定的充要条件, 实际上故障切除以后动态负荷的稳定性取决于整个强制运动的动态过程。用仿真手段研究了快速响应的静止电容补偿器对防止感应电动机负荷引起的电压崩溃的作用, 并发现由断路器投切的并联电容补偿不能达到同样的目的。的仿真计算表明O L T C 的动态会恶化感应电动机负荷的电压稳定性, 并用动态尸一V 曲线作了解释; 而仿真计算表明O L T C 能改善感应电动机负荷的电压稳定性。之所以得出截然不同的结论主要是由于O L T C 的动作整定时间不同到目前为止, 尽管暂态功角稳定的机理研究和评估方法已取得了很大的进展, 与之处于同等重要地位的暂态电压稳定的研究还处于初始阶段, 有关暂态电压崩溃的机理、模型、稳定判据和稳定裕度指标的研究急需进行。2.4长期电压稳定分析由于电力系统很多动态因素的响应特仕很慢、长期电压稳定分析也是十分必要的。长期动态仿真是研究电压崩溃现象的机理、过程以及检验其它电压稳定分析法的正确性的有力手段。给出了电力系统不同元件动态响应时间。综述了长期动态仿真的模型要求、算法以及长期动态仿真程序必须具备的功能。文仁39 一4 1 采用了自动变步长技术把快速响应和慢速响应动态元件综合在一起进行仿真计算来研究系统的电压稳定性。此外, 电压稳定问题的研究方法还有潮流方程的可行解域的研究田、灾变理论、能量函数法和考虑负荷自然扰动的概率分析分等方法。这些方法采用新的数学方法来分析电压稳定性, 但均处于摸索阶段。三、电力系统供电品质及控制技术电力系统供电品质主要分两个，1：电能质量，是指供应到用电单位受电端电能品质的优劣程度。电能质量主要包括电压质量、与频率质量两部分。2：供电的可靠性。 提高电力系统供电品质主要方法主要有三种：降低电压变化幅度，改善频率变化改善电网波形畸变.3.1 降低电压变化幅度在电路中采用自动稳压器是一种行之有效的降低电压变化幅度的办法，虽然降低了使用率，但对在/!0范围内变化的交流电压，仍然有较好的稳压效果。若交流电压变化范围达到/#0时，不能再采用通用稳压器。初、次线隔离的振荡型稳压器，利用12 组成功率振荡，能合理调整振荡带宽及电压补偿，可在很大范围内稳压，其输入电压调整率高且它的防雷击和抗干扰能力也很强，能有效地抑制高频脉冲干扰。3.2改善频率变化电网频率大幅度变化通常是很难改善的。虽然频率变化对一般的设备没有明显的影响，但对有些设备的正常运行却起着重要的作用。为了获得稳定的频率，可以采取接入在线式不间断电源来解决，传统的在线芯式是采用 整流逆变的工作方式，电网输入只是提供能量，经整流滤波变成直流，然后再经调制后进行放大，再解调成稳定频率输出。电网频率和输出频率两者并无直接关系。,对输出频率的影响，从能量角度来说，只是使效率有微小的变化。3.3改善电网波形畸变电网波形通常会受到严重干扰，电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、过电压和电压跌落以及线路杂音为主要干扰现象，这些干扰脉冲的频率范围及幅度范围很宽，通常各类稳压器对这些干扰脉冲是很难彻底消除的。如果电网先经过在线芯式，再接至负载，上述情况就能获得根本改善。这是由于输出的正弦波是经逆后重新产生的，它与电网输入的正弦波没有直接关系，故电网上的各类干扰脉冲被完全隔离和彻底滤除。4、 电力系统电磁兼容性问题随着现代科学技术的发展,电子、电气设备或系统在多电飞机上获得了越来越广泛的应用。运行中的电子、电气设备大多伴随着电磁能量的转换。高密度、宽频率的电磁信号充满了人类的生存空间,构成了极大极复杂的电磁干扰环境。在电力系统中,开关的动作、磁性线圈、发电机、交流单相电动机、静电放电、电网反作用、户内的雷击保护、高压电力线、电气化铁路等产生的电磁干扰。使以通讯系统、控制系统和计算机系统为主干的电子系统受到严峻的考验,有的甚至会产生严重的后果。当今电子系统越来越现代化,其形成的电磁环境也就越来越复杂。反之,复杂的电磁环境又对电子系统提出了更为严峻的要求。于是,面临着新的问题,一方面,如何提高现代电子、电气设备或系统在复杂的电磁环境中的生存能力,以保证达到初始的设计目的,即电磁兼容性( EMC) 的设计问题;另一方面,如何验证电子、电气设备电磁兼容性设计的合理性,以保证达到规定的标准,即电磁兼容性测试技术问题。近几年来,国际上的电磁兼容性测试标准的统一问题上取得了长足进步,并制定了很有影响力的电磁兼容性标准 。在电力系统中使用的电子、电气设备越来越多并且越来越现代化,因此,开展电磁兼容性测试技术的研究和对产品的电磁兼容性监督工作有着积极的意义。电磁干扰( EMI - Elect romagnetic Inter2ference) 是指任何能中断、阻碍、降低或抑制电子设备有效性能的电磁能量5 。德国电工联合会(VDE) 对电磁干扰的定义是指电磁能量对电流回路、仪器、系统或生命组织造成的影响6 。电磁干扰的形式很多。例如,由输电线、电网以及各种电子和电气设备工作时引起的工作干扰;由传输电路间的电或磁的相互作用引起的串扰;由电离层、宇宙辐射等引起的天电干扰;由电子设备自己对自己引起的干扰等。电磁兼容是指电子、电气设备或系统的一种工作状态,在这种状态下,他们不会因为内部或彼此之间存在的电磁干扰而影响其正常工作。VDE 对电磁兼容的定义是指电气设备在包围它的电磁环境中能满意地工作且不影响次环境的一种能力,这一电磁环境同时也属于其他设备。电磁兼容包含了以下几层含义: (1) 设备对外界的电磁干扰要有一定的承受能力; (2) 设备在工作中产生的电磁干扰应限制在一定限制值之内,不对该环境中其他设备产生不良的影响; (3) 设备对电磁干扰的承受能力,及它本身所产生的干扰都是可以度量的。电磁兼容性( EMC - Elect romagneticCompatibility) 是指电子、电气设备在预期的电磁环境中,按设计要求正常工作的能力。中国国家军用标准( GJB72 - 85) 5 电磁干扰和电磁兼容性名词术语第5110 条对“电磁兼容性”作了如下定义:“设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态。即:该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级;它也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。”按上述的定义,电磁兼容性包含以下两方面的含义:第一、设备或系统应具有抵抗给定电磁干扰的能力,并且有一定的安全量。即它应不会因受到处于同一电磁环境中的其他设备或系统发射的电磁干扰而产生不允许的工作性能降低。第二、设备或系统不产