基于Dymola软件及Modelica语言的飞机供电系统建模与仿真

李冰洁，陈兵彬，张晓斌，李伟林

(1.西北工业大学 自动化学院，西安 710072；2.中航工业 自控所导航部，西安 710065)



基于Dymola软件及Modelica语言的飞机供电系统建模与仿真

李冰洁1，陈兵彬2，张晓斌1，李伟林1

(1.西北工业大学 自动化学院，西安 710072；2.中航工业 自控所导航部，西安 710065)

飞机供电系统的布局设计与控制逻辑是飞机系统设计的重要环节，且其对系统的可靠性、容错供电和余度等特性具有一定影响;对飞机电源系统进行仿真建模研究，在支持各种物理系统建模的Dymola平台下搭建了数字仿真模型，包括交流发电机、变压整流器、电源系统接触器和过欠压、过欠频检测模块等部件模型，并利用各个部件模型搭建了供电系统模型，同时利用Modelica语言完成系统逻辑设计，对整个系统进行仿真;数字仿真结果表明电源系统模型基本能够完成自动配电、自动隔离故障，达到设计要求，为飞机系统设计提供了理论支持。

电源系统；系统仿真； Dymola；Modelica

0 引言

随着航空事业的不断发展，飞机对电源系统的要求也越来越高。飞机电源系统的结构影响到电源系统的可靠性、余度和容错等特性。因此，电源系统仿真研究的开展，是飞机电源系统设计的重要环节。电源系统仿真设计可以了解电源系统的构型及指标合理性、各工作状态稳态参数和瞬态参数、控制转换逻辑、保护功能及子系统/部件匹配性，同时验证配电网络控制原理的正确性，并且为设备的选型提供可靠的依据。随着科学技术的发展，机载设备的构成、功能也越来越复杂，各个部件间的耦合越来越紧密，在当今机电综合的需求下，燃油，环控，液压及电气系统之间的连系越来越复杂紧密，而在负载发生突变情况下能否快速做出反应以保证供电质量和可靠性能，直接影响到飞机的性能。Dymola软件满足适用于各种物理系统的建模的需求，并且Modelica语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统一先前多种建模语言的基础上，选择Dymola及Modelica语言建立飞机电源系统模型，有利于在电源系统设计初期发现问题，优化方案，需求确认，完善电源系统的方案论证、设计要求和设计方案，可以为飞机电源系统的顺利研制奠定基础。

1 原理简介及软件介绍

1.1 系统仿真原理介绍

随着现代飞机的应用各种越来越广泛，飞机对电源系统的要求也越来越高。首先，要求发电机有更大的容量和更高的发电效率，与之匹配的电机控制系统以及逆变器的要求也相应的提高。其次，对于配电系统的要求也更加苛刻，要求配电系统能够自动监测电源网络运行状态、并根据运行状态进行控制与保护，在正常和紧急情况下，负载应能自动切换和恢复[1]。

飞机供电系统的工作状态分为3种：正常工作状态、非正常工作状态和应急工作状态[2-3]：正常工作状态为飞机供电系统在正常巡航期间，没有故障发生的状态；非正常工作状态为系统出现不正常或故障电路的一种状态，且当系统超出所设置的限制前，进行保护装置动作，将系统的故障部分切除[4]；应急工作状态为飞机供电系统中的所有供电主电源全部失效或故障时，引入一个独立的应急电源来向飞机供电系统供电，此时切除其余负载，只保证应急负载的接入。为了保证飞机供电系统可靠工作，电源系统设计必须考虑余度供电设计，因此也构成了余度供电体系[5]。

1.2 软件介绍

Dymola(Dynamic Modeling Laboratory,动态模拟实验室)由瑞典Dynasim AB公司设计开发的，是第一个支持Modelica语言(Modelica语言是为解决多领域物理系统的统一建模与协同仿真，在归纳和统一先前多种建模语言的基础上，提出的一种基于方程的陈述式建模语言)的建模仿真工具，并且基于Modelica语言的建模应用大多是采用Dymola实现的。Dymola适用于各种邻域的联合建模。且允许分层模型结构，具有可重复使用的元件库，连线端子和非因果组合连接模型库。Dymola提供图形化建模环境，支持基于图标的拖放式图形建模，同时也可以应用Modelica语言的文本建模。

Dymola具有构建模型的强大图形编辑器，同时可以导入其他数据和图形文件，也具有将Modelica公式转化成仿真用C语言代码的符号翻译器。同时，可知C代码可以导入到Matlab/ Simulink和硬件在环(HIL)平台中。

2 各部件数字模型建模

根据多电飞机中电源系统数字仿真要求，采用Dymola仿真软件建立电源系统部分模型，其中包括电源系统、TRU、蓄电池、汇流条功率控制器和过欠压、过欠频检测模块。

2.1 电源系统

电源供电系统中通常含有四台发电机及其GCU，分别是左主交流发电机及其GCU、右主交流发电机及其GCU、辅助交流发电机及其GCU和冲压空气涡轮发电机及其GCU。四台发电机均采用三级无刷同步交流发电机，但其容量有所差别，先对三级同步发电机进行分析和建模。

三级同步发电机由主发电机、交流励磁机和永磁副励磁机等组成。其中，主发电机为旋转电极式同步发电机; 交流励磁机为旋转电枢式同步发电机; 副励磁机为永磁同步发电机。主发电机电枢中的三相交流电由励磁电流产生，而交流励磁机在点击运行时，产生的三相交流电经安装在主发电机转子上的旋转整流器整流后作为主发电机的励磁电流，进而主发电机电枢中就会产生三相交流电，这样，通过控制励磁机的励磁电流，间接地调节主发电机的励磁电流，达到调节输出电压的目的。而永磁同步发电机主要向系统中的调压器提供电源。图1是三级无刷交流发电机的原理图[6-7]。

图1 三级同步发电机原理图

在Dymola元件库中，找到相应基础模型，拖入Modeling界面，完成30 KVA发电机模型的搭建，经行参数设置和调节，随后建立整流桥模型，为保证飞机的安全性和可靠性，要对发电机输出的各个电参量进行实时检测，实现对发电机输出电压的调节，以使电压保持在给定的范围内，因此根据相关原理建立调压器模型。如图2所示。

图2 三级同步发电机可视化模型

在转速为12 000 r/min,负载为额定负载(R=0.991 9 Ω，L=0.348 mH)，主发电机输出端电压有效值为115 V/400 Hz的情况下，对系统进行仿真。得到图3。 (开始先空载启动建压，0.2 s后加入额定负载。)

图3 三级发电机输出电压电流波形

由图3可知，开始电流为0 A,0.2 s后建压，三级发电机经调压控制后输出电压有效值为114.814 V，符合系统要求(115 V±1%)。

2.2 TRU(Transformer Rectifier Unit)

变压整流器采用将2个三相不控桥式整流电路并联联结而成的12脉波整流电路，原理图如图4所示。该电路中使用了均衡电抗器来平衡各组整流器的电流，均衡电抗器可以补偿两组整流桥相应两相线电压的差值，使得两组整流桥的相应两组二极管能够同时导通。采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减小直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率。

图4 并联2重联结的12脉波整流电路原理图

在Dymola仿真软件下，利用Modelica.Electrical库中元件实现的电路图如图5所示。

图5 TRU仿真电路图

其中元件“Delta”可将Y型输出转换为△型输出，并且，由于航空中直流电压多为28 V左右，固此变压整流器整流后的电压为28.5 V，符合要求。

2.3 蓄电池

在Dymola/Smart Electric Drives 元件库中提供了蓄电池Battery模型，我们只需要将其拖出并设置合理参数，使其符合镍镉材料，额定电压24 V，容量27 Ah的电池即可。

2.4 汇流条功率控制器

汇流条功率控制器主要由交直流接触器组成的盘箱及控制逻辑组成，而发电机控制器(GCU)也表现为控制逻辑，所以控制逻辑与过压等检测封装在一起形成单独模型。

2.4.1 单相接触器模型

单相接触器是指用于控制直流电源开通和关断的接触器，在系统仿真过程中需要从外部读入接触器的控制信号，即该接触器的开通和关断必须只受外部读入的控制信号的控制，而不应受接触器的初始状态影响。

仿真最终确定单相接触器模型使用Ideal Closing Switch模块，该模块的开通和关断仅由外部输入信号控制，使用非常方便。封装后的单相接触器及其内部结构如图6所示，为和接触器称谓一致，仍将封装命名为“SinglePhaseBreaker”,图片标示为“SPB”。

2.4.2 三相接触器模型

三相接触器是指用于控制三相交流电源开通和关断的接触器，与单相接触器类似，三相接触器在系统仿真过程中也需要从外部读入接触器的控制信号，该接触器的开通和关断也必须只受外部读入的控制信号的控制，不受接触器的初始状态影响。

变频交流系统中使用由3个并联的“Ideal Closing Switch”模块以及控制信号接口搭建成的三相接触器模块，该模块的开通和关断仅由外部输入信号控制。封装后的三相接触器以及内部结构如下图所示，为和接触器称谓一致，仍将封装命名为“ThreePhaseBreaker”， 图片标示为“TPB”。

图6 封装后的三相接触器及其内部结构

2.4.3 单刀双掷三相接触器模型

该系统还需要用到单刀双掷三相接触器，该接触器的功能是从两组三相电压中选择其中一组输出。Dymola中没有类似功能模块，需要利用已有模块搭建并封装。单刀双掷三相接触器模型部结构如图7所示。

图7 单刀双掷三相接触器模型

2.5 过欠压检测模块

首先是过欠压检测，利用Dymola/Modelica模型库中的有效值检测模块RMS检测待判断的电压，当设定值超过设定的电压范围则输出错误警告信号false(Boolean量)，若未超过则输出正常信号true(Boolean量)，输出的fales/true信号将被相应控制部分采集，通过逻辑运算来决定配电网络的构型连接，模型如图8所示。

图8 过欠压频检测模块

3 仿真模型搭建

在相应Package下，创建新的Model命名为“systebuild”，利用以上建立好的部件数字模型完成电源系统仿真模型[8-9]的搭建。电源系统仿真图如图9所示。

图9 电源系统仿真图

对于电源系统部分，采用逻辑计算建模方法时，各个接触器的状态初始化和控制在相应function文件中实现，function文件实时读入各发电机、汇流条、TRU的故障状态和各接触器的控制状态，结合输入的控制信号，通过逻辑运算，形成接触器的控制信号，再实时返回给电源系统，从而达到配电保护和转换、自动隔离故障运行的目的。如图10所示。

图10 Insert Function Call

按照仿真工况填入必要的信息，相应function模块中的函数会根据设置好的信息进行逻辑运算，例如：GLC1，控制逻辑如下图11所示。

图11 GLC1控制逻辑

GLC1逻辑Dymola/Modelica函数程序如下：

function GLC1_control

input Boolean GEN1_PWR_READY;

input Boolean GEN2_PWR_READY;

input Boolean AC_EXT_PWR_READY;

input Boolean AGEN_PWR_READY;

input Boolean GEN1_SW_AUTO;

input Boolean GLC1_CLOSED_CMD;

input Boolean AC_BUS1_OVER_CURRENT;

input Boolean AC_BTC1_Control;

output Boolean GLC1_Control;

protected

Boolean node1;

Boolean node2;

Boolean AC_BTC1_0;

Boolean GLC1_0;

algorithm

//刷新初始值

AC_BTC1_0:=AC_BTC1_Control;

GLC1_0:=GLC1_Control;

node1:=(not AC_BTC1_0) and GEN1_PWR_READY;

node2:=(not GEN2_PWR_READY) and (not AC_EXT_PWR_

READY) and (not AGEN_PWR_READY);

GLC1_Control:=GEN1_SW_AUTO and GLC1_CLOSED_

CMD and (node1 or node2 or GLC1_0) and (not AC_BUS1_

OVER_CURRENT); //用 and AC_BUS1_OVER_CURRENT来模拟GCU1的保护功能

end GLC1_control;

4 仿真结果展示

对建立的仿真模型进行测试，验证是否满足设计需求，验证电源系统是否能按照设计要求完成按预定逻辑转换、故障隔离等功能以及验证配电网络控制原理的正确性。

4.1 正常工作状态

当处在正常工作状态：

1)左交流汇流条(ACBUS1)由GEN1供电；

2)右主交流汇流条(ACBUS2)由GEN2供电；

3)应急交流汇流条(ACESSBUS)接通ACBUS2供电；

4)DCBTC、DCETC1、DCETC2不接通，各直流汇流条由各自的交流汇流条供电。

下面是系统运行的部分仿真结果，仿真参数设置如下：仿真起始时间 0，中止时间 0.3 s，Number of intervals(波形采样点) 设置为10 000，Algorithm(算法)选择“Dassl”(即变步长算法)。 基于上述叙述，正常工作状态无故障仿真结果如图12所示。

图12 正常状态下GLC1，GLC2，RLC，AETC控制信号

由图12，及图13可知，在正常供电状态下，GLC1，GLC2闭合，交流汇流条由相应发电机供电，交流应急汇流条由右发供电，且各直流汇流条由各自的交流汇流条供电。

图14 正常状态下TRU输出电压波形及其纹波波形

图15 DC ESS BUS上电压波形

图13 正常状态下ACBTC1，DCBTC，DCETC1，DCETC2控制信号

由图14～15可知，随着稳定后，电压不发生变化，故取0.1 s内波形如上所示，交流电经TRU整流后，纹波较小，且经测量可知3个直流应急汇流条上电压最终都很好的稳定在直流28 V左右，符合初始要求。

4.2 左发过压故障

当处在左发故障时：

1)左发故障，GLC1断开，ACBTC1与ACBTC2闭合，ACBUS1与ACBUS2 都由GEN2供电；

2)DCBTC、DCETC1、DCETC2不接通，各直流汇流条由各自的交流汇流条供电。

基于上述叙述，左发过压故障工作状态仿真结果如下所示。

图16 左发电机故障时GLC1，GLC2，RLC，AETC， ACBTC1，ACBTC2控制信号

图17 左发电机故障时DCBTC，DCETC1，DCETC2控制信号

由图16及图17可知，左发电机故障状态下，GLC1断开，GLC2，AC BTC1和AC BTC2闭合，交流汇流条及交流应急汇流条均由右发供电，而各直流汇流条由各自的交流汇流条供电。

由图18可知，交流电经TRU整流后，纹波较小，且测量可知，左发电机故障状态下3个直流应急汇流条上电压都很好的稳定在直流28V左右，符合系统要求。

图18 左发电机故障时TRU1输出波形及纹波波形

5 结论

在Dymola中利用库中元件建立飞机飞机供电系统模型，并在相应平台中经行建模与仿真，仿真结果与理论一致，证明了模型的正确性，为飞机供电系统的分析和设计提供了有效的，可靠的研究途径。

[1]程海龙.多电飞机机电系统关键技术探究[J].科技信息,2013(19):104-106.

[2]Weimer,J.A.,Power Electronics in the More Electric Aircraft[A]. 40thAIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit[C]. 14-17 January 2002/Reno,Nevada.

[3]Quigley,R.E.Jr., More Electrical Aircraft [A] Conference Record,IEEE Applied Power Electronics Conference[C]. March 7-11,1993，906-911.

[4]陈 伟,胡大明.飞机供电综合控制系统的仿真研究[J].飞机设计, 2007, 27(2): 65-68.

[5]程国华. 大型民用飞机电源系统的现状与发展[J]. 民用飞机设计与研究, 2008(4): 1-5.

[6]沈颂华.航空航天器供电系统[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[7]高朝晖.飞机电气系统的数字仿真[D].西安：西北工业大学自动化学院，2002.

[8]李伟林,张晓斌,董延军. 电力系统综合仿真方法研究(一):VPNET(英文)[J]. 中国电机工程学报,2012,13:95-102.

[9]李伟林,张晓斌,董延军. 电力系统综合仿真方法研究(二):MPNET及实时HIL平台(英文)[J]. 中国电机工程学报,2012,16:100-1.

Modeling and Simulation of Aircraft Power Supply System Based on Dymola and Modelica

Li Bingjie1, Chen Bingbin2,Zhang Xiaobin1,Li Weilin1

(1. College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072,China 2.Dept of Navigatim, Institute of Automatic Control, Xi’an 710065, China)

The design of structure and the control logic of aircraft power supply system are important parts of aircraft system design, which concern its reliability, redundancy and fault tolerance performance. Digital simulation modeling research and optimization are carried out on completed the aircraft power system. Simulation models including AC generator, TRU (Transformer Rectifier Unit), contactor, overvoltage-undervoltage and overfrequency-underfrequency detection modules are built in Dymola software which can be applicated in a variety of physical systems. The power system is established with these component models and then using the Modelica language to complete the system logic design. Simulation results show that the power system model meets the design requirements. Automatic distribution, automatic fault isolation and it provide the theoretical basis for aircraft power supply system.

Power supply system; system simulation; Dymola; Modelica

2015-09-01；

2015-11-04。

国家自然科学基金(51407144)；中央高校基本科研业务费专项基金(3102015ZY052)；电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)开放基金(EIPE14203)。

李冰洁(1992-)，女，陕西西安人，硕士，主要从事飞机电气系统仿真方向的研究。

1671-4598(2016)03-0174-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.047

TP311

A

张晓斌，男，教授，山东人，硕士研究生导师，主要从事飞机电气系统仿真方向的研究。