基于绿色能源的分布式混合电推进系统性能分析

基于绿色能源的电推进飞行器是是航空运输业实现碳中和的重要技术途径。本文旨在利用理论分析和数值计算的手段,研究基于绿色能源的分布式混合电推进系统的性能,重点关注锂电池和固体氧化物燃料电池(SOFC)在航程和载荷方面的影响。本研究构建了一个包含多种能源形式的混合电推进系统架构,并基于能量流建立了功率传递模型,推导出综合考虑部件特征参数、能量分配参数、飞行气动参数的电推进系统航程方程和载荷方程。研究结果显示,在航程方面,锂电池的能量分配系数和能量密度对飞机航程有显著影响,特别是在能量密度阈值之上,增加锂电池的能量分配系数对提升航程有正收益。此外,SOFC的能量分配系数和效率的增加也提高了飞机航程,特别是在其高值区域。在载荷方面,上述锂电池和SOFC参数对飞机零燃料质量(MZF)和有效载荷具有重要影响,尤其在高能量密度、高效率和高能量分配系数的情况下飞机的载荷性能改善最佳。参数敏感性分析揭示了升阻比、边界层吸入(BLI)风扇效率、锂电池荷电状态(αsoc)和氢燃料剩余状态(αsoh)对航程的显著影响,其中在以往研究中较少出现的αsoc和αsoh的敏感性分析不容忽视,对其进行更为精确和可靠的状态估计有助于优化航程和载荷的性能表现。

含分布式电源的多电压等级交直流混合配用电测试系统

交直流混合的配电网络为分布式电源及新型负荷的广泛接入提供条件,是未来配电网形态的重要发展方向。本文考虑分布式光伏、风电、电化学储能、交直流负荷的接入,考虑电力电子变压器、直流变压器、故障电流限制器等电力电子设备的应用,建立交直流混合的配用电测试系统,并依据设备的控制模式,给出系统典型的运行方式。所建立的测试系统具有一定适用性,可为交直流混合的配用电系统的稳态计算和相关研究提供基础。

电-气混合系统安全约束最优能量流的分布式计算

考虑了电力系统和天然气系统之间存在燃气发电机和电机驱动压缩机的耦合,建立了电-气混合系统安全约束最优能量流计算模型。模型以混合系统的总运行成本,即燃煤发电机组发电消耗燃煤的成本和天然气网从气源消耗天然气的成本之和为目标函数,同时考虑了电力系统和天然气系统中多个N-1故障的安全约束。首先,通过计及电力系统和天然气系统间交易的影响,对原优化模型的目标函数进行分离,并采用一阶泰勒级数展开,分别实现了对燃气发电机和电机驱动压缩机的耦合特性方程的线性化,使得可采用同步型交替方向乘子法(ADMM)对安全约束最优能量流计算模型进行分布式求解;然后采用GAMS软件中的CONOPT求解器分别对电力系统和天然气系统的最优能量流进行求解;最后以修改的IEEE39节点电力系统与比利时20节点天然气系统构成的电-气混合系统为例,对所提出的模型和求解算法的正确性和有效性进行了验证,计算结果表明所提出的模型和求解算法正确有效。

2030：民航分布式混合电推进系统大行其道

分布式混合电推进系统，是指通过传统燃气涡轮发动机为分布在机翼或机身的多个电机／风扇提供电力，并由电机驱动风扇提供绝大多数或全部推力（燃气涡轮发动机可部分提供或不提供推力）的一种新型推进系统概念，其最大的优势是能够极大地降低推进系统的燃油消耗量和各种排放。美、欧政府均将分布式混合电推进系统视为有潜力在2030年后投入使用的、极有前景的民机动力解决方案，并正在组织飞机系统集成商和动力厂商积极开展探索和预研。

分布式气电混合动力控制系统任务优化

针对气电混合动力控制中系统任务的最优化分配问题,建立分布式实时控制中系统硬件结构和应用事务的图论模型,将分布式应用中的任务分配过程抽象为这两个集合之间的映射,从系统总线和消息映射的角度,提出总线负载最小的任务分配方案。结合气电混合动力系统设计,采用遗传算法求解这个优化问题,并在试验台架上进行方案验证和总线分析。试验结果表明,该方案完全满足各种任务约束和资源约束,总线效率提高的同时资源消耗减少。

船用混合储能系统分布式控制技术研究

提出了一种船用混合储能系统分布式控制技术,实现了对储能系统功率的动态分配。在各储能单元互不通信的条件下,该方法控制混合式储能系统单元中的超级电容释放或吸收脉冲负载的暂态电能,控制电池储能单元释放或吸收慢速平稳变化的稳态电能。文中给出了控制器的具体结构和及其参数设计方法,同时详细地分析了系统参数对动态功率分配有效性的影响。仿真实验验证了船用混合储能系统分布式控制技术的有效性以及系统参数影响分析的合理性。

含低风速分布式风电的交直流混合配电网的直流母线电压控制

为促进接近负荷中心的低风速风电开发和并网,文章在Matlab/Simulink中构建了一种含低风速分布式风电的新型交直流混合配电系统。针对低风速高湍流特性导致的直流母线电压波动问题,提出了一种改进控制策略。该策略在风电机组直流母线前加装超级电容,并以风功率预测值设计超级电容输出功率前馈控制,通过维持直流母线注入功率稳定抑制直流母线电压波动。研究结果表明,改进电压控制策略能够有效抑制高湍流风速下直流母线电压波动。

分布式电推进飞机能量优化动态管理技术研究

针对分布式混合涡轮电推进飞机电力系统动态能量管理技术开展研究,将分层模型预测控制(Model predictive control,MPC)算法用于其能量优化控制,针对分布式电推进飞机飞行功率需求的变化特点,采用了两层能量管理控制器的方法。即顶层MPC控制混合电推进飞机系统的飞行过程能量优化分配和多发电机组间、非关键载荷的投切状态等,实现燃油消耗代偿最小的目标,将优化问题等效为混合整形二次规划问题(Mixed integer quadratic programing,MIQP);底层MPC则控制双向DC-DC变换器,负责管理电池组的充放电状态和维持直流母线的电压动态平衡,利用储能装置的“削峰填谷”,改善并优化系统在飞行任务过程中的平衡工作点,同时实现飞机电网能量的动静态特性的协同控制,达到对混合电推进飞机电力系统的动态能量优化管理的目的,并与采用基于规则控制的能量管理策略进行了对比研究。最后通过建立基于RT-LAB的分布式电推进飞机电力系统硬件在环半实物仿真平台,对混合涡轮电推进飞机的分层MPC能量管理算法进行了技术验证,数字仿真和半物理试验结果表明其对于混合电推进飞机的动态能量管理具有很强的鲁棒性和操作性,验证了理论分析和设计的正确性。

基于ADMM的电-气综合能源系统多目标最优能量流分布式计算

为实现电-气综合能源系统的能源高效利用以及协调其多个目标下的矛盾冲突,同时考虑到电力系统与天然气系统常隶属于不同的经营主体,存在多主体的计算需求,提出一种基于交替方向乘子法(alternating direction method of multipliers,ADMM)的多目标最优电气能量流的分布式计算方法,并搭建电气综合能源系统仿真模型对算法进行验证,结果表明:所提算法利用分解协同交互机制可有效实现电气综合能源系统的分布式多目标优化,减少计算过程的信息传输量、防范信息泄露;同时,该算法可协调兼顾互联系统运营商对于经济性、环保性、削峰填谷等多个目标的偏好设置,而且选取合适的罚参数值能够显著提高算法收敛速度、减小计算误差,获得更好的算法综合性能。

柴-电混合动力系统应急推进模式仿真研究

柴-电混合动力的应急推进(PTH)模式是将轴带电机作为电动机单独推进,增加了船舶的安全性.应用AMESim软件,对柴-电混合动力船舶的应急推进模式进行建模和仿真,研究通过控制离合器接排压力实现柔性接排,以及调距桨螺距加载方法实现顺利起航,仿真结果可为柴-电混合动力船舶应急推进系统设计提供参考和指导.

基于EWT的分布式光储PCC功率波动自适应平抑方法

分布式光伏在交流侧公共连接点(point of common coupling,PCC)汇流的功率有较大的随机性与波动性,影响电网的稳定运行。为此,提出了基于经验小波变换(empirical wavelet transform,EWT)的分布式光储PCC功率自适应平抑方法。首先,针对混合储能(hybrid energy storage system,HESS)与分布式光伏接入PCC的典型场景,在分析EWT自适应处理波形的特点后,结合功率波动率与储能元件的响应特性,对PCC的光伏原始汇流功率进行EWT分解与优化修正,实现HESS的功率初级分配。之后为避免HESS的荷电状态(state of charge,SOC)频繁越限,提出了一种主动功率补偿的SOC控制策略,通过主动改变储能的参考信号使其SOC在安全范围内工作。结合实际数据的仿真验证表明,该平抑方法能够自适应地实现光伏出力的合理分解与功率分配,在延长储能使用寿命的同时有效满足并网功率波动的要求,为平抑光伏输出功率波动提供了新思路。

航空用燃料电池及混合电推进系统发展综述

随着世界范围内碳减排需求的日益增长及长航时飞机的发展需要,高效率的燃料电池航空电推进系统逐渐受到重视,氢能航空的理念被人们所熟知,可使用碳氢燃料的高温燃料电池还可与燃气涡轮组成混合动力系统,发电效率进一步提高至70%。本文回顾了燃料电池及燃料电池涡轮混合系统在航空能源、动力系统方向应用概况;概述了几种突破现有涡轮发动机技术瓶颈的新概念混合电推进系统,如发电与推进一体化燃料电池涡轮混合动力系统和无涡轮燃料电池混合推进系统;基于此,分析了限制燃料电池混合系统实际应用的关键技术难题,主要体现在混合动力系统功重比较低、大分子碳氢燃料重整技术未突破两方面。

油电混合动力船舶动力系统研究

为了响应国家对航运业绿色可持续发展的需求,以某小型油电混合动力客船为研究对象,进行动力系统研究。根据船舶基本参数与设计指标,给出混合动力系统总成方案。在满足船舶动力性指标要求的前提下,对船舶混合动力系统进行参数匹配;并进一步提出了油电混合动力船舶能量控制策略,最后在混合动力实验平台上进行仿真试验验证。实验结果表明,相同工况下,混合动力船舶会比柴油发动机作为主机的船舶消耗更少的燃料,可以有效提高船舶的经济性并改善其排放性能。

基于螺旋桨负载的电推进系统线性/非线性自抗扰混合控制方法研究

电推进系统采用永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)直接驱动螺旋桨为飞机提供所需的动力,由于运行工况的复杂性和强耦合性,其对动态响应和扰动抑制能力提出更高的要求。为了提高系统性能,提出一种线性/非线性自抗扰混合控制方法。在线性扩张状态观测器(linear expanding state observer,LESO)和非线性扩张状态观测器(nonlinear expanding state observer,NESO)参数整定的基础上,设计带权重系数的混合控制策略。该方法有效整合LESO和NESO的优点,通过带桨测试结果验证所提方法的可行性,为工程实践奠定理论基础。

航空混合电推进系统的发展现状及应用前景

介绍了混合电推进系统的概念,以及以美国国家航空航天局、美国空军研究实验室、欧洲空中客车集团和俄罗斯中央航空发动机研究院为代表的国外组织在混合电推进系统领域的主要研究项目和发展现状,最后分析了混合电推进系统在城市空中交通、支线/干线客机、通航飞机等民用领域和忠诚僚机、高空长航时无人机、运输机和远程轰炸机、下一代战斗机等军用领域的应用前景。

交直流混合分布式可再生能源技术发展现状分析

分布式可再生能源具有随机性和波动性的特点,影响电网安全稳定可靠运行的同时,多级变流环节降低了系统效率,影响接入便捷性。此外,配电网互联互济和柔性调控能力不足,同样限制了可再生能源的消纳率。交直流混合系统可以实现灵活组网,有效减小交直流转换环节,保证系统经济可靠运行。从交直流混合系统关键设备、系统架构、优化配置、能效评估、优化运行等多个角度进行分析,探讨了当前交直流混合的分布式可再生能源技术的研究现状和最新的技术进展,介绍了目前交直流混合系统示范应用,总结了国内外交直流混合的分布式可再生能源技术研究成果。

混合电推进系统关键技术研究进展

介绍了混合电推进系统的类型及工作原理,对比了串联、并联、串-并联三类混合电推进系统的优缺点。总结了美国、欧盟和俄罗斯混合电推进系统的发展现状。分析了不同飞机类型对混合电推进系统部件性能的要求,以及混合电推进系统部件的技术现状和未来技术需求。重点阐述了美国和欧盟在混合电推进系统关键技术超导电机方面的研制进展,并对超导电机的超导性保持技术,即冷却系统的冷却剂和冷却方案的选取进行了探讨,以期为国内混合电推进系统的研发思路和技术突破提供参考。

欧洲启动模块化混合电推进系统研究

欧洲启动了一项名为“Mahepa”的模块化串联混合电推进系统研发项目。该项目由轻型电动飞机制造商斯洛文尼亚蝙蝠飞机公司牵头实施，旨在开发混合电驱动系统的专有技术，用以验证系统的性能、效率和排放情况。

并联式柴-电混合动力推进系统在现有海巡船中的应用分析

柴-电混合动力推进系统作为一种新型推进方式,具备能耗低、排放小的优势。考虑到海巡船作业具有间歇性、靠离频繁以及航速航向多变等工作特点,通过分析“海巡0311”轮航行的作业数据及工作原理,提出了一种并联式柴-电混合动力系统的推进方案,并详细介绍了其3种工作模式。该方案能在现有海巡船的基础上,为其推进系统的改造升级提供工程上的解决方法,对“绿色海事”的发展具有积极的参考意义。