混合电推进系统的仿真方法、装置、电子设备及存储介质与流程

本技术涉及电力通信，特别地，涉及混合电推进系统的仿真方法、装置、电子设备及存储介质。

背景技术：

1、随着全球航空业对低碳排放、高效率和低噪声动力系统的迫切需求，电气化飞行已成为继燃气涡轮发动机之后航空技术的重大变革方向。对于100座级电动飞机、中大型evtol等对大载重和长续航要求不断提高的飞行器，由高效率燃气涡轮发动机、高功重比发电机与电动机、大容量高能量密度动力电池及轻质高效推进器组成的涡轮基混合电推进系统，正成为未来航空混合电推进技术发展的重要方向。然而，此类系统涉及气动热力学、机械动力学、电动力学、电化学和空气动力学等多个学科的深度交叉耦合，且各部件动态响应时间尺度差异巨大（发动机秒级响应，电机及电池毫秒级响应），导致全工况建模、多能源协同控制与能量管理极为复杂。使用能够反映多学科协同匹配和动态耦合特性的系统级模型，成为国内外航空混合电推进系统设计的核心技术。

2、目前，国内外对混合电推进系统的建模与仿真研究主要可归为以下几类，其中与本技术最为相似的现有技术方案主要包括：

3、（1）基于简易动态模型的系统级仿真方案。以罗罗北美技术公司针对300座级翼身融合未来飞机n3-x的分布式涡轮发电推进系统（tedp）为代表，该方案建立了仅反映功率参数动态关系的发动机简易模型，使用惯性环节和饱和环节建立发电机、逆变器及推进器的动态模型，利用这些简易动态模型研究涡电推进飞机高压电网的稳定性、过渡态响应、控制规律和安全性。该方案的优点在于模型简单、计算效率高，缺点是对各部件学科特征的保留不足。

4、（2）基于专业工具分立建模与联合仿真的方案。以nasa格林研究中心针对150座级后风扇附面层吸除的单通道涡轮发电验证机（starc-abl）的混合电推进系统为代表，该方案利用数字推进系统仿真模型（npss）建立齿轮传动涡扇发动机和电动后风扇的动态模型，同时利用matlab/simpowersystems工具包建立ac/dc、pwm逆变器、永磁电机等设备的电气动态和机械动态模型，并将这些模型集成在nasa电动飞机试验台（neat）中，对发动机转子动态特性以及子系统间信息交互进行仿真研究。该方案代表了当前混合电推进系统多学科联合仿真的主流技术路线，即各学科分别采用各自熟悉的专用工具建立专业模型，再通过集成平台进行联合仿真。

5、（3）基于部件级热力学模型的稳态/准稳态仿真方案。以nasa格林研究中心在革命性垂直起降技术（rvlt）计划中开展的工作为代表，该方案利用npss和燃气涡轮发动机重量分析软件（wate++），分别建立大、中、小多种功率范围和单、双转子多种构型的涡轴发动机热力学模型和重量模型，主要输出轴功率范围等稳态性能参数，作为支持当前和未来工作的共同基准。该方案主要适用于发动机选型与初步设计阶段，对动态过程及多学科耦合的刻画能力有限。

6、综合上述与本技术最相似的现有技术方案，其存在以下主要缺点和不足：

7、（1）缺乏统一的、易于工程实现的多学科联合仿真架构。现有技术中，各学科模型（如npss中的发动机模型、simpowersystems中的电气模型）通常运行在不同平台，需要通过定制化的集成环境（如neat）进行联合，系统复杂、接口标准不统一、对研究人员跨学科能力要求高，难以在常规工程研发条件下快速搭建和迭代。

8、（2）未解决多学科模型动态响应等效协同问题。现有技术中，涡轴发动机的秒级动态响应与发电机、电动机的毫秒级电气动态响应直接耦合，缺乏一套合理分配各部件模型动态响应等效水平的方法。要么发动机模型过于简化，无法反映真实的功率变化限制；要么电气模型过于精细，导致仿真步长过小、计算效率低下，难以兼顾系统级控制与能量管理设计的需求与各学科技术特征的保留。

9、（3）缺乏覆盖全工况的混合电推进系统控制规律。现有技术多聚焦于稳态巡航工况或特定工作模式（如发电模式）的控制，缺少一套能够覆盖涡轴发动机从地面起动、地慢/空慢切换、加减载到停车的全过程控制规律。同时，发电机、电动机、动力电池等电气设备的控制也未与发动机形成完整的协同控制逻辑，导致现有模型难以驱动系统完成从静止到全工况的动态仿真。

10、（4）未充分考虑发电子系统动态响应能力对能量管理策略的约束。现有能量管理策略主要基于稳态功率平衡或简单的削峰填谷规则，未针对串联式涡轴发电子系统有限的功率加载/减载速率能力设计相应的约束条件。当螺旋桨功率需求快速变化时，发动机动力涡轮转速易产生大幅波动，甚至导致发电机失步或发动机停车，影响系统稳定性和安全性。

技术实现思路

1、本技术一方面提供了混合电推进系统的仿真方法，解决现有技术缺乏统一仿真架构、多学科响应等效协同、全覆盖控制规律、能量管理策略约束的技术问题。

2、本技术通过如下方案实现：

3、混合电推进系统的仿真方法，包括以下步骤：

4、s1、建立涡轮涡轴发动机的部件级全状态动态模型得到发动机模型，包括采用全状态部件法，基于容腔动力学方程、转子动力学方程以及变比热计算方法，在选定的主仿真平台中建立能够反映发动机从静止起动、加减载到停车全过程的非线性微分方程组模型；

5、s2、建立发电机模型、电动机模型、动力电池模型及螺旋桨模型，包括在选定的副仿真平台中，基于平均电气特性和稳态机械特性建立兆瓦级永磁同步发电机和电动机的平均特性模型，建立动力电池的动态等效电路模型，建立可变距推力桨与定距升力桨基于无量纲特性的空气动力学模型；

6、s3、设计混合电推进系统的全状态控制规律，包括发动机全状态控制规律、发电机控制规律和电动机控制规律，所述发动机全状态控制规律包括发动机的地面起动控制规律、地面慢车控制规律、地慢/空慢转换控制规律、加减载控制规律、停车控制规律、限制保护控制逻辑；

7、s4、设计考虑动态响应能力的全工况能量管理策略，包括以发电子系统的最大加载速率和最小减载速率为约束，制定涡电混动模式、串联混动模式、纯电模式、充电混动模式四种工作模式的功率分配规则，实现发电机与动力电池之间的协同功率分配；

8、s5、集成多学科模型并开展联合仿真验证，包括通过仿真联合仿真接口，将发动机模型与发电机模型、电动机模型、动力电池模型及螺旋桨模型集成，设置仿真工况序列，运行仿真并对比各部件与样机试验数据，验证模型精度与控制策略有效性。

9、本技术另一方面提供了混合电推进系统的仿真装置，包括：

10、主模型建立模块，用于建立涡轮涡轴发动机的部件级全状态动态模型得到发动机模型，包括采用全状态部件法，基于容腔动力学方程、转子动力学方程以及变比热计算方法，在选定的主仿真平台中建立能够反映发动机从静止起动、加减载到停车全过程的非线性微分方程组模型；

11、副模型建立模块，用于建立发电机模型、电动机模型、动力电池模型及螺旋桨模型，包括在选定的副仿真平台中，基于平均电气特性和稳态机械特性建立兆瓦级永磁同步发电机和电动机的平均特性模型，建立动力电池的动态等效电路模型，建立可变距推力桨与定距升力桨基于无量纲特性的空气动力学模型；

12、全状态控制规律构建模块，用于设计混合电推进系统的全状态控制规律，包括发动机全状态控制规律、发电机控制规律和电动机控制规律，所述发动机全状态控制规律包括发动机的地面起动控制规律、地面慢车控制规律、地慢/空慢转换控制规律、加减载控制规律、停车控制规律、限制保护控制逻辑；

13、全工况能量管理策略构建模块，用于设计考虑动态响应能力的全工况能量管理策略，包括以发电子系统的最大加载速率和最小减载速率为约束，制定涡电混动模式、串联混动模式、纯电模式、充电混动模式四种工作模式的功率分配规则，实现发电机与动力电池之间的协同功率分配；

14、模型集成及联合仿真验证模块，用于集成多学科模型并开展联合仿真验证，包括通过仿真联合仿真接口，将发动机模型与发电机模型、电动机模型、动力电池模型及螺旋桨模型集成，设置仿真工况序列，运行仿真并对比各部件与样机试验数据，验证模型精度与控制策略有效性。

15、本技术另一方面还提供了一种电子设备，所述电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的混合电推进系统的仿真方法。

16、本技术另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的混合电推进系统的仿真方法。

17、本技术另一方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序或计算机可执行指令，所述计算机程序或计算机可执行指令被处理器执行时，实现所述的混合电推进系统的仿真方法。

18、与现有技术相比，本技术能够产生以下有益效果：

19、（1）在多学科联合仿真架构方面，更具工程可实现性与便捷性。现有技术中，发动机模型通常运行在npss等专用工具中，电气模型运行在simpowersystems中，需要借助复杂的集成环境（如neat）才能实现联合仿真，系统复杂、接口标准不统一。本技术采用主模型加副模型的架构，通过成熟的联合仿真接口实现数据交互，无需额外开发定制化集成平台，大幅降低了多学科联合仿真的实现难度，便于在常规工程研发条件下快速搭建和迭代。

20、（2）在多学科模型动态响应等效协同方面，兼顾了仿真精度与计算效率。

21、现有技术中，要么发动机模型过于简化（如使用惯性环节代替），无法真实反映功率变化过程中的转速、温度等动态特性；要么电气模型过于精细（如10khz以上的pwm瞬态模型），导致仿真步长过小、计算效率低下。本技术提出了动态响应等效协同方法：发动机保留完整的转子动力学和容腔动力学（秒级真实响应），电气模型采用平均特性并引入扭矩限制线（等效至百毫秒级），电池模型保留数十秒级动态。该方法既满足了系统级控制与能量管理设计的精度需求，又最大限度地保留了各学科的技术特征，同时显著提升了仿真效率。

22、（3）在全状态控制规律方面，实现了从起动到停车的全工况覆盖。现有技术多聚焦于稳态巡航工况或特定工作模式的简单控制规律，缺少对发动机地面起动、地慢/空慢切换、加减载前馈、限制保护、停车等全过程的完整控制逻辑。本技术设计了覆盖涡轴发动机全状态的控制规律，并与发电机、电动机控制规律形成完整协同体系，实现了混合电推进系统从静止开始起动、加减载到停车的全部过程和状态的驱动与控制，填补了现有技术在非稳态工况控制方面的空白。

23、（4）在能量管理策略方面，考虑了发电子系统动态能力的约束。现有能量管理策略主要基于稳态功率平衡，未考虑串联式涡轴发电子系统有限的功率加载/减载速率能力，当螺旋桨功率快速变化时易导致发动机转速大幅波动甚至停车。本技术首次将发电子系统的最大加载速率和最小减载速率作为约束条件嵌入能量管理策略，将发电机功率变化率限制在发动机动态响应能力范围内，超出部分由动力电池承担。该策略有效抑制了动力涡轮转速的波动（仿真显示超调量小于3%），显著提升了系统的动态稳定性和安全性。

24、（5）在模型验证方面，经过了充分的试验数据对比验证。与现有技术中许多研究仅停留在数字仿真层面不同，本技术对涡轴发动机、发电机、升力电推进子系统、推力电推进子系统的数学模型分别与兆瓦级混合电推进样机实验平台进行了试验数据对比验证。结果表明：发动机稳态偏差最大不超过2%，发电机平均相对误差0.39%、稳态偏差小于5%，升力电机功率偏差小于4%，升力桨拉力和扭矩偏差小于3%，推力电机及推力桨仿真与设计数据吻合，充分的试验验证保证了本技术所建模型与方法的工程可信度。

25、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本技术还有其他的目的、特征和优点。下面将参照图，对本技术作进一步详细的说明。