(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111646776.7 (22)申请日 2021.12.2 9 (71)申请人 中国航天空气动力技 术研究院 地址 100074 北京市丰台区云岗西路17号 (72)发明人 任素萍　 (74)专利代理 机构 北京思创大成知识产权代理 有限公司 1 1614 专利代理师 张立君 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 30/18(2020.01) G06F 113/04(2020.01) (54)发明名称 太阳能无人机电力系统能流分析装置和方 法 (57)摘要 本申请公开了太阳能无人机电力系统能流 分析装置和方法。 根据本申请提出的方案， 通过 给定飞行工况条件， 可以用于计算电力系统能流 状态。 将该方法结合计算机仿真技术， 针对太阳 能无人机， 可实现大量飞行工况、 复杂电力系统 网络拓扑的快速 计算和准确特性分析。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 114462201 A 2022.05.10 CN 114462201 A 1.一种太阳能无人机电力系统能流分析装置， 其特征在于， 包括输入条件模块、 太阳能 电池模型模块、 线缆阻抗模 型库、 螺旋桨模型模块、 电动机模 型模块、 配电系统模 型模块、 蓄 电池模型模块、 线缆拓扑模型模块、 拓扑模型求 解模块、 输出 结果模块， 其中： 所述输入条件模块用于给定待分析工况输入条件， 包括飞行环境条件、 飞行姿态工况 条件、 用电设备工况 条件； 所述太阳能电池模型模块与所述输入条件模块连接， 用于根据所述飞行环境条件、 所 述飞行姿态工况 条件计算太阳能电池发电功率； 所述线缆阻抗模型库与所述输入条件模块连接， 用于根据 所述飞行环境条件得到所述 电力系统中各支路线缆阻抗； 所述螺旋桨模型模块与所述输入条件模块连接， 用于根据 所述飞行环境条件计算螺旋 桨负载扭矩； 所述电动机模型模块分别与 所述输入条件模块和所述螺旋桨模型模块连接， 用于根据 所述飞行环境条件和所述螺 旋桨的负载 扭矩计算电动机用电功率； 所述配电系统模型模块与 所述输入条件模块连接， 用于根据所述用电设备工况条件计 算所述配电系统用电功率； 所述蓄电池模型模块与所述输入条件模块连接， 用于根据 所述用电设备工况条件计算 蓄电池电压； 所述线缆拓扑模型模块用于表示所述电力系统 的网络拓扑， 所述线缆拓扑模型模块分 别与所述太阳能电池模型模块、 所述线缆阻抗模型库、 所述电动机模 型模块、 所述配电系统 模型模块、 所述蓄电池 模型模块连接； 所述拓扑模型求解模块与 所述线缆拓扑模型模块连接， 用于基于所述网络拓扑进行迭 代求解以计算稳态电路状态信息； 所述输出结果模块与 所述拓扑模型求解模块连接， 用于将所述稳态电路状态信 息与电 气物理参数相关联， 得到针对所述电力系统的能流分析。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于： 所述飞行环境条件 包括时间、 经度、 纬度、 高度、 温度、 气压； 所述飞行姿态工况 条件包括俯仰角、 滚转角、 航向角； 所述用电设备工况 条件包括电动机转速、 蓄电池容 量、 配电系统用电模式。 3.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述螺旋桨模型模块、 所述电动机模型模 块、 所述配电系统模型模块、 所述蓄电池模型模块中的部分或全部是基于机理建模得到的 设备描述数 学模型， 或者是基于试验测量得到的数据模型。 4.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述线缆拓扑模型模块采用基于改进型节 点电压法建立的拓扑模型矩阵方程 来表示所述电力系统的网络 拓扑。 5.根据权利要求1所述的装置， 其特征在于， 所述稳态电路状态信 息包括所述电力系统 的各节点电压、 各设备和线缆的支路电流以及线缆损耗。 6.一种采用如权利要求1 ‑5中任意一者所述的太阳能无人机电力系统能流分析装置分 析太阳能无 人机电力系统能流的方法， 其特 征在于， 包括： 步骤1， 计算过程初始化， 包括所述待分析工况输入条件初始化、 所述拓扑模型求解模 块的迭代初始值初始化， 蓄电池电压计算初始值初始化；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114462201 A 2步骤2， 根据所述输入条件模块给定的所述待分析工况输入条件， 通过所述螺旋桨模型 模块和所述配电系统模型模块计算太阳能电池发电功率、 螺旋桨负载扭矩、 配电系统用电 功率； 步骤3， 根据所述螺 旋桨负载 扭矩， 通过 所述电动机模型模块计算电动机用功率； 步骤4， 根据蓄电池电压计算初始值， 通过所述拓扑模型求解模块与所述线缆拓扑模型 模块计算蓄电池充/放电电流， 并经蓄电池容量电压模型与蓄电池容量条件计算下一次迭 代蓄电池的电压值， 直至蓄电池节点电压收敛； 步骤5， 通过所述拓扑模型求解模块与所述线缆拓扑模型模块计算所述稳态电路状态 信息， 具体地先基于输入的飞行环境条件查询线缆阻抗模型库， 得到所述电力系统中各支 路线缆阻抗； 然后迭代求解拓扑模型矩阵方程， 直至计算收敛， 以得到所述稳态电路状态信 息； 步骤6， 求解完成后， 将所述稳态电路状态信息与其对应实际物理含义关联， 以得到所 述电力系统的电气物理参数。 7.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 所述方法还包括通过下列步骤得到所述线 缆阻抗模型库： 选择电力系统拓扑线缆设计常用型号线缆， 并截取 单位长度； 在气压温度试验箱内， 对待测线缆采用 恒流源注入方式， 测量各型号线缆在不同直流 电流、 气压、 环境温度下的线缆阻抗值， 其中， 所述直流电流、 所述气压、 所述环境温度的范 围均包络飞行工况剖面； 基于测量结果， 建立所述线缆阻抗模型库。 8.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 所述方法还包括通过下列步骤得到所述线 缆拓扑模型模块： 根据每个节点和每条支路的关联关系， 列写节点对支路的增广关联矩阵[A]； 经公式[Ge]＝[A] ×[G]×[A]T， [G]为各支路导纳对角矩阵， 计算得到N阶拓扑导纳矩 阵， N为整个网络 拓扑的节点数， 拓扑导纳矩阵Ge表征 各设备节点线缆阻抗及连接关系； 采用改进节点电压法约束拓扑中全部设备关系， 得到拓扑模型矩阵方程： [Ge] ×[V]＝ [I]+[U]×[Yu]， 其中， [V]为拓扑中各节点相对于电压参考点的电压的矩阵， [I]为拓扑中 各支路设备等效电流源矩阵， [U]为拓扑中各电压源支路电压矩阵， [Yu]为各电压源支路导 纳矩阵。 9.根据权利要求8所述的方法， 其特征在于， 在步骤5中， 迭代求解拓扑模型矩阵方程， 直至计算收敛， 具体包括： S1， 将各恒功率负载视为无伴恒流源， 给定所述无伴恒流源电流初始值[Iso]0； S2， 通过求 解拓扑模型矩阵方程[V]＝([I]+[U] ×[Yu])/[Ge]， 得到计算中间过程 解； S3， 取出该中间过程解中恒功率负载节点电压[U]k， 通过[Iso]k+1＝P/[U]k， P为功率矩 阵， 得到下一次迭代恒流源电流初始值； S4， 判断是否满足收敛条件， 如果不满足， 则回到S2， 进入下一次迭代， 直至满足收敛条 件。 10.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 所述方法还 包括： 通过给定多个初始化待分析工况输入条件， 多次重复步骤1至步骤6， 实现多种飞行工权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114462201 A 3