First Simulink Benchmark for Off-Line and Real-Time Simulation of More-Electric Aircraft (MEA) Electrical Power System

Le concept des avions plus-électrique est une nouvelle cible technologique pour les fabricants d'avions. Il concerne la réduction du poids de l'avion, de la consommation de carburant et l'amélioration de l'efficacité de l'énergie. Tous ces éléments constituent des avantages potentiels importants. Les avions conventionnels utilisent les puissances hydraulique, mécanique, pneumatique et électrique en tant que sources d'énergie. Pour augmenter l'efficacité de ces systèmes, des études sont effectuées dans le but d'augmenter la part d'énergie électrique utilisée dans les avions pour la génération, la distribution et l'utilisation de la puissance électrique. Parallèle à l'augmentation de l'efficacité, le nombre et la qualité des études techniques relatives aux étapes de conception, design et essais de validation, doivent aussi être augmentés et/ou améliorées. Les modèles mathématiques et les outils de simulation constituent des moyens efficaces permettant de prédire le comportement du réseau électrique, corriger des erreurs de design, éliminer certaines étapes de prototypage et réduire le temps d'essai des composantes. Les outils de simulations peuvent augmenter la robustesse des systèmes tout en réduisant les essais dispendieux au sol et en vol. De plus, les outils de simulation offrent une infinité d'options pour l'étude d'un grand nombre de scénarios d'opération et pour l'optimisation. Les outils de simulation modernes deviennent de plus en plus sophistiqués et permettent, si les données sont disponibles, de créer des modèles très près de la réalité autant pour les composants que pour les systèmes. La simulation en temps réel permet de faire des essais sur des équipements réels (« hardware-in-the-loop ») pour valider des modèles et déterminer des paramètres. Ce mémoire de maîtrise présente un premier test de simulation et d'analyse pour le réseau électrique du Global Express de Bombardier. Les simulations sont effectuées en temps différé et en temps réel. Les outils utilisés sont Simulink pour la simulation en temps différé et le simulateur OPAL-RT basé sur Simulink pour la simulation en temps réel. Cette recherche sert à définir les goulots de modélisation ainsi que les besoins au niveau des données nécessaires à la modélisation. Ce mémoire établit aussi les besoins de validation et de mesure pour la modélisation d'un avion plus électrique. La simulation en temps réel est particulièrement contraignante et ce mémoire a permis de tester une nouvelle méthode de résolution en temps réel.

Abstract

Conventional aircrafts use hydraulic, mechanical, pneumatic and electrical energy sources to supply their systems. In order to increase the efficiency of such systems, it is needed to increase the penetration level of electrical systems and components in aircrafts for generating, distributing and utilizing electrical power. An important step is to develop numerical models for studies related to the conception, design and testing stages. Mathematical modeling and simulation tools constitute an efficient approach for predicting operational behaviour, correcting design errors, eliminating prototyping steps and reducing component and overall testing cycles. Simulation tools can increase system robustness while reducing expensive ground and flight tests on the actual aircraft. Moreover, simulation tools offer limitless options for studying huge numbers of operational scenarios and detecting failure conditions. Modern simulation tools for electrical circuits and systems have become very sophisticated and, if data is available, can be used to create extremely precise models for components and complete systems. Real-time simulation tools allow testing actual physical components (hardware-in-the-loop) and can be used to validate models and derive model parameters. This research presents an initial benchmark for the simulation and analysis of the Bombardier Global Express aircraft electrical power system. Both for off-line and real-time simulations are considered. The considered tools are Simulink for off-line simulations and the Opal-RT simulator (based on Simulink) for real-time simulations. These tools allow achieving advanced models and testing the aircraft system in a high scope of scenarios. The research identifies modeling bottlenecks and data needs, establishes validation needs and proposes measurement tests for qualifying component models. It is established that the real-time simulation of the developed power system is particularly complex. An available and new real-time simulation method is tested at the end and demonstrates the need for further research.