直流变换器级联系统稳定性研究

The distributed power system (DPS) has been used widely in such applications as space stations, aircraft, network servers, telecommunication power systems, and renewable energy generation system, thanks to its flexile system configuration, high-efficiency energy conversion, and high-density power delivery capability. Cascading converters is a typical connection style of the subsystems in DPS. This project will focus on the stability of the dc DPS. The stability criterions will be proposed for the dc DPS, in which, the source converter is output-voltage-controlled, output-current-controlled, or input-power-controlled. The relationship among the proposed stability criterions will be revealed. The small-signal model of the dc-dc converters, which can reflect the effects of different pulse-width modulations (PWM) (including leading-edge modulation, lagging-edge modulation, and dual-edge modulation) on the characteristics of the dc-dc converter, will be built, and then, the input-impedance and output-impedance of the dc-dc converters will be derived, and the characteristics of input-impedance and output-impedance with different PWM methods will be analyzed. Based on the proposed stability criterions and the derived input-impedance and output-impedance, the approaches of solving the stability problem of the dc-dc converter cascaded system will be proposed, including the input-impedance and output-impedance regulating loops and impedance adaptor. This research will provide the essential theoretical and practical basis for the further development of dc DPS.

分布式电源系统具有系统架构灵活、变换效率高、易于冗余和余度供电等优点，已广泛应用于空间站、飞机、网络服务器、通讯电源和新能源发电等领域。变换器的级联是分布式电源系统中的典型连接方式之一，本项目将系统研究直流变换器级联系统的稳定性问题。针对不同工作模式下（源变换器为恒压输出、恒流输出、输入功率控制工作模式）直流变换器级联系统，提出相应的稳定性判据，并揭示其相互关系；提出能够反映不同PWM调制方式(前沿调制、后沿调制、双沿调制)对直流变换器特性影响的小信号模型，并推导出不同工作模式下直流变换器的输入输出阻抗表达式，分析不同PWM调制方式对输入输出阻抗特性的影响；基于所提出的稳定性判据和所推导的输入输出阻抗，提出解决级联系统稳定性问题的方法，包括引入输入输出阻抗调节环路和阻抗适配器。本项目的研究将为分布式直流电源系统的进一步发展提供重要的理论和工程应用基础。

分布式电源系统具有系统架构灵活、变换效率高、易于冗余等优点，已广泛应用于空间站、网络服务器、通讯电源和新能源发电等场合。变换器的级联是分布式电源系统中的典型连接方式之一，本项目系统开展了直流变换器级联系统稳定性研究。.本项目提出将所有变换器归类为控制母线电压变换器(BVCC)和控制母线电流变换器(BCCC)，从而将各种直流分布式发电系统统一为一个通用形式，并推导出判断其稳定性的通用阻抗判据，即所有BVCC的母线侧端口阻抗并联值和所有BCCC的母线侧端口阻抗并联值之比应满足奈奎斯特判据。为得到端口阻抗的准确表达式，建立了具有工程应用价值的直流变换器离散小信号模型，分析了不同PWM调制方式（前沿调制和后沿调制）下三类基本直流变换器的输入输出阻抗特性。.基于所提出的通用阻抗判据，提出了直流变换器级联系统稳定性问题的解决方法。针对负载变换器，提出了输入阻抗调节策略，它相当于在负载变换器输入侧并联一个虚拟阻抗，以调节其输入阻抗的幅值和相位；针对源变换器，提出了自适应型有源电容变换器，将其并联于源变换器的输出端，等效在其输出侧并联了一个容值随功率自适应变化的电容，在全频段内避免了源变换器输出阻抗与负载变换器输入阻抗的幅值交截。针对负载变换器输入电流是脉动的情况，提出了一种修正源变换器PWM调制器传递函数的方法，有效提高了级联系统稳定性。.本项目揭示了调制波扰动测试法和脉宽扰动测试法两种直流变换器环路增益测试方法的相互关系，并提出了与脉宽扰动测试法等效且电路实现更为简单的两种测试方法。针对数字控制直流变换器，提出了其统一多频率数学模型，揭示了不同PWM调制方式对其特性的影响。针对交流级联系统，提出了一种简化的广义奈奎斯特稳定性判据，从而可应用直流级联系统稳定性判据来分析其稳定性问题，并提出了一种负载变换器输入阻抗调节方法，提高了系统稳定性。.本项目成果可为判定直流分布式电源系统的稳定性和解决其稳定性问题提供重要理论基础，研究思路可被交流分布式电源系统的稳定性研究所借鉴。