考虑基波频率耦合的交流分布式电源系统频域建模与稳定性分析研究

The AC distributed power system (DPS) is used widely in more-electric aircrafts, electric ships and the micro-grids, where the interaction between the power converters is prone to cause system stability issue. The frequency domain approach based on the module terminal frequency characteristic model is more suitable for the stability analysis of the AC DPS than the time domain approach based on the system state-space model. The droop control is utilized to share the power between the sources in more and more AC DPS and the coupling of fundamental frequency appears between the source and load, which may be lead to system unstable. However, existing modeling and stability analysis approaches in frequency domain do not involve this coupling of fundamental frequency. To deal with this ultimate issue, this project focuses on three levels, which are modeling and analyzing terminal frequency characteristic of single source and load converter, modeling terminal frequency characteristic and stability analysis of the source subsystem, and modeling and stability analysis of AC cascaded system where the coupling of fundamental frequency appears between the source and load, and will primarily build the theoretical architecture of modeling and stability analysis in frequency domain for AC DPS with the coupling of fundamental frequency. This project will also propose a terminal frequency characteristic measurement approach of power converters including the information of fundamental frequency, in order to lay the foundation for the industrial application of the proposed theoretical architecture.

交流分布式电源系统广泛应用于多电飞机、全电船舶及微网等场合，其内部变流器之间的相互作用容易导致系统稳定性问题。基于模块端口特性模型的频域方法较传统电力系统中采用的基于系统状态空间模型的时域方法更适合于交流分布式电源系统建模与稳定性分析。越来越多的交流分布式电源系统采用下垂控制实现电源之间的功率分配，这将导致电源和负载之间存在基波频率耦合从而影响系统稳定性，然而现有频域建模与稳定性分析方法尚未考虑到该基波频率耦合。针对这一根本问题，本项目从单个电源及负载变流器端口频率特性建模与分析、电源子系统端口频率特性建模与稳定性分析以及电源和负载之间存在基波频率耦合的交流级联系统建模与稳定性分析三个层面展开研究，初步构建出含基波频率耦合的交流分布式电源系统频域建模和稳定性分析理论体系。本项目同时提出含基波频率信息的变流器端口频率特性测量方法，为该理论体系的工程应用奠定基础。

针对含基波频率动态行为的交流分布式电源系统建模与稳定性分析这一基本科学问题，本项目依次从单变流器端口频率特性建模、电源子系统并联稳定性分析、系统级联稳定性分析三个层面展开了研究，并解决基波频率动态变化条件下变流器端口频率特性测量中的关键技术问题，主要研究成果如下。.在单电源(及负载)变流器层面，本项目依次建立了典型下垂控制条件下三相逆变器及作为典型负载的三相BOOST整流器的端口频率特性模型，获得电源和负载变流器各自基波频率与端口电流以及端口电压和端口电流之间的传递函数，为基于变流器端口频率特性的交流分布式电源系统稳定性分析奠定基础。在电源子系统层面，本项目建立了基于各变流器端口频率特性的并联系统端口频率特性模型，提出了基于单个变流器端口频率特性的下垂控制并联逆变器系统稳定性判据，解决了并联电源子系统端口频率特性求取及稳定性分析问题。在系统层面，本研究首先推导出级联系统中母线扰动(电流)与母线电压频率之间的模型，然后依据GNC提出了基于电源及负载端口频率特性的级联系统稳定性判据，为交流分布式电源系统系统层面稳定性分析提供了有效手段及理论支撑。.在基波频率波动条件下的变流器端口频率特性测量方面，本项目提出了基波频率小信号扰动的注入方法及工程设计方法，同时通过基波频率波动条件下系统电压、电流及基波频率测量误差进行分析，进而提出相应补偿方法，解决了考虑基波频率动态行为的变流器端口频率特性精确测量中的关键技术问题。.本项目搭建了三相交流系统端口频率特性测量实验平台，采用单相H桥PWM变流器实现并联电流扰动注入及串联扰动电压注入，完成了各单元调试及系统联调，能实现三相交流系统端口频率特性测量。.