直流分布式電力系統(tǒng)變換器終端特性研究

鄭先成，何國華，黃沈，李晨蕾

（西北工業(yè)大學自動化學院，陜西 西安 710129）

直流分布式電力系統(tǒng)變換器終端特性研究

鄭先成，何國華，黃沈，李晨蕾

（西北工業(yè)大學自動化學院，陜西 西安 710129）

直流分布式電力系統(tǒng)在集成過程中存在一些典型問題：各變換器單獨工作時穩(wěn)定，集成后由于子系統(tǒng)間相互干擾導致集成系統(tǒng)不穩(wěn)定；集成系統(tǒng)動態(tài)特性無法利用傳統(tǒng)方法即電路的狀態(tài)方程預測。針對此問題，從元件級出發(fā)，設計電壓反饋控制型DC/DC變換器，采用間接的頻域法設計相應補償網絡，改善并比較補償前后變換器的終端特性。在Saber仿真平臺下，利用可靠且先進的終端特性測量方法，實現(xiàn)終端特性的頻域仿真測量；通過時域仿真驗證變換器終端特性所反映的電源調整率、負載調整率以及該變換器作為源變換器級聯(lián)恒功率負載時級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

直流變換器；終端特性；穩(wěn)定性；仿真

自美國海軍提出利用電力電子積木的概念構建直流分布式系統(tǒng)的理念后[1]，直流分布式系統(tǒng)相對于集中式供電系統(tǒng)在經濟、效率等方面展現(xiàn)出來的優(yōu)勢，獲得業(yè)界人士廣泛認可，并已開始應用于艦船以外的其他領域，如航空、通信等。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，生產低成本、高效率、高功率密度、低噪聲以及散熱性好的變換器模塊已經取得重要進展[2]。這些模塊單獨工作時運行良好且滿足各項指標要求，但是將這些變換器組合在一起構建直流分布式系統(tǒng)時，由于變換器之間的耦合，導致整個系統(tǒng)不穩(wěn)定或動態(tài)特性變差。級聯(lián)變換器之間通過其終特性（固有特性）實現(xiàn)耦合，進而實現(xiàn)能量的傳遞，所以通過研究變換器的終端特性，可以預測變換器的動態(tài)特性，從而預測其集成后分布式電力系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)定性[3]。但直流分布式電力系統(tǒng)設計者從時間、經濟等方面考慮，不必親自設計變換器，只需選擇購買合適的貨架產品即可。通常系統(tǒng)構建者無法了解到貨架產品內部結構參數(shù)，無法列寫相應電路狀態(tài)方程，或者系統(tǒng)過于復雜，不可能構建詳細的狀態(tài)方程，所以無法采用傳統(tǒng)的機遇系統(tǒng)狀態(tài)方程獲得系統(tǒng)的動態(tài)特性。針對此問題，有國外學者提出了黑盒子終端特性（BBTC）方法解決此問題[4]。研究變換器終端特性，不僅可預測其變換器動態(tài)特性，還可以用于預測和改善分布式電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，幫助系統(tǒng)構建者采用更好的方法預測和改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文分析了Buck變換器的終端特性，并在Saber仿真環(huán)境下進行驗證，為進一步探求如何利用黑盒子變換器終端特性預測變換器負載變化時輸入輸出電流電壓動態(tài)響應，進而預測直流級聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、分布式電力系統(tǒng)的動態(tài)特性與穩(wěn)定性，提供理論依據(jù)和終端特性的測量方法。

1 變換器終端特性

對于任意DC/DC變換器，均可建立相應的二端口網絡模型，如圖1所示。

圖1 二端口網絡模型

基于這四個參數(shù)再利用階躍響應原理，即可實現(xiàn)變換器動態(tài)特性預測。為了得到以上四個參數(shù)的傳遞函數(shù)，如果DC/DC變換器的電路參數(shù)已知，可通過小信號建模，得到此四個傳遞函數(shù)（即變換器終端特性）；如果DC/DC變換器的電路參數(shù)未知，則可通過網絡分析儀對模塊進行測量，得出以上四個參數(shù)，從而構建線性系統(tǒng)模型[5]。本文正是基于后者，開展DC/DC變換器終端特性的研究。

2 DC/DC變換器設計

設計Buck變換器，如圖2所示。輸入恒壓源電壓28 V；內阻=0.5mΩ；輸出電壓12 V；負載為恒流源，內阻=500 kΩ；額定電流：12 A；開關頻率：100 kHz；開關管導通電阻1= 0.5mΩ，二極管導通電阻為0；電感=42μH；電感寄生電阻=10mΩ；電容=450μF；電容寄生電阻=6mΩ；0=1 kΩ；1=3 kΩ；2=13.25 kΩ；2=20.7 nF；鋸齒波峰值為3.3V。

圖2 Buck變換器電路圖

如圖2所示，變換器采用電壓反饋控制，建立相應小信號模型[6]。由變換器小信號模型計算其未加補償時的輸出控制環(huán)路特性。根據(jù)環(huán)路補償網絡設計方法[3]，設計單零點單極點補償網絡補償環(huán)路增益，得到滿足預期的環(huán)路增益特性，以保證系統(tǒng)動態(tài)特性，如圖3所示。補償前環(huán)路增益低頻增益為20 dB左右，帶寬為4 kHz。補償后的環(huán)路增益的直流增益達到68 dB，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；補償后的帶寬為10 kHz，保證變換器具有較好的動態(tài)響應速度；環(huán)路增益特性曲線在10 kHz處以－20 dB/dec的斜率穿過0 dB，相位裕度為57.8°，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。在Saber仿真平臺下搭建如圖2所示的電路圖進行時域仿真，得到其輸出電壓波形，如圖7所示。綜上分析，經過合適的控制結構和參數(shù)設計，能夠保證變換器動態(tài)特性滿足實際需要。

圖3 DC/DC變換器補償前后環(huán)路增益

根據(jù)圖2所示變換器內部電路結構參數(shù)，可得到變換器相應的開環(huán)和閉環(huán)終端特性[3]。根據(jù)理論計算結果，可作圖顯示系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)下變換器終端特性，如圖4所示。

圖4 DC/DC變換器終端特性

3 DC/DC變換器終端特性測量

3.1 終端特性測量方法

閉環(huán)終端特性測量時信號注入方法主要分為兩種：電流信號注入法和電壓信號注入法。此處采用電流信號注入法測量、、、，測量電路如圖5所示[8]。實際測量終端特性時需要用到網絡分析儀，目前市面上有許多公司可提供此類儀器，如美國安捷倫公司的5061B、日本NF公司的FRA5097、英國牛頓公司的PSM 1700等，均可作為終端特性分析儀器。

圖5 信號注入電路

測量終端特性時，首先需要網絡分析儀輸出掃頻信號，注入到被測電路中，根據(jù)所需測量的終端特性不同，需要選擇合適的信號注入點，然后再選取相應測試點測量DC/DC變換器相應的DC/DC變換器終端特性。如圖5所示，OUT為網絡分析儀輸出信號端口，A、B、R均為信號接收端口。實際中，網絡分析儀輸出信號功率太低，需要放大，放大后的信號經過隔離變壓器隔離，再通過隔離電容0注入到被測電路中，0主要作用為隔離主功率電路，但是選取確定0容值時還需要考慮阻抗匹配關系。

3.2 終端特性仿真測量結果

按3.1節(jié)所述測試方法，在Saber仿真平臺下也可搭建相同的測試電路。Saber中tdsa可用作網絡分析儀，可輸出掃頻正弦信號，并對DC/DC變換器測量信號作增益相位分析。按照3.1節(jié)所述測量方法，測得、、、四個終端特性參數(shù)的幅相頻特性，如圖6所示。

設計DC/DC變換器開關頻率為100 kHz，變換器系統(tǒng)控制帶寬為10 kHz，對于變換器而言，帶寬內終端特性起主要作用，因此只需觀測10 kHz以內頻段的終端特性即可。在帶寬以外，由于電路本身干擾、濾波器自身的高頻響應特性以及擾動信號不能太大的原因，導致高頻測量結果有震蕩，與計算結果有些差別，但不對分析造成影響。

比較圖6與圖4中相對應的各終端特性，可知仿真與計算結果各頻率點的對應值有一定的偏置，但整體基本一致。各終端特性最大值比較如表1所示，仿真值相較于計算值稍小一點，原因在于：Saber仿真環(huán)境中，各元器件均有開關導通時間及其他實際因素考慮，此微小差異屬于正常范圍。因此，采用該測量方法測量變換器終端特性具有一定的可行性和準確性。變換器音頻衰減率和輸出阻抗最大值表明，變換器具有較好的電源調整率和負載調整率[7]。

圖6 閉環(huán)終端特性

表1 仿真與計算最大值(閉環(huán))比較 dB

4 變換器時域仿真

在本節(jié)中，對變換器進行時域仿真，以說明部分終端特性反映出的變換器動態(tài)特性，并驗證測量和計算結果的準確性。

4.1 變換器動態(tài)特性仿真

4.1.1 對變換器進行突加負載仿真

如圖7所示，當變換器負載由12 A突變至24 A時，輸出電壓瞬時最小值為11.229 V，即電壓欠沖量Δ=0.71 V，調節(jié)時間為0.2ms。由表1可知，變換器閉環(huán)輸出阻抗計算最大值為－22.3 dB，即0.076 7Ω。電流變化量Δ為12 A，則理論計算結果與變換器時域仿真結果基本一致，因此變換器具有較好的負載調整率，且輸出阻抗測量準確。

圖7 負載突變時輸出電壓動態(tài)特性

4.1.2 電源調整率仿真

如圖8所示，電源由28 V突變至40 V時，輸出電壓瞬態(tài)最大值為12.296 V，電壓過沖量Δ=0.71 V。如表1所示，閉環(huán)音頻衰減率仿真測量最大值為－32.040 dB，即0.025Ω。輸入電壓的變化量為Δin=12 V，則，與輸出電壓過沖量幾乎一致。由此說明變換器具有較好的電源調整率，且閉環(huán)音頻衰減率測量準確。

圖8 電源突變時輸出電壓變化

4.2 變換器級聯(lián)恒功率負載仿真

在級聯(lián)系統(tǒng)中，前級變換器為源變換器，后級變換器為負載變換器。負載變換器相對前級變換器表現(xiàn)為恒功率負載，考慮級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性，負載變換器對源變換器的輸出阻抗要求比較高。將之前所設計的DC/DC變換器作為源變換器，恒功率負載作為后級變換器，仿真此兩級變換器級聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以驗證該變換器的輸出阻抗?jié)M足一定的級聯(lián)系統(tǒng)集成要求。

如圖9所示，設置恒功率負載額定功率為144W，最大電流為12 A。當用可變電壓源驅動該恒功率負載，恒功率負載兩端電壓以及流過的電流波形如圖10(a)所示。使用本文所設計的DC/DC變換器驅動該恒功率負載，恒功率兩端電壓如圖10 (b)所示，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓為12 V，峰峰值為0.28 V，由此可見前級變換器具有較好的穩(wěn)定性。

圖9 電源直接帶恒功率負載仿真電路圖

圖10 恒功率負載兩端電壓電流波形

5 總結

本文針對已知電路結構參數(shù)的Buck變換器設計相應的補償網絡，顯著改善了其終端特性以及動穩(wěn)態(tài)特性，并在Saber中仿真驗證。

同時，在Saber中對變換器進行時域仿真，觀測變換器分別在階躍負載和階躍電源作用下的輸出電壓波形，表明了輸出電壓變化與相應終端特性的內在關系；將變換器與恒功率負載級聯(lián)時，級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，表明變換器設計良好。

綜上所述，終端特性精準測量有利于判定直流分布式電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也有利于預測其動態(tài)特性。在未來，此種方法在直流分布式電力系統(tǒng)集成中的應用，能夠大量減少構建直流分布式電力系統(tǒng)的時間和人力成本，有效提高系統(tǒng)運行效率，并預估整個系統(tǒng)在各種工況下運行的穩(wěn)定性和動態(tài)特性，以及在制定適用于直流分布式電力系統(tǒng)的DC/DC變換器端口特性標準方面均具有十分重要的意義。

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Term inal characteristicsstudy of converter for DC distributed power system

ZHENG Xian-cheng,HEGuo-hua,HUANG Shen,LIChen-lei

For DC distributed power system(DC DPS),there are some typicalproblem s in the integration process: although each converter alone operating is stable,interaction between subsystem s can lead integration system instable after integration;and integration system dynam ics can't be predicted by traditionalmeasures circuits'status equation.As to the problem s above,starting from the element level,a voltage feedback controlDC/DC converterwas designed,and the correspondent com pensating network was designed through indirect frequency domain method, improving and contrasting converter term inal characteristics before and after compensating.Under the Saber simulation platform,the frequency domain simulation measurementof term inalcharacteristics was carried on through advanced and dependable term inal characteristics measurementmethod;power regulation,load regulation reflected by converter term inalcharacteristics and the stability of cascading connection system when the converter as a source converterwas cascadingly connected w ith constantpower load were verified through time domain simulation.

DC/DC converter;term inal characteristic;stability;simulation

TM 46

A

1002-087 X(2014)05-0930-05

2013-11-10

鄭先成(1977—)，男，河南省人，副教授，主要研究方向為航空航天器電力系統(tǒng)分析與控制、虛擬儀器與分布測試技術、嵌入式實時系統(tǒng)設計。