直流分布式电源系统稳定性研究

摘要

随着电力电子技术的发展，人们对电源的性能提出了越来越高的要求。与早期的集中式电源系统(Centralized Power System，CPS)相比，直流分布式电源系统(DC Distributed Power System，DC DPS)具有系统架构灵活、变换效率高、易于冗余供电等优点，并已广泛应用于空间站、舰船、混合动力汽车、网络服务器、通讯电源和新能源发电等领域。然而，独立工作稳定的变换器组成DC DPS后，系统有可能不稳定，因此本文系统研究DC DPS中的稳定性问题。
　　本文研究内容主要包括三个部分。
　　第一部分为第二章，研究高压大功率场合下DC DPS中变换器的拓扑。在任何场合下，可靠、稳定运行的变换器拓扑始终是DC DPS稳定运行的保证。目前针对DC DPS中变换器的研究虽然很多，但对于高压大功率场合下，DC DPS中直流变换器拓扑的研究却比较少，因此本文第二章对该场合下常用的移相控制Boost型全桥变换器进行了改进，提出了一种更加高效、可靠的变换器拓扑，该拓扑在传统的移相控制Boost型全桥变换器的变压器原边并联了一个由两个开关管和一个谐振电容组成辅助电路，可以实现所有主功率管的零电流开关(Zero–Current-Switching，ZCS)和所有辅助管的零电压开关(Zero–Voltage-Switching，ZVS)，并且主功率管不存在额外的电压和电流应力。另外，谐振电容的电压随着输入电流自适应变化：即当输入电流增加时，滞后管实现ZCS所需要的谐振能量增加，谐振电容的电压增加；当输入电流减小时，滞后管实现ZCS所需要的谐振能量减小，谐振电容的电压降低。因此，所提出的变换器在实现主功率管软开关的同时，大大减小了变压器副边电流的占空比丢失，降低了软开关谐振回路的导通损耗。最后设计了一台输入530V，输出15kV，5kW的原理样机，通过实验验证了所提变换器的上述优点。
　　第二部分为第三章，研究DC DPS稳定性的通用的阻抗判据。DC DPS中除了常见的级联形式以外，还有带储能的DC DPS和源变换器采用下垂控制的DC DPS等形式，现有的阻抗判据在判断这些系统的稳定性时往往比较困难和繁琐。因此，为了解决上述问题，第三章不再以源变换器或负载变换器来区分DC DPS中的变换器，而是将其归类为控制母线侧端口电压的变换器(Bus Voltage Controlled Converter，BVCC)和控制母线侧端口电流的变换器(Bus Current Controlled Converter，BCCC)。这样，各种结构形式的DC DPS都可以用同一种形式的系统来表示。在此系统中，母线电压和电流分别由BVCC和BCCC并联控制。基于该通用形式，本文利用二端口小信号模型，推导了DC DPS稳定性的通用阻抗判据，并研制了带蓄电池的光伏供电系统和源变换器采用下垂控制的DC DPS的原理样机，进行了实验研究，实验结果验证了该判据的正确性。
　　第三部包含第四章和第五章，研究DC DPS不稳定问题的通用解决方案。
　　第四章从调节源变换器输出阻抗的角度出发，提出了自适应型有源电容变换器(Adaptive Active Capacitor Converter，AACC)的解决方案。该方案等效地在源变换器的输出端增加了一个容值随功率自适应变化的输出滤波电容，在全频率范围内降低了源变换器输出阻抗的幅值，避免了源变换器输出阻抗和负载变换器输入阻抗的幅值交截，保证了系统的稳定工作。而且，在任何负载下，AACC在源变换器的输出端等效增加的输出滤波电容容值都是保证系统稳定的最小值，因此与在中间母线上并联电解电容的方案相比，AACC方案优化了系统的动态特性。以一个480W的级联系统为例，实验验证了AACC方案的正确性。
　　第五章从调节负载变换器输入阻抗的角度出发，针对负载变换器提出了一种基于虚拟阻抗的输入阻抗调节策略。该策略等效的在负载变换器的输入端并联了一个虚拟阻抗，从而可以有效的调节负载变换器输入阻抗的幅值和相位，保证级联系统稳定工作。该章系统分析了所提出的虚拟阻抗的表达式，详细讨论了该虚拟阻抗的实现方法，并给出了输入阻抗调节器的设计方案。研制了一个100W，由LC滤波器和48V?12V的Buck变换器组成的级联系统，进行了实验研究，验证了输入阻抗调节策略的正确性。

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注释表

第一章 绪论

1.1 分布式电源系统的提出

1.2 分布式电源系统的分类

1.3 高压大功率场合下DC DPS直流变换器的研究现状

1.4 DC DPS稳定性阻抗判据的研究现状

1.5 DC DPS稳定性问题解决方案的研究现状

1.6 本文研究意义及主要研究内容

第二章 一种改进型移相控制Boost型全桥变换器

2.1 引言

2.2 工作原理

2.3 稳态分析和参数设计

2.4 设计实例

2.5 实验结果

2.6 本章小结

第三章 直流分布式电源系统稳定性通用阻抗判据

3.1 引言

3.2 DC DPS的统一形式

3.3 DC DPS的通用阻抗判据

3.4 实验验证

3.6本章小结

第四章 提高级联系统稳定性的自适应型有源电容变换器

4.1 引言

4.2 级联系统的阻抗特性和不稳定问题

4.3 AACC的基本概念、拓扑和控制

4.4 AACC的参数设计

4.5 实验验证

4.6本章小结

第五章 用于提高级联系统稳定性的负载变换器的输入阻抗调节策略

5.1 引言

5.2 调节负载变换器输入阻抗的虚拟阻抗

5.3虚拟阻抗的实现?输入阻抗调节策略

5.4 设计实例

5.5 实验验证

5.6 本章小结

第六章 工作总结与展望

6.1 本文的主要工作

6.2 下一步要做的工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录 采用下垂控制变换器的工作原理及闭环输出阻抗的推导