直流分布式电力系统变换器终端特性研究

郑先成，何国华，黄沈，李晨蕾

（西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710129）

直流分布式电力系统变换器终端特性研究

郑先成，何国华，黄沈，李晨蕾

（西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710129）

直流分布式电力系统在集成过程中存在一些典型问题：各变换器单独工作时稳定，集成后由于子系统间相互干扰导致集成系统不稳定；集成系统动态特性无法利用传统方法即电路的状态方程预测。针对此问题，从元件级出发，设计电压反馈控制型DC/DC变换器，采用间接的频域法设计相应补偿网络，改善并比较补偿前后变换器的终端特性。在Saber仿真平台下，利用可靠且先进的终端特性测量方法，实现终端特性的频域仿真测量；通过时域仿真验证变换器终端特性所反映的电源调整率、负载调整率以及该变换器作为源变换器级联恒功率负载时级联系统的稳定性。

直流变换器；终端特性；稳定性；仿真

自美国海军提出利用电力电子积木的概念构建直流分布式系统的理念后[1]，直流分布式系统相对于集中式供电系统在经济、效率等方面展现出来的优势，获得业界人士广泛认可，并已开始应用于舰船以外的其他领域，如航空、通信等。随着电力电子技术的不断发展，生产低成本、高效率、高功率密度、低噪声以及散热性好的变换器模块已经取得重要进展[2]。这些模块单独工作时运行良好且满足各项指标要求，但是将这些变换器组合在一起构建直流分布式系统时，由于变换器之间的耦合，导致整个系统不稳定或动态特性变差。级联变换器之间通过其终特性（固有特性）实现耦合，进而实现能量的传递，所以通过研究变换器的终端特性，可以预测变换器的动态特性，从而预测其集成后分布式电力系统的动态特性和稳定性[3]。但直流分布式电力系统设计者从时间、经济等方面考虑，不必亲自设计变换器，只需选择购买合适的货架产品即可。通常系统构建者无法了解到货架产品内部结构参数，无法列写相应电路状态方程，或者系统过于复杂，不可能构建详细的状态方程，所以无法采用传统的机遇系统状态方程获得系统的动态特性。针对此问题，有国外学者提出了黑盒子终端特性（BBTC）方法解决此问题[4]。研究变换器终端特性，不仅可预测其变换器动态特性，还可以用于预测和改善分布式电力系统的稳定性，帮助系统构建者采用更好的方法预测和改善系统的稳定性。本文分析了Buck变换器的终端特性，并在Saber仿真环境下进行验证，为进一步探求如何利用黑盒子变换器终端特性预测变换器负载变化时输入输出电流电压动态响应，进而预测直流级联系统、并联系统、分布式电力系统的动态特性与稳定性，提供理论依据和终端特性的测量方法。

1 变换器终端特性

对于任意DC/DC变换器，均可建立相应的二端口网络模型，如图1所示。

图1 二端口网络模型

基于这四个参数再利用阶跃响应原理，即可实现变换器动态特性预测。为了得到以上四个参数的传递函数，如果DC/DC变换器的电路参数已知，可通过小信号建模，得到此四个传递函数（即变换器终端特性）；如果DC/DC变换器的电路参数未知，则可通过网络分析仪对模块进行测量，得出以上四个参数，从而构建线性系统模型[5]。本文正是基于后者，开展DC/DC变换器终端特性的研究。

2 DC/DC变换器设计

设计Buck变换器，如图2所示。输入恒压源电压28 V；内阻=0.5mΩ；输出电压12 V；负载为恒流源，内阻=500 kΩ；额定电流：12 A；开关频率：100 kHz；开关管导通电阻1= 0.5mΩ，二极管导通电阻为0；电感=42μH；电感寄生电阻=10mΩ；电容=450μF；电容寄生电阻=6mΩ；0=1 kΩ；1=3 kΩ；2=13.25 kΩ；2=20.7 nF；锯齿波峰值为3.3V。

图2 Buck变换器电路图

如图2所示，变换器采用电压反馈控制，建立相应小信号模型[6]。由变换器小信号模型计算其未加补偿时的输出控制环路特性。根据环路补偿网络设计方法[3]，设计单零点单极点补偿网络补偿环路增益，得到满足预期的环路增益特性，以保证系统动态特性，如图3所示。补偿前环路增益低频增益为20 dB左右，带宽为4 kHz。补偿后的环路增益的直流增益达到68 dB，保证了系统的稳态精度；补偿后的带宽为10 kHz，保证变换器具有较好的动态响应速度；环路增益特性曲线在10 kHz处以－20 dB/dec的斜率穿过0 dB，相位裕度为57.8°，保证了系统稳定性良好。在Saber仿真平台下搭建如图2所示的电路图进行时域仿真，得到其输出电压波形，如图7所示。综上分析，经过合适的控制结构和参数设计，能够保证变换器动态特性满足实际需要。

图3 DC/DC变换器补偿前后环路增益

根据图2所示变换器内部电路结构参数，可得到变换器相应的开环和闭环终端特性[3]。根据理论计算结果，可作图显示系统开环和闭环下变换器终端特性，如图4所示。

图4 DC/DC变换器终端特性

3 DC/DC变换器终端特性测量

3.1 终端特性测量方法

闭环终端特性测量时信号注入方法主要分为两种：电流信号注入法和电压信号注入法。此处采用电流信号注入法测量、、、，测量电路如图5所示[8]。实际测量终端特性时需要用到网络分析仪，目前市面上有许多公司可提供此类仪器，如美国安捷伦公司的5061B、日本NF公司的FRA5097、英国牛顿公司的PSM 1700等，均可作为终端特性分析仪器。

图5 信号注入电路

测量终端特性时，首先需要网络分析仪输出扫频信号，注入到被测电路中，根据所需测量的终端特性不同，需要选择合适的信号注入点，然后再选取相应测试点测量DC/DC变换器相应的DC/DC变换器终端特性。如图5所示，OUT为网络分析仪输出信号端口，A、B、R均为信号接收端口。实际中，网络分析仪输出信号功率太低，需要放大，放大后的信号经过隔离变压器隔离，再通过隔离电容0注入到被测电路中，0主要作用为隔离主功率电路，但是选取确定0容值时还需要考虑阻抗匹配关系。

3.2 终端特性仿真测量结果

按3.1节所述测试方法，在Saber仿真平台下也可搭建相同的测试电路。Saber中tdsa可用作网络分析仪，可输出扫频正弦信号，并对DC/DC变换器测量信号作增益相位分析。按照3.1节所述测量方法，测得、、、四个终端特性参数的幅相频特性，如图6所示。

设计DC/DC变换器开关频率为100 kHz，变换器系统控制带宽为10 kHz，对于变换器而言，带宽内终端特性起主要作用，因此只需观测10 kHz以内频段的终端特性即可。在带宽以外，由于电路本身干扰、滤波器自身的高频响应特性以及扰动信号不能太大的原因，导致高频测量结果有震荡，与计算结果有些差别，但不对分析造成影响。

比较图6与图4中相对应的各终端特性，可知仿真与计算结果各频率点的对应值有一定的偏置，但整体基本一致。各终端特性最大值比较如表1所示，仿真值相较于计算值稍小一点，原因在于：Saber仿真环境中，各元器件均有开关导通时间及其他实际因素考虑，此微小差异属于正常范围。因此，采用该测量方法测量变换器终端特性具有一定的可行性和准确性。变换器音频衰减率和输出阻抗最大值表明，变换器具有较好的电源调整率和负载调整率[7]。

图6 闭环终端特性

表1 仿真与计算最大值(闭环)比较 dB

4 变换器时域仿真

在本节中，对变换器进行时域仿真，以说明部分终端特性反映出的变换器动态特性，并验证测量和计算结果的准确性。

4.1 变换器动态特性仿真

4.1.1 对变换器进行突加负载仿真

如图7所示，当变换器负载由12 A突变至24 A时，输出电压瞬时最小值为11.229 V，即电压欠冲量Δ=0.71 V，调节时间为0.2ms。由表1可知，变换器闭环输出阻抗计算最大值为－22.3 dB，即0.076 7Ω。电流变化量Δ为12 A，则理论计算结果与变换器时域仿真结果基本一致，因此变换器具有较好的负载调整率，且输出阻抗测量准确。

图7 负载突变时输出电压动态特性

4.1.2 电源调整率仿真

如图8所示，电源由28 V突变至40 V时，输出电压瞬态最大值为12.296 V，电压过冲量Δ=0.71 V。如表1所示，闭环音频衰减率仿真测量最大值为－32.040 dB，即0.025Ω。输入电压的变化量为Δin=12 V，则，与输出电压过冲量几乎一致。由此说明变换器具有较好的电源调整率，且闭环音频衰减率测量准确。

图8 电源突变时输出电压变化

4.2 变换器级联恒功率负载仿真

在级联系统中，前级变换器为源变换器，后级变换器为负载变换器。负载变换器相对前级变换器表现为恒功率负载，考虑级联系统稳定性，负载变换器对源变换器的输出阻抗要求比较高。将之前所设计的DC/DC变换器作为源变换器，恒功率负载作为后级变换器，仿真此两级变换器级联系统的稳定性，以验证该变换器的输出阻抗满足一定的级联系统集成要求。

如图9所示，设置恒功率负载额定功率为144W，最大电流为12 A。当用可变电压源驱动该恒功率负载，恒功率负载两端电压以及流过的电流波形如图10(a)所示。使用本文所设计的DC/DC变换器驱动该恒功率负载，恒功率两端电压如图10 (b)所示，稳态时输出电压为12 V，峰峰值为0.28 V，由此可见前级变换器具有较好的稳定性。

图9 电源直接带恒功率负载仿真电路图

图10 恒功率负载两端电压电流波形

5 总结

本文针对已知电路结构参数的Buck变换器设计相应的补偿网络，显著改善了其终端特性以及动稳态特性，并在Saber中仿真验证。

同时，在Saber中对变换器进行时域仿真，观测变换器分别在阶跃负载和阶跃电源作用下的输出电压波形，表明了输出电压变化与相应终端特性的内在关系；将变换器与恒功率负载级联时，级联系统稳定工作，表明变换器设计良好。

综上所述，终端特性精准测量有利于判定直流分布式电力系统的稳定性，也有利于预测其动态特性。在未来，此种方法在直流分布式电力系统集成中的应用，能够大量减少构建直流分布式电力系统的时间和人力成本，有效提高系统运行效率，并预估整个系统在各种工况下运行的稳定性和动态特性，以及在制定适用于直流分布式电力系统的DC/DC变换器端口特性标准方面均具有十分重要的意义。

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[5]ARNEDO L,BOROYEVICH D,BURGOSR,et al.Un-term inated frequency response measurements and model order reduction for black-box term inal characterization models[C]//Proceedings of Applied Power Electronics Conference and Exposition.Austin,TX: Twenty-Third Annual IEEE,2008:1054-1060.

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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

郑先成(1977—)，男，河南省人，副教授，主要研究方向为航空航天器电力系统分析与控制、虚拟仪器与分布测试技术、嵌入式实时系统设计。