直流并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法

侯朋飛，徐曄，崔陳華，王金全，宋鵬超

（解放軍理工大學(xué)，南京 210007）

0 引言

隨著分布式能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，電力電子裝置在其中的作用顯得越來(lái)越重要，在實(shí)際電源系統(tǒng)中，必然涉及各電源模塊級(jí)聯(lián)、并聯(lián)、串聯(lián)、組合等多種協(xié)同工作形式。各子系統(tǒng)之間相互作用對(duì)電源系統(tǒng)整體性能包括穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)動(dòng)態(tài)性能、諧波電能質(zhì)量及電磁干擾等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生決定性影響，使得電源管理難度加大。與此同時(shí)，各模塊可能來(lái)自不同供應(yīng)商，在電源模塊逐步標(biāo)準(zhǔn)化以適應(yīng)工業(yè)界需求的同時(shí)，模塊間的兼容匹配亦需要規(guī)范定義以確保通用性與互換性，從源頭解決系統(tǒng)集成后性能下降甚至震蕩不能正常工作的問(wèn)題。

對(duì)于直流分布式系統(tǒng)而言，通常柴油機(jī)組經(jīng)過(guò)整流器連接到直流電網(wǎng)，蓄電池經(jīng)過(guò)雙向DC/DC連接到電網(wǎng)。負(fù)載側(cè)通過(guò)DC/DC變換向直流負(fù)載供電，通過(guò) DC/AC向交流負(fù)載供電。如圖1所示為直流分布式系統(tǒng)。

先前的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法需要已知模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及參數(shù)且判據(jù)復(fù)雜，基于單個(gè)模塊阻抗測(cè)量的穩(wěn)定性分析方法只需已知并聯(lián)系統(tǒng)的均流方法和工況。一般測(cè)量單個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的輸出阻抗是通過(guò)并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗與單個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的輸出阻抗之間的關(guān)系來(lái)獲得總輸出阻抗，根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)輸出阻抗是否存在右半平面極點(diǎn)來(lái)判斷并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 基于主從均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗

如圖2所示為基于主從均流模式的并聯(lián)等效電路圖。當(dāng)均流通訊線接口懸空時(shí)，電壓環(huán)起作用，均流環(huán)無(wú)效。當(dāng)均流通訊線接口接恒壓源時(shí)，均流指令信號(hào)擾動(dòng)為 0，輸出阻抗包含均流調(diào)節(jié)器信息[1]。

其中ZOM為主模塊的輸出阻抗，ZOi為均流通訊線懸空時(shí)從模塊i的輸出阻抗，Zcsi*為均流通訊線接恒壓源時(shí)從模塊 i的輸出阻抗。此時(shí)系統(tǒng)的總輸出阻抗為:

2 基于平均均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗

同樣，基于平均均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)的等效圖如圖3所示[4]。

并聯(lián)時(shí)模塊 i的輸出阻抗為：

Zoi為均流通訊線懸空時(shí)模塊i的輸出阻抗，Zcsi*為均流通訊線接恒壓源時(shí)模塊i的輸出阻抗[2]。因此，并聯(lián)系統(tǒng)的總輸出阻抗為：

其中Zcsj為并聯(lián)運(yùn)行時(shí)模塊j的輸出阻抗，ZOj為均流通訊線懸空時(shí)模塊j的輸出阻抗，Zcsj*為均流通訊線接恒壓源時(shí)模塊j的輸出阻抗[3]。

3 并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗獲取方法的仿真驗(yàn)證

如圖4所示為基于主從均流策略的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗 Bode圖，該圖表明了輸出阻抗的幅值和相位隨著頻率的變化情況。其中上圖為直接測(cè)量的結(jié)果，下圖為計(jì)算得到的結(jié)果。通過(guò)比較可以看出，測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本吻合，因此基于主從均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗獲取方法得到驗(yàn)證。

如圖 5所示為基于平均均流策略的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗 Bode圖，其中下圖為直接測(cè)量的結(jié)果，上圖為計(jì)算得到的結(jié)果。通過(guò)比較可以看出，測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果基本吻合，因此基于平均均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗獲取方法得到驗(yàn)證。

4 并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的仿真

對(duì)于并聯(lián)系統(tǒng)的總輸出阻抗而言，若總輸出阻抗不存在不穩(wěn)定（RHP）極點(diǎn)，則該并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定，若存在不穩(wěn)定（RHP）極點(diǎn)，則該并聯(lián)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

如圖6所示為在Matlab中仿真得到的穩(wěn)定并聯(lián)系統(tǒng)的總輸出阻抗 Bode圖，從該圖中可以看出不存在RHP極點(diǎn)。

如圖7所示為上述并聯(lián)系統(tǒng)的時(shí)域仿真結(jié)果圖，由圖中可以看出并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓存在震蕩現(xiàn)象，輸出電流存在較大紋波，表明該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

圖8為Matlab中改變參數(shù)獲得的不穩(wěn)定并聯(lián)系統(tǒng)輸出阻抗Bode圖，由圖可以看出該Bode圖在7.2 kHz的時(shí)候存在RHP極點(diǎn)。

5 并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上面的分析，采用直流電源作為并聯(lián)系統(tǒng)的供電電源，兩個(gè) DC/DC電力電子負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出阻抗進(jìn)行測(cè)量。分別對(duì)一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn) 1）和一個(gè)不穩(wěn)定系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)2）進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于并聯(lián)輸出的電壓，在時(shí)域的仿真結(jié)果如下圖9所示：

仿真與實(shí)驗(yàn)很好的結(jié)合起來(lái)，對(duì)于仿真的穩(wěn)定系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也是穩(wěn)定的，并聯(lián)輸出阻抗沒(méi)有RHP極點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)2的仿真結(jié)果如下圖所示：

對(duì)于實(shí)驗(yàn)2的不穩(wěn)定系統(tǒng)，仿真中其輸出電壓出現(xiàn)大量紋波，系統(tǒng)不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)的輸出阻抗Bode圖中有RHP極點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)很好驗(yàn)證了仿真結(jié)果。

6 結(jié)論

本文分析了直流分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在直流分布式系統(tǒng)中多個(gè)電力電子模塊的并聯(lián)會(huì)造成不穩(wěn)定現(xiàn)象，然后分析了基于主從均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗和基于平均均流模式的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出阻抗，并對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)輸出阻抗方法進(jìn)行驗(yàn)證，在Matlab中對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)了仿真的正確性。

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[1]張衛(wèi)平. 開(kāi)關(guān)變換器的建模與控制. 北京:中國(guó)電力出版社，2006.

[2]丁道宏. 電力電子技術(shù)，北京:航空工業(yè)出版社，1999.

[3]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[4]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.