航天器分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

胡文斌 馬季軍

摘 ?要：文章對航天器分布式電源系統(tǒng)的特點進行了歸納和總結(jié)，對涉及的穩(wěn)定性問題進行了分析和分類。通過調(diào)研國內(nèi)外對電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究進展，對比航天工程中穩(wěn)定性研究成果的應(yīng)用情況，得到了學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究差距以及穩(wěn)定性研究今后在我國空間電源應(yīng)用的發(fā)展方向，最后就航天器電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究和應(yīng)用得到啟示，提出了建議。

關(guān)鍵詞：分布式電源系統(tǒng);空間應(yīng)用;穩(wěn)定性研究;波特圖;阻抗禁止區(qū)

引言

電源系統(tǒng)從比較單一的變換器逐漸發(fā)展成為不同結(jié)構(gòu)的供電系統(tǒng)，大體可以分為三個階段[1]：集中式電源系統(tǒng)、模塊式電源系統(tǒng)、分布式電源系統(tǒng)，如圖1所示?，F(xiàn)階段，我國多數(shù)航天器電源系統(tǒng)屬于分布式電源系統(tǒng)，該種電源系統(tǒng)已經(jīng)在國際空間站[2]、深空探測[3]、多電飛機[4]等航天航空飛行器技術(shù)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。其相比較傳統(tǒng)的集中式和模塊式電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：（1）容錯性好;（2）可靠性高;（3）易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計;（4）便于維護和擴容;（5）能夠滿足復(fù)雜終端負(fù)載對電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求。

分布式電源系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜，涵蓋了母線電壓的選擇，電源和負(fù)載變換器的優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)的壽命、效率、成本控制，以及穩(wěn)定性設(shè)計等多個方面。其中穩(wěn)定性設(shè)計是最基礎(chǔ)、最核心，也是較為復(fù)雜的部分，特別是具有多變換器的大型電源系統(tǒng)，其穩(wěn)定性問題尤為突出。因此，研究分布式電源系統(tǒng)，尤其像航天器等大功率、長壽命、高可靠電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分析和預(yù)測不穩(wěn)定因素越發(fā)受到重視。

1 航天器分布式電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題

航天器分布式電源系統(tǒng)關(guān)注的穩(wěn)定性問題主要有兩個方面：（1）電源調(diào)節(jié)模塊層面的控制環(huán)路穩(wěn)定性;（2）電源系統(tǒng)層面的級聯(lián)穩(wěn)定性。

對于電源調(diào)節(jié)模塊控制環(huán)路，航天器電源系統(tǒng)母線電壓的穩(wěn)定性，通常其不穩(wěn)定問題通過紋波和噪聲表現(xiàn)出來。紋波是在母線直流電壓中有周期規(guī)律地疊加了交流電壓信號，它既可能出現(xiàn)在單一固定頻率上，也可能多頻率混合迭加，如果某些頻段上出現(xiàn)交流擾動將造成母線電壓較大的波動，因此紋波屬小信號穩(wěn)定性范疇。噪聲表現(xiàn)為非周期性的震蕩和尖峰，多數(shù)航天器電源母線上的噪聲主要來自大功率負(fù)載的通斷及負(fù)載功率的非周期性變化。此外，負(fù)載電流的瞬態(tài)變化同樣會在母線上產(chǎn)生電壓噪聲，并通過母線傳給其它負(fù)載，影響其他負(fù)載正常工作，因此大部分噪聲所引起的穩(wěn)定性問題屬于大信號穩(wěn)定性的范疇。

就航天器電源系統(tǒng)與負(fù)載級聯(lián)而言，雖然系統(tǒng)中每個調(diào)節(jié)模塊均根據(jù)控制環(huán)路的穩(wěn)定性準(zhǔn)則進行了優(yōu)化設(shè)計，單獨工作均具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性，然而多個變換器構(gòu)成實際應(yīng)用系統(tǒng)時，由于模塊之間、以及模塊和濾波器間復(fù)雜的相互作用，可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法工作在預(yù)設(shè)的穩(wěn)態(tài)工作點，出現(xiàn)母線電壓振蕩或工作在異常的電壓范圍等情況[5]。因此，航天器電源采用分布式電源系統(tǒng)供電時，也存在因電源系統(tǒng)各個部分及負(fù)載之間相互影響而引起的級聯(lián)不穩(wěn)定問題。

針對上述穩(wěn)定性問題，現(xiàn)階段電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究主要分為兩大分支：（1）電源單調(diào)節(jié)模塊控制環(huán)路的穩(wěn)定性（包括小信號和大信號）;（2）電源系統(tǒng)與輸出濾波器或負(fù)載變

換器之間的級聯(lián)穩(wěn)定性。據(jù)此，國內(nèi)外的學(xué)術(shù)研究機構(gòu)和航天工程領(lǐng)域相繼對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了研究和應(yīng)用。

2 國外電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究及空間應(yīng)用

國外對于電源環(huán)路小信號穩(wěn)定性的研究已經(jīng)形成了成熟的體系和方法，其中運用最廣泛的是波特圖。波特圖是基于分析和環(huán)路傳遞函數(shù)有關(guān)的幅頻圖和相頻圖（如圖2所示）來研究系統(tǒng)環(huán)路的穩(wěn)定性。為表示系統(tǒng)相對穩(wěn)定度引入了增益裕度（Gain Margin， GM）和相位裕度（Phase Margin， PM）;為表示系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能引入了穿越頻率（wc）。當(dāng)其滿足一定工程要求時，模塊即有良好的環(huán)路穩(wěn)定性。

大信號穩(wěn)定性分析方面，主要形成了基于計算機模型的仿真分析方法和基于樣機的試驗測試方法。隨著電源變換器硬件仿真技術(shù)的發(fā)展，仿真模型已經(jīng)涵蓋了發(fā)電、儲能、控制、變換和負(fù)載等各個部分，并且已經(jīng)被用來預(yù)測各模塊之間的非線性特性和潛在的相互影響。試驗測試的方法也可以更直觀地考察由電源系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大信號對環(huán)路穩(wěn)定性的影響程度。

用于電源系統(tǒng)級聯(lián)穩(wěn)定性分析的方法主要是阻抗分析方法，由加州理工學(xué)院的Middlebrook教授[6]于1976年引入，其原理是運用電源輸出阻抗與負(fù)載輸入阻抗之比的奈奎斯特曲線來分析開關(guān)電源間的阻抗穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，美國弗吉尼亞理工大學(xué)的Carl M.Wildrick 博士[7]和Feng Xiaogang博士[8]先后提出了阻抗禁止區(qū)的概念和一種適用于多負(fù)載變換器的禁止區(qū)法（如圖3所示），當(dāng)阻抗比曲線在禁止區(qū)外時，系統(tǒng)具有較好的級聯(lián)穩(wěn)定性。為每個單獨的負(fù)載變換器提出了基于系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計準(zhǔn)則。與此同時，各種阻抗禁止區(qū)的優(yōu)化和應(yīng)用也相繼展開[9～12]，整個國外學(xué)術(shù)研究進展的示意圖可總結(jié)為圖4所示。

（a）極坐標(biāo)圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）波特圖

圖3 阻抗禁止區(qū)

上述穩(wěn)定性理論也在國外航天器電源系統(tǒng)工程中開展了應(yīng)用。為了保證航天器電源系統(tǒng)的高穩(wěn)定性，歐洲航空局（ESA）就曾在頒布的全調(diào)節(jié)母線型電源控制器標(biāo)準(zhǔn)中明確要求[13]：母線紋波不得超過額定電壓的0.5%;母線中開關(guān)噪聲引起的電壓尖峰不能超過母線額定電壓的2%;電源控制器中母線的輸出阻抗在100Hz～10kHz中不得超過20m，在100kHz以內(nèi)的其他頻段具有更加嚴(yán)格的規(guī)定。

國際空間站也對電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了大量工作，目前美國國家航空航天局針對其穩(wěn)定性分析的方法主要有兩種[14]：（1）基于穩(wěn)態(tài)工作環(huán)路小信號模型的阻抗比判據(jù)法。（2）電源和負(fù)載瞬態(tài)大信號穩(wěn)定性的測試方法。由于負(fù)載始終處于變化狀態(tài)，因此針對國際空間站電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析方法也一直在進行不斷的完善。

3 國內(nèi)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究及空間應(yīng)用

國內(nèi)學(xué)術(shù)界和高校研究機構(gòu)也對涵蓋電源系統(tǒng)設(shè)計的電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定性研究表現(xiàn)出高度的重視。從2002年起，國家自然科學(xué)基金委員會、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目973計劃分別設(shè)立了項目對標(biāo)準(zhǔn)模塊集成應(yīng)用系統(tǒng)中可能存在的穩(wěn)定性問題進行了深入的研究探討。此外還有其他教育基金會（如：臺達(dá)環(huán)境與教育基金會）也都相繼對直流分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的具體問題展開了理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。通過項目實施，電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)理論得到研究，多模塊互聯(lián)、級聯(lián)大信號、非線性子系統(tǒng)、并網(wǎng)等方面的穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)取得進展。多種阻抗禁止區(qū)判據(jù)的折衷應(yīng)用，含有母線濾波電容的級聯(lián)系統(tǒng)建模及合理設(shè)計等方面的研究卓有成效，提高級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法也得到優(yōu)化。然而，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析研究注重基礎(chǔ)理論，沒有形成實際的應(yīng)用方法體系，成果轉(zhuǎn)換較少，與國外學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究有一定差距。

在空間電源應(yīng)用方面，中國空間技術(shù)研究院和上海空間電源研究所分別同高校展開了緊密的合作。其中涉及電源系統(tǒng)的阻抗仿真和測試、S3R拓?fù)涞姆蔷€性建模、載人航天器一次電源穩(wěn)定性研究等。但與級聯(lián)穩(wěn)定性聯(lián)系較為緊密的電源輸出阻抗、負(fù)載輸入阻抗的計算方法、測量方法并不成熟，未得到應(yīng)用推廣。此外，關(guān)于母線電壓穩(wěn)定性的品質(zhì)要求沒有細(xì)化，母線濾波電容的取值缺少合理性設(shè)計，提高級聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)化措施不足。

我國空間站電源系統(tǒng)就穩(wěn)定性分析與設(shè)計開展的工作方面，針對空間站電源系統(tǒng)正處于設(shè)計研制階段，上?？臻g電源研究所與南航航空電源航空科技重點實驗室開展合作，進行了空間站電源系統(tǒng)時域和頻域的穩(wěn)定性分析，得到了一些空間站電源系統(tǒng)方案設(shè)計階段的穩(wěn)定性分析結(jié)論，較好地指導(dǎo)了電源系統(tǒng)方案的完善和優(yōu)化，但也存在著一些不足和遺留問題，相關(guān)的一些補充和進一步研究正在進行。

4 啟示與建議

通過國內(nèi)外有關(guān)分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析在學(xué)術(shù)研究及航天應(yīng)用進展的比較，可得出如表1所示的結(jié)果對比與啟示。

當(dāng)前針對我國航天器分布式直流電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究還基本處于初級階段。隨著我國載人航天工程、探月工程、空間站工程的開展，航天器電源系統(tǒng)將變得更為復(fù)雜，且對系統(tǒng)可靠性的要求將更高。因此，我國應(yīng)當(dāng)在借鑒國外對航天電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析設(shè)計方法的同時，吸納國內(nèi)研究機構(gòu)和高校在電源系統(tǒng)穩(wěn)定性研究方面的理論成果，結(jié)合我國航天器電源系統(tǒng)的特點，深入開展航天器電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究工作，以便于滿足復(fù)雜航天器電源系統(tǒng)的高可靠要求。

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