直流分布式系统阻抗测量技术分析

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景及意义近年来，随着受电端对电能质量指标更严苛的需求，电能处理系统正在经历从集中供电(CentralizedPowerSystem,CPS)到分布式供电(DistributedPowerSystem,DPS)[1-5]的转变。直流分布式供电系统克服了集中式供电系统不易实现冗余供电、出现故障容易导致整个供电系统中断和负载调节特性差等缺点，为实现电能变换单元的标准化和模块化创造了条件，同时也有利于优化设计和制造过程、提高系统性能。因此，直流分布式系统在通信交换机设备的电源系

2、统、高端计算机网络服务器的电源系统，人[6][7]造卫星及其他航天器的电源系统、汽车电力电子电源系统、电气化舰船、新能源[8]发电以及微电网等系统中都有广泛应用。直流母线滤波器PV滤波用电器设备滤波器电网滤波器滤波器滤波器Motor图1.1直流分布式系统的结构图如图1.1所示，给出了一种采用直流分布式架构的新能源发电系统。这种直流分布式结构可以合理利用分散的功率较小的发电单元，布置在用户附近以就近给远离集中供电系统的本地负载实现高效、可靠供电。与集中式系统相比，直流分布式系统具[3]有以下优点：1华中科技大学硕

3、士学位论文(1)散热设计简单，易于实现高功率密度。直流分布式系统通常由多个小功率模块分散组成，热源也随之分散分布，因此热设计变得简单，模块封装可以更为紧凑。此外，由于模块功率小，开关频率可以提高从而减小磁芯器件大小，实现高功率密度。(2)可靠性高。可以实现比需求容量多一模块的冗余备份(N+1备份)，保证系统的不间断供电。各子系统相对独立，在维修时，通常可以采用热插拔技术对失效模块进行在线更换。此外，可以将较复杂的功率变换和控制任务分散到多级模块中去，从而提高整个系统的可靠性。(3)易于实现模块化、标准化，设计灵

4、活。分布式系统结构由多个小功率模块组成，故非常适于模块化标准化设计，易于实现电力电子装置设计、生产、系统集成、运行维护和维修服务的标准化，从而大幅度缩短开发周期，降低成本。分布式系统尤其是新能源发电系统存在大量的电力电子变换器互联，这种电力电[4-5]子互联系统是指由不同种类电力电子变换器和负载按照需求互联而成的复杂系统。互联系统中各模块都是独立设计，设计时仅仅保证自身运行的稳定性和动态性。但是由于模块间存在潜在的交互作用，级联后导致系统性能下降甚至不稳定，因此互联系统的稳定性成为直流分布式系统的一个重要研究方

5、向。1976年，Middlebrook教授在研究输入滤波器和DC/DC变换器之间的相互作用问[9]题时提出了著名的阻抗分析方法，后来这种方法被广泛应用于判断直流分布式系统的稳定性，在该方法的基础上很多小信号稳定性分析的阻抗禁区判据相继被提出。从本质上讲，Middlebrook判据和阻抗禁区方法完全一致，即规定前级系统的输出阻抗与后级系统的输入阻抗之间的关系。如图1.2所示为一个典型的两级级联系统，其中各子系统都能稳定地独立运行。在两个子系统级联后，输入输出传递函数Toi为：iin1io1iin2io2uTuo

6、1uo1uin2Tuo2uin1oi1oi2o2uuin1in2ZZoin源变换器负载变换器图1.2两级式级联系统2华中科技大学硕士学位论文TToi12oiT(1.1)oi1ZZoin其中，Toi1和Toi2分别为源变换器和负载变换器输入输出传递函数，Zo和Zin为源变换器输出阻抗和负载变换器输入阻抗，阻抗比Tm=Zo/Zin称为小环路增益(minor-loopgain)。两个原子系统是稳定的，因此根据奈奎斯特定理可知，当小环路增益Tm不包围s平面的(-1,j0)点，则级联后系统依然保持稳定。故Middl

7、ebrook判据指出，在整个频段源变换器输出阻抗的模远小于负载变换器输入阻抗模，即∥Tm∥<<1，则可以保证级联系统能稳定工作。如图1.3所示，PM为相位裕度，GM为增益裕度。如果Tm幅相曲线限制在一个半径为1/GM(通常GM取2)的圆内，则可以保证源、负载变换器级联后互不影响。Middlebrook判据要求十分苛刻，会导致系统设计过于保守，实际上在全频段内满足这个条件也非常困难。为了扩大设计自由度，研究人员提出了一系列减小禁区面积的改进阻抗判据。以美国VirginiaTech大学学者Wildrick提出的保证

8、幅值裕度和相[10]位裕度的禁区理论(GMPM)和FengXiaogang提出的单独负载阻抗规范(Individual[11]LoadImpedanceSpecification，ILIS)广义禁区理论较具代表性，如图1.3所示。美国[12]Purdue大学Sudhoff等提出基于Middlebrook判据的ESAC判据亦可视为广义禁区判据的一种。需要说明的是，无论何种禁区判据，都必须