基于母线电压补偿器的直流级联系统稳定性研究

作     者：许国栋 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周国华

授予年度：2021年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：直流分布式系统 级联系统 阻抗特性 稳定性补偿 自适应 

摘      要：直流级联系统作为直流分布式电源系统最基本的结构,具有易于模块化设计、热设计难度低、便于维护等优点,已在数据处理中心、多电飞机、电动汽车等领域中取得了广泛应用。级联前每个变换器是单独设计的,级联后变换器之间相互作用,可能会使得直流级联系统动态性能下降甚至无法稳定运行。因此,分析和改善直流级联系统的稳定性具有重要意义。本文以电压型控制级联Buck-Buck变换器为例,从阻抗的角度分析了直流级联系统的稳定性。提出了电容型母线电压补偿器(Bus Voltage Compensator,BVC),通过改善并联输出阻抗Z(s)的特性,使|Z(s)|和|Z(s)|不产生交截,实现了对直流级联系统的稳定性补偿,其中|Z(s)|、|Z(s)|分别为并联输出阻抗幅值和负载变换器输入阻抗幅值;进一步提出了自适应母线电压补偿器(Adaptive Bus Voltage Compensator,ABVC),在保证直流级联系统稳定性的同时实现了系统在参数变化情况下的自适应补偿。首先,建立了电压型控制Buck变换器的小信号模型,并推导了源变换器输出阻抗Z(s)和负载变换器输入阻抗Z(s)的表达式。为了保证源变换器和负载变换器具有较好的稳态性能和瞬态性能,对两者的控制环路进行了设计。在此基础上,对直流级联系统的阻抗特性进行了详细分析,并基于Z(s)和Z(s)的阻抗特性对级联Buck-Buck变换器进行了稳定性分析。通过仿真验证了理论分析的正确性。其次,为实现对直流级联系统的稳定性补偿,提出了电容型BVC的解决方案。分别介绍了电感型BVC和电容型BVC的工作原理,并对两者进行对比分析。建立了电容型BVC的小信号模型,推导了输入阻抗Z(s)的表达式,并对其电路参数进行了设计。在此基础上,从阻抗的角度对电容型BVC的稳定性补偿机理进行了分析。研究结果表明:电容型BVC通过改善Z(s)的阻抗特性,实现了稳定性补偿,确保了直流级联系统在满载范围内的稳定运行。随后,提出了ABVC的解决方案,实现了对直流级联系统的自适应稳定性补偿。介绍了ABVC的工作原理,并对ABVC中自适应调节器的电路进行了详细分析。建立了ABVC的小信号模型,并对其控制电路参数进行了设计。在此基础上,从阻抗的角度分析了ABVC的自适应补偿原理。研究结果表明:ABVC可根据直流级联系统负载的变化产生相应的补偿信号,以改善Z(s)的阻抗特性,使|Z(s)|与|Z(s)|不产生交截,从而实现对直流级联系统的自适应稳定性补偿。最后,通过实验验证了电容型BVC和ABVC的稳定性补偿作用。