航天器分布式電源系統穩定性研究

胡文斌 馬季軍

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

關鍵詞：分布式電源系統;空間應用;穩定性研究;波特圖;阻抗禁止區

引言

電源系統從比較單一的變換器逐漸發展成為不同結構的供電系統，大體可以分為三個階段[1]：集中式電源系統、模塊式電源系統、分布式電源系統，如圖1所示。現階段，我國多數航天器電源系統屬于分布式電源系統，該種電源系統已經在國際空間站[2]、深空探測[3]、多電飛機[4]等航天航空飛行器技術領域中廣泛應用。其相比較傳統的集中式和模塊式電源系統具有以下優勢：（1）容錯性好;（2）可靠性高;（3）易于模塊化、標準化設計;（4）便于維護和擴容;（5）能夠滿足復雜終端負載對電源系統的電能質量要求。

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

1 航天器分布式電源系統的穩定性問題

航天器分布式電源系統關注的穩定性問題主要有兩個方面：（1）電源調節模塊層面的控制環路穩定性;（2）電源系統層面的級聯穩定性。

對于電源調節模塊控制環路，航天器電源系統母線電壓的穩定性，通常其不穩定問題通過紋波和噪聲表現出來。紋波是在母線直流電壓中有周期規律地疊加了交流電壓信號，它既可能出現在單一固定頻率上，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定性范疇。噪聲表現為非周期性的震蕩和尖峰，多數航天器電源母線上的噪聲主要來自大功率負載的通斷及負載功率的非周期性變化。此外，負載電流的瞬態變化同樣會在母線上產生電壓噪聲，并通過母線傳給其它負載，影響其他負載正常工作，因此大部分噪聲所引起的穩定性問題屬于大信號穩定性的范疇。

就航天器電源系統與負載級聯而言，雖然系統中每個調節模塊均根據控制環路的穩定性準則進行了優化設計，單獨工作均具有良好的穩定性和動態響應特性，然而多個變換器構成實際應用系統時，由于模塊之間、以及模塊和濾波器間復雜的相互作用，可能會導致整個系統無法工作在預設的穩態工作點，出現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供電時，也存在因電源系統各個部分及負載之間相互影響而引起的級聯不穩定問題。

針對上述穩定性問題，現階段電源系統的穩定性研究主要分為兩大分支：（1）電源單調節模塊控制環路的穩定性（包括小信號和大信號）;（2）電源系統與輸出濾波器或負載變

換器之間的級聯穩定性。據此，國內外的學術研究機構和航天工程領域相繼對電源系統的穩定性做了研究和應用。

2 國外電源系統的穩定性研究及空間應用

國外對于電源環路小信號穩定性的研究已經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路傳遞函數有關的幅頻圖和相頻圖（如圖2所示）來研究系統環路的穩定性。為表示系統相對穩定度引入了增益裕度（Gain Margin， GM）和相位裕度（Phase Margin， PM）;為表示系統的動態響應性能引入了穿越頻率（wc）。當其滿足一定工程要求時，模塊即有良好的環路穩定性。

大信號穩定性分析方面，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的發展，仿真模型已經涵蓋了發電、儲能、控制、變換和負載等各個部分，并且已經被用來預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中各環節產生的大信號對環路穩定性的影響程度。

用于電源系統級聯穩定性分析的方法主要是阻抗分析方法，由加州理工學院的Middlebrook教授[6]于1976年引入，其原理是運用電源輸出阻抗與負載輸入阻抗之比的奈奎斯特曲線來分析開關電源間的阻抗穩定性。在此基礎上，美國弗吉尼亞理工大學的Carl M.Wildrick 博士[7]和Feng Xiaogang博士[8]先后提出了阻抗禁止區的概念和一種適用于多負載變換器的禁止區法（如圖3所示），當阻抗比曲線在禁止區外時，系統具有較好的級聯穩定性。為每個單獨的負載變換器提出了基于系統穩定性的設計準則。與此同時，各種阻抗禁止區的優化和應用也相繼展開[9～12]，整個國外學術研究進展的示意圖可總結為圖4所示。

（a）極坐標圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）波特圖

圖3 阻抗禁止區

上述穩定性理論也在國外航天器電源系統工程中開展了應用。為了保證航天器電源系統的高穩定性，歐洲航空局（ESA）就曾在頒布的全調節母線型電源控制器標準中明確要求[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以內的其他頻段具有更加嚴格的規定。

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

3 國內電源系統的穩定性研究及空間應用

國內學術界和高校研究機構也對涵蓋電源系統設計的電力電子系統穩定性研究表現出高度的重視。從2002年起，國家自然科學基金委員會、國家重點基礎研究發展規劃項目973計劃分別設立了項目對標準模塊集成應用系統中可能存在的穩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：臺達環境與教育基金會）也都相繼對直流分布式電源系統穩定性的具體問題展開了理論和應用的基礎研究。通過項目實施，電源系統穩定性的基礎理論得到研究，多模塊互聯、級聯大信號、非線性子系統、并網等方面的穩定性關鍵技術取得進展。多種阻抗禁止區判據的折衷應用，含有母線濾波電容的級聯系統建模及合理設計等方面的研究卓有成效，提高級聯系統穩定性的方法也得到優化。然而，電源系統的穩定性分析研究注重基礎理論，沒有形成實際的應用方法體系，成果轉換較少，與國外學術領域的研究有一定差距。

在空間電源應用方面，中國空間技術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。其中涉及電源系統的阻抗仿真和測試、S3R拓撲的非線性建模、載人航天器一次電源穩定性研究等。但與級聯穩定性聯系較為緊密的電源輸出阻抗、負載輸入阻抗的計算方法、測量方法并不成熟，未得到應用推廣。此外，關于母線電壓穩定性的品質要求沒有細化，母線濾波電容的取值缺少合理性設計，提高級聯系統穩定性的優化措施不足。

我國空間站電源系統就穩定性分析與設計開展的工作方面，針對空間站電源系統正處于設計研制階段，上海空間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時域和頻域的穩定性分析，得到了一些空間站電源系統方案設計階段的穩定性分析結論，較好地指導了電源系統方案的完善和優化，但也存在著一些不足和遺留問題，相關的一些補充和進一步研究正在進行。

4 啟示與建議

通過國內外有關分布式電源系統穩定性分析在學術研究及航天應用進展的比較，可得出如表1所示的結果對比與啟示。

當前針對我國航天器分布式直流電源系統穩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，航天器電源系統將變得更為復雜，且對系統可靠性的要求將更高。因此，我國應當在借鑒國外對航天電源系統穩定性分析設計方法的同時，吸納國內研究機構和高校在電源系統穩定性研究方面的理論成果，結合我國航天器電源系統的特點，深入開展航天器電源系統穩定性的研究工作，以便于滿足復雜航天器電源系統的高可靠要求。

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