胡文斌 馬季軍

摘 ?要：文章對(duì)航天器分布式電源系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，對(duì)涉及的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了分析和分類(lèi)。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究進(jìn)展，對(duì)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(guó)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(gè)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(guó)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(guó)際空間站[2]、深空探測(cè)[3]、多電飛機(jī)[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(shì)：（1）容錯(cuò)性好;（2）可靠性高;（3）易于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì);（4）便于維護(hù)和擴(kuò)容;（5）能夠滿足復(fù)雜終端負(fù)載對(duì)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(jì)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(jì)，系統(tǒng)的壽命、效率、成本控制，以及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。其中穩(wěn)定性設(shè)計(jì)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(wèn)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(zhǎng)壽命、高可靠電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分析和預(yù)測(cè)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(wèn)題

航天器分布式電源系統(tǒng)關(guān)注的穩(wěn)定性問(wèn)題主要有兩個(gè)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(jí)聯(lián)穩(wěn)定性。

對(duì)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(wèn)題通過(guò)紋波和噪聲表現(xiàn)出來(lái)。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(hào)，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(dòng)將造成母線電壓較大的波動(dòng)，因此紋波屬小信號(hào)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(lái)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(huì)在母線上產(chǎn)生電壓噪聲，并通過(guò)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(wèn)題屬于大信號(hào)穩(wěn)定性的范疇。

就航天器電源系統(tǒng)與負(fù)載級(jí)聯(lián)而言，雖然系統(tǒng)中每個(gè)調(diào)節(jié)模塊均根據(jù)控制環(huán)路的穩(wěn)定性準(zhǔn)則進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，單獨(dú)工作均具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，然而多個(gè)變換器構(gòu)成實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作在預(yù)設(shè)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，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(shí)，也存在因電源系統(tǒng)各個(gè)部分及負(fù)載之間相互影響而引起的級(jí)聯(lián)不穩(wěn)定問(wèn)題。

針對(duì)上述穩(wěn)定性問(wèn)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(hào)和大信號(hào)）;（2）電源系統(tǒng)與輸出濾波器或負(fù)載變

換器之間的級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)和航天工程領(lǐng)域相繼對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了研究和應(yīng)用。

2 國(guó)外電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究及空間應(yīng)用

國(guó)外對(duì)于電源環(huán)路小信號(hào)穩(wěn)定性的研究已經(jīng)形成了成熟的體系和方法，其中運(yùn)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(lái)研究系統(tǒng)環(huán)路的穩(wěn)定性。為表示系統(tǒng)相對(duì)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(dòng)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(shí)，模塊即有良好的環(huán)路穩(wěn)定性。

大信號(hào)穩(wěn)定性分析方面，主要形成了基于計(jì)算機(jī)模型的仿真分析方法和基于樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)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(chǔ)能、控制、變換和負(fù)載等各個(gè)部分，并且已經(jīng)被用來(lái)預(yù)測(cè)各模塊之間的非線性特性和潛在的相互影響。試驗(yàn)測(cè)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(hào)對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性的影響程度。

用于電源系統(tǒng)級(jí)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(yùn)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(lái)分析開(kāi)關(guān)電源間的阻抗穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)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(shí)，系統(tǒng)具有較好的級(jí)聯(lián)穩(wěn)定性。為每個(gè)單獨(dú)的負(fù)載變換器提出了基于系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。與此同時(shí)，各種阻抗禁止區(qū)的優(yōu)化和應(yīng)用也相繼展開(kāi)[9～12]，整個(gè)國(guó)外學(xué)術(shù)研究進(jìn)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(guó)外航天器電源系統(tǒng)工程中開(kāi)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(guò)額定電壓的0.5%;母線中開(kāi)關(guān)噪聲引起的電壓尖峰不能超過(guò)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(guò)20m，在100kHz以內(nèi)的其他頻段具有更加嚴(yán)格的規(guī)定。

國(guó)際空間站也對(duì)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了大量工作，目前美國(guó)國(guó)家航空航天局針對(duì)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(hào)模型的阻抗比判據(jù)法。（2）電源和負(fù)載瞬態(tài)大信號(hào)穩(wěn)定性的測(cè)試方法。由于負(fù)載始終處于變化狀態(tài)，因此針對(duì)國(guó)際空間站電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析方法也一直在進(jìn)行不斷的完善。

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

國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和高校研究機(jī)構(gòu)也對(duì)涵蓋電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目973計(jì)劃分別設(shè)立了項(xiàng)目對(duì)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(wèn)題進(jìn)行了深入的研究探討。此外還有其他教育基金會(huì)（如：臺(tái)達(dá)環(huán)境與教育基金會(huì)）也都相繼對(duì)直流分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的具體問(wèn)題展開(kāi)了理論和應(yīng)用的基礎(chǔ)研究。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)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(jí)聯(lián)大信號(hào)、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(jìn)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(jí)聯(lián)系統(tǒng)建模及合理設(shè)計(jì)等方面的研究卓有成效，提高級(jí)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(méi)有形成實(shí)際的應(yīng)用方法體系，成果轉(zhuǎn)換較少，與國(guó)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(guó)空間技術(shù)研究院和上?？臻g電源研究所分別同高校展開(kāi)了緊密的合作。其中涉及電源系統(tǒng)的阻抗仿真和測(cè)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(jí)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(jì)算方法、測(cè)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(méi)有細(xì)化，母線濾波電容的取值缺少合理性設(shè)計(jì)，提高級(jí)聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性的優(yōu)化措施不足。

我國(guó)空間站電源系統(tǒng)就穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)開(kāi)展的工作方面，針對(duì)空間站電源系統(tǒng)正處于設(shè)計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展合作，進(jìn)行了空間站電源系統(tǒng)時(shí)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(jì)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(wèn)題，相關(guān)的一些補(bǔ)充和進(jìn)一步研究正在進(jìn)行。

4 啟示與建議

通過(guò)國(guó)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(jìn)展的比較，可得出如表1所示的結(jié)果對(duì)比與啟示。

當(dāng)前針對(duì)我國(guó)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(jí)階段。隨著我國(guó)載人航天工程、探月工程、空間站工程的開(kāi)展，航天器電源系統(tǒng)將變得更為復(fù)雜，且對(duì)系統(tǒng)可靠性的要求將更高。因此，我國(guó)應(yīng)當(dāng)在借鑒國(guó)外對(duì)航天電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，吸納國(guó)內(nèi)研究機(jī)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(guó)航天器電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，深入開(kāi)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。

參考文獻(xiàn)

[1]Luo S. A review of distributed power systems part I： DC distributed power system[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 2005，20（8）：5-16.

[2]Thomas R L， Hallinan G J. Design of the space station freedom power system[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems， 1990，5（1）： 19-24.

[3]Cho B H， Lee F C. Modeling and analysis of space power systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1988， 3（1）： 44-55.

[4]Liqiu Han， Jiabin Wang， David Howe. Small-signal stability studies of a 270V DC more-electric aircraft power system[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 2006：162-166.

[5]佟強(qiáng)，張東來(lái)，徐殿國(guó). 分布式電源系統(tǒng)中變換器的輸出阻抗與穩(wěn)定性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（12）：57-64.

[6]R D Middlebrook. Input filter considerations in design and application of switching regulators[C].IEEE-IAS Annual Meeting， 1976：91-107.

[7]Carl M Wildriek， Fred C Lee， Bo H Cho， etc. A method of defining load impedance specification for a stable distributed power system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1995，10（3）： 280-285.

[8]Feng X， Liu J， Lee F C. Impedance specifications for stable DC distributed power systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2002，17（2）：157-162.

[9]Feng X， Ye Z， Xing K，etc. Impedance specification and impedance improvement for DC distributed power system[C]. IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference， 1999：889-894.

[10]Feng X， Liu J， Lee F C. Impedance specifications for stable DC distributed power systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2002，17（2）： 157-162.

[11]Feng X， Lee F C. On-line measurement on stability margin of dc distributed power system[C]. Proc. IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition， 2000：1190-1196.

[12]楊曉平，張浩，馬西奎. 基于ESAC標(biāo)準(zhǔn)的分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定裕度監(jiān)控[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（8）：14-21.

[13]ESA. ECSS-E-20A Space engineering electrical and electronic[S]. ESA Publications Division，1999.

[14]Gholdston E W， Karimi K J， Lee F C， et al. Stability of large DC power systems using switching converters with application to the international space station[C].31st Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，1996：166-171.