多模块互联电力电子系统分析方法研究进展.ppt

多模块互联电力电子系统 分析方法研究进展,刘进军 中国电源学会第19届学术年会 上海，2011.11.19,2,主要内容,背景和基本科学问题 分析方法基础与历史发展 近期研究进展 瞬态特性与大信号特性的分析方法 稳定性的分析方法,3,采用多模块互联电力电子系统的趋势,通信电源系统 高级计算机、服务器电源系统 航天飞行器电源系统 电动及混合动力汽车 多电飞机电源系统 全电舰船电源系统 新能源分布式发电与微网系统,4,基本概念和需求背景,电源模块互联系统的概念 由多个可独立完成某项功能的电源模块通过相互连接（级联和并联）而构成一个大的系统 早期 实现系统功能和优化系统结构的需要 易于扩大容量，易于进行散热处理 可以实现冗余备份，提高系统的可靠性 易于实现标准化，设计、生产、维护方便 近年来 独立电源系统能量来源与负荷分散分布的本质所决定,5,基本科学问题,多模块系统的科学问题 瞬态特性和大信号特性问题 稳定性问题 多模块系统问题的具体表现形式 瞬态和大信号过程中的破坏性过冲 系统振荡，模块发热、失效,6,单个模块的稳定性,带电阻负载的整流器稳定的,理想dc电源输入的逆变器稳定的,r,三相逆变器,输入滤波器,0.2 ,800v,7,模块间的相互作用导致系统不稳定,三相整流器,zo,三相逆变器,输入滤波器,0.2 ,zi,8,多模块互联系统稳定性问题的直观原因,由于模块级联造成的不稳定 下游模块的小信号输入特性表现为负电阻,9,多模块互联系统稳定性问题的直观原因,由于模块并联造成的不稳定 均流环的引入使得系统反馈环节增多，可能使全系统闭环传递函数中产生右半平面极点 不同性质的输出阻抗之间可能产生并联谐振,10,多模块互联电力电子系统的 分析方法基础与历史发展,级联系统稳定性分析方法的研究 阻抗判据及其应用 基于阻抗判据的级联系统分析与设计 基于阻抗判据的级联系统在线监测,11,vo2,vo1,io1,source,vi1,ii1,io2,load,vi2,ii2,zo,zi,阻抗判据及其应用,impedance criterion “middlebrook r d. input filter considerations in design and application of switching regulators. ieee industry applications society annual meeting, 1976: 366-382”,minor loop gain zo/zi in block diagram,其中：,12,禁区概念的提出,系统稳定！,t m(s) 不包围(- 1, 0),该禁区过于保守，给系统设计带来了十分大的局限，往往要求级联系统中的使用较大容量的母线滤波器,13,其他形式的禁区,将对负载子系统的要求延伸至对单个负载的要求,re,0,1,im,(-1,0),14,source,load,注入电流扰动在线监测法,等效于,0,re,im,(-1,0),禁区,-1/2,15,稳定性监测器,i,p,ref. signal generator,(,freq,. sweep),+,-,notch filter,dc bus (800v),utility inverter,3,phase/4 wire,loads,emi,filter,dc/ac,(80kw),pfc,rectifier,ac/dc,z,o,(100kw),z,i,dc bus (800v),load,dc/dc converter,emi,filter,(20kw),load,dc/dc converter,emi,filter,(20kw),utility inverter,3,phase/4 wire,loads,emi,filter,dc/ac,(80kw),pfc,rectifier,ac/dc,z,o,(100kw),p,i,p,i,l,i,l,i,z,i,稳定性的监测,16,多模块互联电力电子系统的 分析方法基础与历史发展,并联系统稳定性分析方法的研究 相同参数多模块的并联系统稳定性分析 不同参数两模块的并联系统稳定性分析 不同参数多模块的并联系统稳定性分析,17,相同参数多模块的并联系统稳定性分析,稳定性判断条件,是否含右半平面零点,文献2,3,其中：,18,不同参数两模块的并联系统稳定性分析,稳定性判断条件,是否满足nyquist判据,文献4,19,不同参数多模块的并联系统稳定性分析,稳定性判断条件 和,是否满足nyquist判据的稳定性条件,其中,文献5,20,近期研究进展,瞬态特性和大信号特性分析 基于时域的“黑盒子”建模分析方法 基于频域的“黑盒子”建模分析方法 基于电流模式控制电源模块简化模型的分析方法 稳定性分析 基于单个模块阻抗测量的直流互联系统稳定性分析方法 三相交流互联系统的稳定性分析方法,21,基于“黑盒子”的多模块系统建模分析方法,随着分布式电源系统的发展，越来越多的商用电源被用来构建分布式电源系统 缩短研发时间 减少研发费用 具有更好的通用性等 对于这种电源一般无法得到详细的内部拓扑及内部参数，就像一个不知道内部构造的黑盒子 基于时域的“黑盒子” 建模方法 基于频域的“黑盒子” 建模方法,22,基于时域的 “黑盒子”建模方法,基本原理 根据数据手册或实验测量得到的时域响应波形图 确定合适的等效电路拓扑中的各元件参数 由数据手册或测量所得波形提取参数,浪涌电流波形,加载时输出电压波形,23,基于时域的 “黑盒子”建模方法,可解决的问题 能够反映模块的功率损耗、效率、输入浪涌电流 还能反映出模块的热特性、输出动态特性、保护、多输出特性、交叉调整、均流及远程控制 为了简化建模过程，还提出了应用cad工具辅助建模的方法 优点与缺点 只需要通过数据手册或者实验测量就可以得到模块的模型 分层建模、简单快速、物理意义明确 能够对动态特性进行仿真 对非线性情况、稳定性和输入阻抗的模拟都不够充分,24,基于频域的 “黑盒子”建模方法,基本原理 通过测量模块的输入和输出的端口信息得到g参数 再用数据拟合的方法得到模型的传递函数,等效电路结构,g参数矩阵,g参数的测试电路,通过数据拟和得到多项式表示的传递函数,25,基于频域的 “黑盒子”建模方法,可解决的问题 针对线性模块可以建立其模型 对非线性较强的电源模块可用几个不同状态下模型的加权平均来解决 该方法应用于多模块的级联系统、并联系统以及分布式电源模块系统动态过程的仿真 优点与缺点 可以在完全不知道模块内部参数的情况下通过频率分析得到模型 对非线性较强系统的模拟有待进一步验证 模型较抽象，需通过大量近似和复杂的计算得到,26,开关模型用于多模块电力电子系统分析的困难,电路规模太大 耗时 不收敛,在simplis中的仿真波形,开关模型无法完成多模块系统的仿真！,仿真时间设定为100ms，仿真进行到5ms就无法继续下去,27,电流模式控制（cmc）模块的简化模型,简化模型的提出 电压电流双闭环控制 电流环等效为比例环节 输入输出功率守恒 优点与缺点 准确保留了模块的非线性特性 准确保留了模块电流环带宽内的小信号特性 需要知道内部结构与参数,电流环等效为比例环节的简化模型,电压电流双闭环控制的模块,28,电流模式控制（cmc）模块的简化模型,dc-dc模块简化模型（buck、boost、buck-boost、uk）,29,电流模式控制（cmc）模块的简化模型,三相ac-dc模块和三相dc-ac模块简化模型,三相boost整流器模块,三相vsi模块,三相vsi内环的简化模型,三相boost整流器内环的简化模型,30,单个pfc模块简化模型仿真验证 准确性 快速性,电流模式控制（cmc）模块的简化模型,pfc开关模型的仿真波形,pfc简化模型的仿真波形,仿真时间设为：1s，开关模型用时：399s,仿真时间设为：1s，简化模型用时：1.23s,电流模式控制（cmc）模块的简化模型,电网电压暂低时多模块互联的仿真验证,开关模型的仿真波形,简化模型的仿真波形,pfc的输入电压和电流,pfc和dc/dc的输出电压,仿真时间：2s cpu时间分别为： 2小时44分钟58.26秒 、 8分钟33.40秒 20多倍！,电流模式控制（cmc）模块的简化模型,基于简化模型的互联系统实验验证,32,pfc输入电压跌落 验证简化模型反映的暂态特性,33,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统稳定性分析方法 基于单个模块阻抗测量的直流并联系统稳定性分析方法 基于单个模块阻抗测量的直流互联系统稳定性分析方法,稳定性分析近期研究进展,34,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,先前的系统稳定性分析方法 已知模块内部结构及参数 且判据复杂 基于单个模块阻抗测量的稳定性分析方法 只需已知并联系统的均流方法和工况,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,35,并联系统的稳定性,并联系统输出阻抗是否存在右半平面极点,获取并联系统的总输出阻抗,测量单个模块独立运行时的输出阻抗,并联系统不一定稳定，无法直接测量其总输出阻抗,通过并联系统总输出阻抗与单个模块独立运行时的输出阻抗之间的关系来获得总输出阻抗,推导出并联系统总输出阻抗与单个模块独立运行时的输出阻抗之间的关系,模块的设计保证其独立运行时的稳定性,基于主从均流模式的并联系统总输出阻抗 均流通讯线接口悬空 电压环起作用，均流环无效 均流通讯线接口接恒压源 均流指令信号扰动为0 输出阻抗包含均流调节器信息,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联时从模块i的输出阻抗,zom 主模块的输出阻抗 zoi 均流通讯线悬空时从模块i的输出阻抗 z*csi 均流通讯线接恒压源时从模块i的输出阻抗,并联系统总输出阻抗,zcsi 并联运行时各模块的输出阻抗(含主模块),基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,基于平均均流模式的并联系统总输出阻抗 均流通讯线接口悬空 电压环起作用，均流环无效 均流通讯线接口接恒压源 均流指令信号扰动为0 输出阻抗包含均流调节器信息,并联时模块i的输出阻抗,zoi 均流通讯线悬空时模块i的输出阻抗 z*csi 均流通讯线接恒压源时模块i的输出阻抗,并联系统总输出阻抗,zcsj 并联运行时模块j的输出阻抗 zoj 均流通讯线悬空时模块j的输出阻抗 z*csj 均流通讯线接恒压源时模块j的输出阻抗,38,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联系统总输出阻抗获取方法的仿真验证,基于主从均流策略的并联系统总输出阻抗: 直接测量结果(上), 计算结果(下),基于平均均流策略的并联系统总输出阻抗: 直接测量结果(下), 计算结果(上),39,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联系统稳定性分析的仿真验证,并联系统总输出阻抗,总输出阻抗中不存在rhp极点,并联系统稳定！,时域仿真结果,40,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联系统稳定性分析的仿真验证,并联系统总输出阻抗,总输出阻抗中存在rhp极点,并联系统不稳定！,时域仿真结果,rhp pole around 7.2khz,+ -,+ -,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联系统稳定性分析的实验验证,41,+ -,电子负载,直流电源,网络分析仪,42,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联系统稳定性分析的实验验证,并联系统总输出阻抗,总输出阻抗中不存在rhp极点,并联系统稳定！,时域仿真结果,幅度/db,相位/deg,频率/hz,43,基于单个模块阻抗测量的直流并联系统 稳定性分析方法,并联系统稳定性分析的实验验证,并联系统总输出阻抗,时域仿真结果,rhp pole around 5.0khz,并联系统总输出阻抗,总输出阻抗中存在rhp极点,并联系统不稳定！,幅度/db,相位/deg,频率/hz,500ma/div 100s/div,44,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,将互联系统划分为电源子系统和负载子系统,通过独立测量各源模块的输出阻抗，获取电源子系统的输出阻抗,根据电源子系统的输出阻抗分析其稳定性,测量各负载的输入阻抗，获取负载子系统总输入阻抗,采用级联稳定性判据判定整个互联系统的稳定性,互联系统稳定,互联系统不稳定,电源子系统 稳定？,级联系统 稳定？,是,是,45,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,电源子系统并联等效模型,获取总输出阻抗： 1）无均流通讯线 独立工作时与并联工作时电源模块输出阻抗相等，直接测量各模块独立工作时输入阻抗，根据阻抗并联关系计算可得 2）有均流通讯线 独立工作与并联工作时电源模块输出阻抗不等，使用基于单个模块阻抗测量直流并联系统稳定性分析方法可得,46,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,负载子系统等效模型,获取总输入阻抗： 不存在均流控制，独立工作时与输入侧并联工作时输入导纳相等 总输入导纳的极点由各模块输入导纳极点构成 直接测量各负载模块，可得并联的总输入导纳,47,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,直流互联系统稳定性分析仿真验证,源子系统输出阻抗 源子系统稳定,源子系统与负载子系统阻抗比 级联系统稳定,互联系统稳定,母线电压的时域仿真波形,48,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,直流互联系统稳定性分析仿真验证,源子系统输出阻抗 源子系统稳定,源子系统与负载子系统阻抗比 级联系统不稳定,互联系统不稳定,母线电压的时域仿真波形,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,互联系统稳定性分析的实验验证,49,+ -,源子系统与负载子系统阻抗比 级联系统稳定,50,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,直流互联系统稳定性分析实验验证,源子系统输出阻抗 源子系统稳定,互联系统稳定,母线电压时域波形,51,基于单个模块阻抗测量的直流互联系统 稳定性分析方法,直流互联系统稳定性分析实验验证,源子系统输出阻抗 源子系统稳定,母线电压时域波形,互联系统不稳定,源子系统与负载子系统阻抗比 级联系统不稳定,稳定性分析近期研究进展,三相交流互联系统的稳定性分析方法 三相交流级联系统稳定性判据 三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,52,53,三相交流级联系统稳定性判据,将整个互联系统等效为由电源子系统和负载子系统构成的级联系统 获取电源子系统的输出阻抗矩阵和负载子系统的输入导纳矩阵 通过分析这两个矩阵的乘积ldq(s)来判定级联系统的稳定性,54,三相交流级联系统稳定性判据,系统稳定,gershgorin 定理,广义奈氏判据,(所有的特征轨迹都在单位圆内),稳定性判据的提出,系统稳定的充分条件是源子系统的输出阻抗矩阵zsdq(s)与负载子系统输入导纳矩阵yldq(s)的无穷范数之积小于1,三相交流级联系统稳定性判据,稳定性判据的仿真验证,55,不同电感值下源模块输出阻抗矩阵的无穷范数、负载模块的输入导纳矩阵的无穷范数和范数的乘积,lf=16uh,lf=1mh,lf=140uh,随着输入滤波器中电感值的增大，系统进入不稳定，临界点是140uh,稳定性判据预测结果,三相交流级联系统稳定性判据,稳定性判据的仿真验证,56,不同电感值下的时域仿真结果: 交流母线电压(上)，后级变换器的输出电压(下),lf=1mh,lf=5mh,lf=2mh,随着输入滤波器中电感值的增大，系统进入不稳定，与稳定性判据的结果预测的趋势一致 当满足稳定性判据时，系统一定稳定 存在一定的保守性,三相交流级联系统稳定性判据,与现有稳定性判据保守性的比较,d通道判据 奇异值判据 g范数判据 1-范数判据 提出的判据,除了d通道判据外，奇异值判据的保守性最小 提出的判据的保守性接近奇异值判据 提出的判据的实现比奇异值判据简单,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,建模方法 已知各并联模块单独工作时的端口特性矩阵 均流环工作时的电流闭环增益矩阵gsdq(s)、输出导纳矩阵ysdq(s) 均流环不工作时的输出阻抗矩阵zmdq(s) 通过各小信号量之间的关系获取系统并联时的总输出阻抗矩阵 稳定性分析 各电源模块单独工作时是稳定的，即系统并联输出阻抗矩阵中各模块的特性矩阵不存在rhp极点 通过考察总输出阻抗是否含有右半平面极点来判定并联系统稳定性 采用广义奈氏判据作为稳定性分析工具,58,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,基于主从均流模式并联系统输出阻抗矩阵建模,59,gsdqi(s) 第i个从模块的均流环增益矩阵 ysdqi(s) 第i个从模块的输出导纳矩阵 zmdq(s) 主模块的输出阻抗矩阵,60,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,基于平均均流模式并联系统输出阻抗矩阵建模,单个电源模块的模型,ysdqi 电流环调节下第i个模块的输出导纳 gsdqi 电流环调节下第i个模块的电流环电流增益,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,基于主从均流模式的并联系统稳定性判据,61,并联系统稳定的充要条件是l(s)与l(s)的特征轨迹逆时针环绕(-1,0)点的圈数之和为零,总输出阻抗矩阵的rhp极点数,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,基于平均均流模式的并联系统稳定性判据,62,并联系统稳定的充要条件是l(s) 的特征轨迹逆时针环绕(-1,0)点的圈数之和为零,总输出阻抗矩阵的rhp极点数,63,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,l(s)的特征轨迹,l(s)的特征轨迹,stable!,并联系统稳定性判据仿真验证(主从均流模式),时域仿真结果 负载电流幅度(上)，交流母线电压幅度(下),64,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,l的特征轨迹,l的特征轨迹,unstable!,并联系统稳定性判据仿真验证(主从均流模式),时域仿真结果 负载电流幅度(上)，交流母线电压幅度(下),65,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,unstable!,并联系统稳定性判据仿真验证(平均均流模式),nl = 2,时域仿真结果 负载电流幅度(上)，交流母线电压幅度(下),l(s)的特征轨迹,66,三相交流并联系统输出阻抗建模及稳定性判据,stable!,并联系统稳定性判据仿真验证(平均均流模式),nl = 0,时域仿真结果 负载电流幅度(上)，交流母线电压幅度(下),l(s)的特征轨迹,67,结束语,多模块互联结构已越来越成为电源系统的主要结构形式之一 有关领域内（包括电力电子领域与电力系统领域）现有的知识和方法尚不足以很好地解决多模块互联电力电子系统的分析问题 迫切需要提出理论和实用中都可行的多模块互联电力电子系统分析方法，以解决应用实际中存在的问题,68,参考文献,1 j xiaogang feng, changrong liu, zhihong ye, lee, f.c., borojevic, d., “monitoring the stability of dc distributed power systems,” ieee iecon 1999, pp. 367-372, vol.1. 2 thottuvelil, v.j.; verghese, g.c., “analysis and control design of paralleled dc/dc converters with current sharing”, applied power electronics conference and exposition, 1997. apec 97 conference proceedings 1997., twelfth annual, volume 2, 23-27 feb. 1997 page(s):638 - 646 vol.2 3 thottuvelil, v.j.; verghese, g.c., “stability analysis of paralleled dc/dc converters with active current sharing”, power electronics specialists conference, 1996. pesc 96 record., 27th annual ieee, volume 2, 23-27 june 1996 page(s):1080 - 1086 vol.2 4 sun, j.; qiu, y.; lu, b.; xu, m.; lee, f.c.; tipton, w.c., “dynamic performance analysis of outer-loop current sharing control for paralleled dc-dc converters”, applied power electronics conference and exposition, 2005. apec 2005. twentieth annual ieee, volume 2, 6-10 march 2005 page(s):1346 - 1352 vol. 2 5 panov, y.; rajagopalan, j.; lee, f.c., ” analysis and design of n paralleled dc-dc converters with master-slave current-sharing control”, applied power electronics conference and exposition, 1997. apec 97 conference proceedings 1997., twelfth annual, volume 1, 23-27 feb. 1997 page(s):436 - 442 vol.1 6 oliver j.a., prieto r., romero v., cobos j.a., “behavioral modeling of dc-dc converters for large-signal simulation of distributed power systems,” ieee apec.2006., pp. 1204-1209, 2006. 7 amedo luis, burgos rolando. wang fred; boroyevich dushan, “black-box terminal characterization modeling of dc-to