航天器分布式电源系统稳定性研究

胡文斌 马季军

摘  要：文章对航天器分布式电源系统的特点进行了归纳和总结，对涉及的稳定性问题进行了分析和分类。通过调研国内外对电源系统稳定性的研究进展，对比航天工程中稳定性研究成果的应用情况，得到了学术领域的研究差距以及稳定性研究今后在我国空间电源应用的发展方向，最后就航天器电源系统稳定性的研究和应用得到启示，提出了建议。

关键词：分布式电源系统;空间应用;稳定性研究;波特图;阻抗禁止区

引言

电源系统从比较单一的变换器逐渐发展成为不同结构的供电系统，大体可以分为三个阶段[1]：集中式电源系统、模块式电源系统、分布式电源系统，如图1所示。现阶段，我国多数航天器电源系统属于分布式电源系统，该种电源系统已经在国际空间站[2]、深空探测[3]、多电飞机[4]等航天航空飞行器技术领域中广泛应用。其相比较传统的集中式和模块式电源系统具有以下优势：（1）容错性好;（2）可靠性高;（3）易于模块化、标准化设计;（4）便于维护和扩容;（5）能够满足复杂终端负载对电源系统的电能质量要求。

分布式电源系统的设计复杂，涵盖了母线电压的选择，电源和负载变換器的优化设计，系统的寿命、效率、成本控制，以及稳定性设计等多个方面。其中稳定性设计是最基础、最核心，也是较为复杂的部分，特别是具有多变换器的大型电源系统，其稳定性问题尤为突出。因此，研究分布式电源系统，尤其像航天器等大功率、长寿命、高可靠电源系统的稳定性，分析和预测不稳定因素越发受到重视。

1 航天器分布式电源系统的稳定性问题

航天器分布式电源系统关注的稳定性问题主要有两个方面：（1）电源调节模块层面的控制环路稳定性;（2）电源系统层面的级联稳定性。

对于电源调节模块控制环路，航天器电源系统母线电压的稳定性，通常其不稳定问题通过纹波和噪声表现出来。纹波是在母线直流电压中有周期规律地叠加了交流电压信号，它既可能出现在单一固定频率上，也可能多频率混合迭加，如果某些频段上出现交流扰动将造成母线电压较大的波动，因此纹波属小信号稳定性范畴。噪声表现为非周期性的震荡和尖峰，多数航天器电源母线上的噪声主要来自大功率负载的通断及负载功率的非周期性变化。此外，负载电流的瞬态变化同样会在母线上产生电压噪声，并通过母线传给其它负载，影响其他负载正常工作，因此大部分噪声所引起的稳定性问题属于大信号稳定性的范畴。

就航天器电源系统与负载级联而言，虽然系统中每个调节模块均根据控制环路的稳定性准则进行了优化设计，单独工作均具有良好的稳定性和动态响应特性，然而多个变换器构成实际应用系统时，由于模块之间、以及模块和滤波器间复杂的相互作用，可能会导致整个系统无法工作在预设的稳态工作点，出现母线电压振荡或工作在异常的电压范围等情况[5]。因此，航天器电源采用分布式电源系统供电时，也存在因电源系统各个部分及负载之间相互影响而引起的级联不稳定问题。

针对上述稳定性问题，现阶段电源系统的稳定性研究主要分为两大分支：（1）电源单调节模块控制环路的稳定性（包括小信号和大信号）;（2）电源系统与输出滤波器或负载变

换器之间的级联稳定性。据此，国内外的学术研究机构和航天工程领域相继对电源系统的稳定性做了研究和应用。

2 国外电源系统的稳定性研究及空间应用

国外对于电源环路小信号稳定性的研究已经形成了成熟的体系和方法，其中运用最广泛的是波特图。波特图是基于分析和环路传递函数有关的幅频图和相频图（如图2所示）来研究系统环路的稳定性。为表示系统相对稳定度引入了增益裕度（Gain Margin， GM）和相位裕度（Phase Margin， PM）;为表示系统的动态响应性能引入了穿越频率（wc）。当其满足一定工程要求时，模块即有良好的环路稳定性。

大信号稳定性分析方面，主要形成了基于计算机模型的仿真分析方法和基于样机的试验测试方法。随着电源变换器硬件仿真技术的发展，仿真模型已经涵盖了发电、储能、控制、变换和负载等各个部分，并且已经被用来预测各模块之间的非线性特性和潜在的相互影响。试验测试的方法也可以更直观地考察由电源系统中各环节产生的大信号对环路稳定性的影响程度。

用于电源系统级联稳定性分析的方法主要是阻抗分析方法，由加州理工学院的Middlebrook教授[6]于1976年引入，其原理是运用电源输出阻抗与负载输入阻抗之比的奈奎斯特曲线来分析开关电源间的阻抗稳定性。在此基础上，美国弗吉尼亚理工大学的Carl M.Wildrick 博士[7]和Feng Xiaogang博士[8]先后提出了阻抗禁止区的概念和一种适用于多负载变换器的禁止区法（如图3所示），当阻抗比曲线在禁止区外时，系统具有较好的级联稳定性。为每个单独的负载变换器提出了基于系统稳定性的设计准则。与此同时，各种阻抗禁止区的优化和应用也相继展开[9～12]，整个国外学术研究进展的示意图可总结为图4所示。

（a）极坐标图                      （b）波特图

图3 阻抗禁止区

上述稳定性理论也在国外航天器电源系统工程中开展了应用。为了保证航天器电源系统的高稳定性，欧洲航空局（ESA）就曾在颁布的全调节母线型电源控制器标准中明确要求[13]：母线纹波不得超过额定电压的0.5%;母线中开关噪声引起的电压尖峰不能超过母线额定电压的2%;电源控制器中母线的输出阻抗在100Hz～10kHz中不得超过20m，在100kHz以内的其他频段具有更加严格的规定。

国际空间站也对电源系统的稳定性做了大量工作，目前美国国家航空航天局针对其稳定性分析的方法主要有两种[14]：（1）基于稳态工作环路小信号模型的阻抗比判据法。（2）电源和负载瞬态大信号稳定性的测试方法。由于负载始终处于变化状态，因此针对国际空间站电源系统稳定性的分析方法也一直在进行不断的完善。

3 国内电源系统的稳定性研究及空间应用

国内学术界和高校研究机构也对涵盖电源系统设计的电力电子系统稳定性研究表现出高度的重视。从2002年起，国家自然科学基金委员会、国家重点基础研究发展规划项目973计划分别设立了项目对标准模块集成应用系统中可能存在的稳定性问题进行了深入的研究探讨。此外还有其他教育基金会（如：台达环境与教育基金会）也都相继对直流分布式电源系统稳定性的具体问题展开了理论和应用的基础研究。通过项目实施，电源系统稳定性的基础理论得到研究，多模块互联、级联大信号、非线性子系统、并网等方面的稳定性关键技术取得进展。多种阻抗禁止区判据的折衷应用，含有母线滤波电容的级联系统建模及合理设计等方面的研究卓有成效，提高级联系统稳定性的方法也得到优化。然而，电源系统的稳定性分析研究注重基础理论，没有形成实际的应用方法体系，成果转换较少，与国外学术领域的研究有一定差距。

在空间电源应用方面，中国空间技术研究院和上海空间电源研究所分别同高校展开了紧密的合作。其中涉及电源系统的阻抗仿真和测试、S3R拓扑的非线性建模、载人航天器一次电源稳定性研究等。但与级联稳定性联系较为紧密的电源输出阻抗、负载输入阻抗的计算方法、测量方法并不成熟，未得到应用推广。此外，关于母线电压稳定性的品质要求没有细化，母线滤波电容的取值缺少合理性设计，提高级联系统稳定性的优化措施不足。

我国空间站电源系统就稳定性分析与设计开展的工作方面，针对空间站电源系统正处于设计研制阶段，上海空间电源研究所与南航航空电源航空科技重点实验室开展合作，进行了空间站电源系统时域和频域的稳定性分析，得到了一些空间站电源系统方案设计阶段的稳定性分析结论，较好地指导了电源系统方案的完善和优化，但也存在着一些不足和遗留问题，相关的一些补充和进一步研究正在进行。

4 启示与建议

通过国内外有关分布式电源系统稳定性分析在学术研究及航天应用进展的比较，可得出如表1所示的结果对比与启示。

当前针对我国航天器分布式直流电源系统稳定性的研究还基本处于初级阶段。随着我国载人航天工程、探月工程、空间站工程的开展，航天器电源系统将变得更为复杂，且对系统可靠性的要求将更高。因此，我国应当在借鉴国外对航天电源系统稳定性分析设计方法的同时，吸纳国内研究机构和高校在电源系统稳定性研究方面的理论成果，结合我国航天器电源系统的特点，深入开展航天器电源系统稳定性的研究工作，以便于满足复杂航天器电源系统的高可靠要求。

参考文献

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

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