南京航空航天大学科研团队提出机载高压直流电源系统的降阶阻抗建模与参数整定方法

研究背景

多电飞机通过以电能替代传统二次能源来优化系统性能，其中高压直流（HVDC）电源系统架构已成为主流选择。然而，机载电源系统高度电力电子化、供电裕度小，使得系统的小干扰稳定性问题极为突出。

以三级式发电机为基础的TSG-HVDC电源系统（图1），包含副励磁机、励磁机、主发电机、旋转/静止整流器及多脉冲变压整流器（TRU）等多个非线性环节，导致其阻抗建模集成复杂、模型阶数高，严重阻碍了基于阻抗法的稳定性分析与致稳设计。

图1 TSG-HVDC电源系统架构

论文所解决的问题及意义

现有针对TSG-HVDC系统阻抗建模的研究较为分散，或依赖实测数据受平台限制，或未考虑关键的多脉冲TRU环节。同时，面对飞机多种飞行工况带来的负载大范围变化，缺乏能够保证多工况稳定性的参数设计方法。

本文系统性地解决了阻抗模型完整构建、高阶模型合理降阶、多工况鲁棒参数整定等问题。所提方法摆脱了对统一建模和实测数据的过度依赖，显著提升复杂机载电源系统的稳定性分析和设计效率。

论文方法及创新点

1、完整阻抗模型的建立

研究团队首次完整集成了TSG-HVDC系统的所有关键环节。针对旋转/静止整流器与多脉冲TRU运行方式的不同，分别采用开关函数基波近似和平均电路等效两种建模方式。最终，通过等效电路集成和子系统二端口H参数表征，构建了系统完整的小信号等效电路模型(图2)和输出阻抗模型。

图2 TSG-HVDC电源系统小信号等效电路

2、基于矢量拟合的模型降阶

针对原始模型高达19阶的问题，本文设计了基于矢量拟合的降阶分析流程（图3）。该方法通过对各子系统传递函数矩阵进行统一极点校正与拟合，在宽频段内获得了方均根误差最优的降阶模型。结果表明，仅需9阶模型即可准确表征系统动态特性，且精度显著优于常规的奇异摄动截断法。

图3 基于矢量拟合的子系统传递函数矩阵降阶主流程

图4 矢量拟合与奇异摄动降阶阻抗结果对比

3、考虑负载区间描述的参数整定

为强化电源系统多工况的稳定性，本文提出了一种全新的参数协调整定方法。该方法首次引入“负载阻抗区间”来描述负载变化范围（图5），并结合降阶模型的幅值、相位灵敏度，智能协调多个控制参数，确保系统在所有可能负载工况下均能稳定运行，实现了从单运行点设计到区间鲁棒设计的跨越（图6）。

图5 基于阻抗区间描述的电源系统稳定性约束

图6 考虑负载阻抗区间描述的参数整定效果

结论

1）TSG-HVDC电源系统完整输出阻抗模型原始阶数为19阶，经矢量拟合降阶，最低9阶即可较为准确地进行描述。

2）降阶模型清晰地揭示了各子系统对整体阻抗的影响：10Hz附近的阻抗尖峰主要受励磁机子系统影响，而其余频段特性则由主发电机子系统主导。

3）所提出的基于负载阻抗区间描述的多参数协调整定方法，能够有效保障电源系统在爬升、巡航、着陆等多种工况下的稳定性，具有强鲁棒性。

“高效电能变换技术”首批百强创新团队

本研究由南京航空航天大学“高效电能变换技术”首批百强创新团队完成，团队负责人阮新波教授（图7）。团队长期致力于软开关变换器、新能源并网系统、电力电子系统建模及稳定性、电磁干扰与电磁兼容等技术研究，承担了多项国家自然科学基金及重点研发项目，在相关领域取得了丰硕的学术成果并积累了丰富的工程经验。

• 陈鹏伟，副教授/硕导，南航长空学者（长空之星），入选香江学者计划与中国科协青年人才托举工程。研究方向为新能源、直流配电系统的电磁暂态仿真与稳定控制技术。曾获江苏省高等学校研究成果奖一等奖、中国电源学会科技进步二等奖、教育部科技进步二等奖等科研成果奖5项。

• 陈杰，教授/博导，研究方向包括电力电子变换与控制技术、航空航天电源系统、新能源发电技术、电力电子系统建模与稳定性等。入选江苏省第七期“333工程”高层次人才。主持国家自然科学基金项目3项。获科研成果奖5项，其中第一完成人2项。获江苏省教学成果一等奖、二等奖各1项。

• 吴红飞，教授/博导，主要从事高频电力变换、电力电子系统集成、航空航天电源系统等研究。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，入选江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才等。获省部级科技成果奖4项。