● 摘要
现代飞机270V 高压直流供电系统中的功率电子负载和电动机负载不断增加，这种负载因内部闭环控制而呈现恒功率的特性，即负阻抗特性，该特性与滤波元件之间相互作用会严重危害系统的稳定性。本文基于混合势函数理论，给出恒功率负载滤波器的设计方法，不仅能够保障系统在大扰动下的稳定性，还能减小滤波电容容量。对于飞机供电系统中大功率的恒功率负载，当噪声衰减的要求较高时，多级LC滤波器比较适合；当噪声衰减的要求较低时，阻尼滤波器比较适用。具体内容可以归纳为如下几点：1. 对多电飞机270V高压直流供电系统的结构做了概述，分析了用电设备的负载特性，建立了供电系统简化模型；说明了恒功率负载的负阻抗特性及其带来的系统不稳定问题，提出了为恒功率负载设计滤波器时需满足的稳定性能要求，从滤波性能、稳定性能和滤波参数选择三个方面给出了为恒功率负载设计滤波器的要求。2. 介绍了混合势函数理论分析法，给出了四条适用于不同条件的稳定性定理。研究了小功率恒功率负载系统单级LC滤波器的设计方法，建立了该系统的混合势函数模型，推导得到了大扰动条件下的稳定性判据，与已有研究成果相比，该判据扩展了滤波元件的取值范围，滤波器设计方法简单；给出了系统的渐进稳定区域，与相关标准对比可知，供电系统中允许出现的电压波动皆位于系统的收敛域内，表明系统在电压大扰动条件下能够稳定工作，也证明了混合势函数模型是大信号模型，推导得到的稳定性判据能够保障系统在大扰动下的稳定性。3. 提出了将多级LC滤波器用在噪声衰减要求较高且大功率的恒功率负载系统上。建立了具有多级LC滤波器的恒功率负载系统的混合势函数模型，推导得到了混合势函数判据，判据应用恒功率负载的动态负阻抗给出了滤波元件的定量约束条件，以保证系统在大扰动下稳定工作，并将判据推广到供电系统中非理想的恒功率负载，如电力作动器。判据结构简单，便于应用。对比可知，在那些对噪声衰减要求较高的场合，多级LC滤波器比单级LC滤波器和阻尼滤波器更容易实现滤波性能要求，稳定性能好，又能大大减小滤波电感和电容值，减小了滤波元件的体积和重量。4. 针对噪声衰减要求较低的大功率恒功率负载系统，提出了采用阻尼滤波器的方法。分别把四种阻尼滤波器：RC并联阻尼、RL并联阻尼、RL串联阻尼和R并联阻尼滤波器加入到恒功率负载输入端，研究了系统的稳态特性，接着应用混合势函数方法，分别得到了四个系统在大扰动下的稳定性判据。判据是在考虑恒功率负载动态负阻抗的基础上，给出了滤波参数的约束条件，且结构简单。对比可知，具有单级LC滤波器的恒功率负载系统在大扰动下的稳定性判据可视为四条判据的一种特殊情况。在那些对噪声衰减要求不高的场合，相对于单级LC滤波器和多级LC滤波器来说，为大功率的恒功率负载输入端加入阻尼滤波器，可以大大减小滤波电容容量，避免了应用电解电容，提高了系统的可靠性。