多端口直流变换器中的非线性耦合效应与扰动传播规律研究

How Multi-port DC-DC Converter (MPC) operate is of great significance to the performance of the overall supply system. However, due to the existence of nonlinear coupling effect, MPC have plenty of novel characteristics, which have a great deal of effect on their dynamical behaviors. This will lead to rising to the great challenge of traditional theory and analysis method. In this project, based on nonlinear modular analysis approach, the mechanism of nonlinear coupling effect in MPC is analyzed, complex transient behaviors and their evolution of MPC is revealed under the conditions of large perturbations in order to exploit the applications of the complex perturbation behavior method to some actual engineerings. Moreover, multi-parameter stability analysis of MPC is discussed in detail, and some stable domains of system associated parameters are given so that some related theories and methods are further developed. Finally, a systematic method is proposed to identify potential circuit of MPC in order to ensure the reliability of MPC under three operations. These results will affect the design of MPC, and are of great importance to ensure the stable, reliable and optimal operations of MPC.

多端口直流变换器不仅承担着能量的双向转换作用，而且对能量传递实现智能、灵活控制起着极其关键性支撑作用，其运行状况直接关乎到整个系统的工作性能。然而，正由于其内在的强非线性耦合效应，赋予了多端口直流变换器诸多“难以驾御”的特征：更强的非线性、更高的状态与参数空间维数、更复杂的运行模式，对其运行特性产生了巨大影响。要分析这种影响则对传统的理论与方法提出了极大的挑战。本项目通过非线性模态分析方法，研究多端口直流变换器非线性耦合效应的动力学机制；揭示不同运行模式下瞬态扰动机理与传播规律，探究扰动行为对系统安全运行的影响；发展多端口直流变换器多参数稳定性理论方法，分析内外参数关联机制对稳定性的影响，确立系统核心关联参数稳定域；寻求扰动传播与危险潜电路之间的规律，剔除危险潜电路。这些研究都必将对多端口直流变换器综合设计产生深远影响，对确保系统稳定、可靠、优化运行具有十分重要的意义。

多端口变换器的出现不仅充分地发挥了新能源电源的优势，而且灵活地实现了多个电气端口之间的能量传递。由于多端口变换器采用电路元件复用实现了拓扑的合并，采用同一控制器实现了功能的合并，因而具有更强的非线性和更强的耦合性。另外，拓扑和工作方式的多样性使得多端口变换器会呈现出更加复杂的非线性动力学行为。因此，深入研究多端口变换器非线性耦合效应与扰动传播规律，显得尤为重要。于是，本项目以多端口直流变换器为研究对象，从系统建模、理论分析和电路实验三个层面开展了相关研究工作，具体如下：（1）建立了多端口变换器的SPICE电路模型，对输入端口信号进行了共模和差模分析，并分别研究了系统的共模功率流与差模功率流的频率响应特性，进而探究了系统功率流的耦合效应规律。此外，还给出了电路元件参数与系统特征频率点的解析表达式，发现了功率不匹配条件下系统的伪谐振频率点的产生机理；（2）通过分析模态间的相互作用，研究了端口输入电压扰动对系统瞬态性能的影响机制，筛选出主导耦合作用指标，给出关键参数变化对主导耦合作用指标的参数域。（3）建立了能同时描述该变换器中的低频域和高频域动力学特征的多频域平均（MFA）模型，利用分岔理论揭示了系统中出现的两类低频振荡现象的内在机理；（4）提出了一种多端口变换器的多路电流纹波效应矩阵建模方法，通过分析系统传递函数随关键电路参数的变化规律，揭示了系统出现低频振荡与次谐波振荡的内在机理。此外，还通过Gershgorin带分析了端口间的相互影响，发现了不同频率振荡现象的不平衡性产生原因。（5）分别建立了多端口直流变换器的直流分量、偶信号分量和奇信号分量SPICE电路模型，并对多谐波振荡行为的谐波组成以及各谐波的奇、偶成分进行了深入研究，给出了不同电路参数空间下的谐波出现边界。（6）提出了基于电压型输出端口和电流型输出端口的多端口变换器拓扑衍生方法，并对系统可能出现的潜电路状态进行探究分析。