摘要 本文利用无源性研究带恒功率负载的Buck-Boost变换器稳定性问题。恒功率负载的负阻抗特性使Buck-Boost变换器输入阻抗实部负定，使变换器为非无源的，可导致其不稳定的。对此，本文设计了一种基于端口受控的耗散哈密顿模型的无源控制器，使Buck-Boost变换器输入阻抗实部由负定变为正定，保证了变换器无源性和稳定性，进而可实现变换器具有好的稳态和动态性能。仿真结果表明无源控制器可保证带恒功率负载的Buck-Boost变换器无源性和稳定性，并使变换器具有优秀的稳态和动态性能。
关键词：Buck-Boost变换器 恒功率负载 端口受控的耗散哈密顿模型 无源控制器
中图分类号：TM131
Study on the Stability of Buck-Boost Converter with
Constant Power Load
Abstract In this paper, the stability of buck-boost converter with constant power load (CPL) is studied by passivity. Owing to the character of negative of CPL, the real part of input impedance of the Buck-Boost convertor is negative definite and non-passive, which can make the convertor unstable. In order to make the real part of the input impedance of the Buck-Boost converter changes from negative definite to positive one, a passivity based controller based on port controlled Hamiltonian with dissipation (PCHD) is designed to ensures the passivity and stability of the convertor, and then convertor has the good steady-state and dynamic performance. Simulation result shows that the passivity based controller can ensure the passivity and stability of the Buck-Boost with CPL, and the convertor has the good steady-state and dynamic performance.
keywords：buck-boost converter, constant power load, the model of port controlled Hamiltonian with dissipation, passivity based controller
0 引言
随着分布式电源系统的广泛应用，恒功率负载(Constant Power Load, CPL) 在电源系统负载中的比例越来越大，如在未来多电飞机直流配电系统中，75%的负载是CPL [1]。传统直/直变换器优化设计时只考虑恒阻性负载，当带CPL时变换器动态性能和稳定性得不到保证。
CPL的负阻特性会对变换器输出电压稳定产生影响[1][2]，因此抑制负阻影响对提高变换器输出电压稳定范围有着重要的意义。增大母线电容可以提高级联系统的电压稳定性[3]，但会导致系统动态响应变慢。文献[4][5]利用平均模型和相平面法分析了带CPL的DC-DC变换器的稳定性。如果电路参数全部给定，该方法可以用于验证系统的稳定性。但是计算烦琐，对数学软件依赖性强；一旦负载参数发生变化，需重新计算验证系统的稳定性。在小信号情况下，直流分布式电源系统稳定性可以通过测量阻抗比的奈氏曲线来判断[6]，而文献[7]提出一种新颖的基于无源稳定性的判据(Passivity Based Stability Criterion, PBSC)判断系统的稳态性能，PBSC利用阻抗的无源性而不是利用阻抗比判据，可以减少如Middlebrook判据及其扩展判据的人为设计保守性和灵敏性。
无源控制技术最早在机器人中得到应用[8]。文献[8]指出：开关变换器的无源控制技术是基于能量的控制策略。虽然无源控制技术本质是一种非线性控制，但其算法比较简单且易于实现。另外，无源控制技术也是一种全局定义且全局稳定的控制策略，这就使得开关变换器系统对参数变化和外来的扰动均具有较强的鲁棒性。
本文首先分析CPL的负阻特性，对带CPL的Buck-Boost变换器的稳定性进行了分析，并研究了抑制CPL负阻特性的无源控制策略，仿真结果表明本文所提无源控制策略的可行性。