《电子技术应用》

一种基于三端口模块的卫星电源分布式系统架构研究

2017年微型机与应用第6期 作者:毕超1,闫奎2,叶沙琳2,洪峰1
2017/4/10 20:23:00

  毕超1,闫奎2,叶沙琳2,洪峰1

  (1.南京航空航天大学 电子信息工程学院,江苏 南京 210016;2.上海卫星工程研究所,上海 201109)

        摘要:提出一种以三端口模块(ThreePort Converters,TPC)为基本单元构成的卫星电源分布式系统架构及其功率控制方法。该系统以TPC为基本单元,通过将各TPC的输入端口并联连接,实现储能装置和负载分散配置。以两个TPC组成的本卫星电源分布式系统为例,分析所有可能的工作模式,并提出有效的系统功率控制策略,以实现在各种工作状态下平滑、稳定地切换。

  关键词三端口变换器;卫星电源;分布式架构储能电池分散配置;负载分散配置

  中图分类号:V442文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.022

  引用格式:毕超,闫奎,叶沙琳,等. 一种基于三端口模块的卫星电源分布式系统架构研究[J].微型机与应用,2017,36(6):72-76.

0引言

  卫星电源系统作为独立的可再生能源的独立供电系统,一般会配有储能电池,从而形成了输入、输出和作为能量缓冲单元的三个端口的系统结构。随着卫星技术的不断发展,对卫星电源系统的要求也越来越高。传统卫星电源系统采用多个两端口变换器构成,经过几级变换,效率低下,且体积笨重,成本过高,难以适应未来卫星供电系统的要求。而集成三端口变换器可同时实现输入源、储能装置和负载三个端口的功率管理和能量控制,具有高变换效率、高集成度和低体积成本的优点,近年来在卫星电源供电系统研究中得到越来越多的关注。

  另一方面,现有卫星电源系统储能元件大多是集中配置的电池组,蓄电池组是直接接入母线,结构简单,充放电效率高,没有设置充放电电路,其充分利用能源[1];而并联的电池组从安全性、寿命等因数出发,在其他类型的架构中,则会增加针对电池组的充、放电电路[2],这样就增加系统重量。可见,储能元件可靠控制与简化系统、减轻重量之间存在矛盾性。本文针对该问题提出一种将蓄电池和负载均分散配置的卫星电源系统架构,旨在简化系统,并且在不增加系统重量的同时,储能元件也能有效控制。以TPC模块为基本单元构成本卫星电源系统,TPC作为一个节点进行研究,可以降低研发成本,提高系统冗余度和稳定性。本分布式卫星电源系统还有利于就近消化电力、减少集中输电的线路损耗、节省输配电投入;故障发生时,利于更快速的局部解列,提高系统可靠性。

  近几年以三端口变换器构成的卫星电源系统的研究刚刚起步[312],相关研究提出了三端口三端并联的系统以及三端口两端并联的系统,如分布式供电系统[13]、分布式负载系统[14]和分布式储能系统[15]。而本文提出输入源单端并联的系统,如图1所示,让两个端口都做到独立。本文从系统架构、工作模式、控制方法等方面对本卫星电源系统进行研究,提出了兼顾实现输入最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)、稳定输出及蓄电池充放电控制等要求的多目标优化功率控制和能量管理策略以及脉宽调制等关键技术的解决方案。通过本文的研究,促进卫星电源分布式系统的生成和基本框架的完善。

 001.jpg

1卫星电源分布式系统

  1.1非隔离三端口变换器模块

  非隔离三端口变换器适用于不需要电气隔离的场合,拓扑结构简单、无变压器、体积小、重量轻和设计紧凑。本卫星电源系统采用如图2所示的三端口变换器作为基本构成模块,该TPC由一个双向buckboost和一个单向buck变换器组成,并通过添加少许功率器件,实现了输入到输出、输入到蓄电池和蓄电池到输出三条功率流路径,且三条功率流路径均为一级变换,效率高、部件利用率高、功率密度高,有利于卫星电源系统的体积、重量和成本的降低。

  

002.jpg

  1.2系统架构

  为简便分析,采用两个如图2所示的TPC模块构成本卫星电源系统,如图3所示。令pin1(pin2)、pb1(pb2)和po1(po2)分别为两个节点(一个节点即为一三端口变换器,分别用虚线框处)输入端功率、蓄电池端功率和输出端功率。两个节点各端口间的功率应满足如下关系:

  pin1=po1+pb1

  pin2=po2+pb2(1)

  令pin、po和pb分别为本电源系统的总输入功率、总输出功率和蓄电池功率,则有:

  pin=pin1+pin2

  po=po1+po2

  pb=pb1+pb2(2)

  

003.jpg

  1.3系统工作状态和模式分析

  为满足卫星在不同情况下的供电需求,需对卫星电源系统进行有效的能量管理。为此首先需研究本卫星电源系统所有的工作状态,讨论其工作模式,而后才能对此提出行之有效的功率控制策略,以保证卫星电源在各种情况下都能为负载提供稳定的能量。

  卫星在轨运行时,会出现光照期和阴影期。在光照期间,当太阳能电池充足时,给负载供电的同时将多余能量存储在蓄电池中;当太阳能电池能量不足时,由作为能量缓冲单元的蓄电池补充不足的能量。在阴影期,则完全由蓄电池向负载供电。

  接下来详细分析图3所示两节点输入源单端并联分布式系统。先假设po1>po2,则有:

  (1)光照期,此时分为两种情况:

  ①太阳能电池能量充足,pin>po,此时系统包含三种工作模态,系统中两个双向buckboost均工作在buck模式下,开关管S5、S25导通,S1、S21关断。

  (a)工作模态1:系统中蓄电池均未达到充电上限,则系统将多余的能量存储在蓄电池中,给两节点蓄电池继续充电。将此模式定为MPPT双输出模式。

  (b)工作模态2: 此时节点2蓄电池已充满,而节点1未充满,此时系统在控制输入端MPPT和负载端稳压的同时,还要控制节点2蓄电池,避免过充已损坏电池。将此模式定为MPPT稳双输出模式。

  (c)工作模态3:此种模式下,系统中的蓄电池均达到充电电压上限,则系统需在控制负载端稳压的同时,还要控制系统中蓄电池的充电状态,避免过充已损坏电池。将此模式定为稳双输出模式。

  ②太阳能电池能量不足时,pin<po,此时包含两种工作模态。

  (a)工作模态4:pin>po1,此种模态下,输入能量只够节点1负载能量需求,剩余能量不足节点2负载需求,需要蓄电池释放能量来补给供电。此时节点1双向buckboost变换器不工作,节点2双向buckboost变换器工作在boost模式下,开关管S5、S25和S21关断,S1开通。将此种模式定为MPPT双输入模式。

  (b)工作模态5:pin<po1,pin+pb1>po1,pb2>po2;在这种模式下,需要蓄电池来补给供电,两节点双向buckboost均工作在boost状态下,开关管S5、S25关断,S1、S21开通,并且节点2单向buck变换器不工作。将此种模式定为MPPT双输入加单输入模式。

  (2)阴影期,Pin=0,此时分为两种模态:

  (a)工作模态6:pb1>po1,pb2>po2;系统中单向buck变换器均不工作,两节点中负载由该节点蓄电池单独供电。将此种模式定为单输入模式。

  (b)工作模态7:该pb1>po1,pb2<po2;此状态下节点2蓄电池的能量不足以提供给节点2负载,此时让节点1蓄电池将多余能量补给到节点2,以实现节点2负载端所需能量。将此种模态定为补给供电模态。

004.jpg

  各模态下的系统工作功率流路径如图4所示,电路中虚线表示该部分不工作,实线表示各部件处于工作状态。图47种工作模式

  2功率控制策略

  由上面的工作模态分析可知,为了实现输入最大功率点跟踪、稳定输出及有效控制蓄电池的充放电过程,保护蓄电池不受损伤等多目标的要求,必须通过合理的功率控制策略来实现本卫星电源系统在各种状态下都能稳定工作。本文以图3所示的卫星电源分布式系统为例,来阐述有效的功率控制策略。

005.jpg

  图5为本卫星电源的功率控制策略框图,图中IVR、BVR1、BVR2、OVR1和OVR2分别表示输入电压调节器、两节点蓄电池电压调节器和两节点输出电压调节器,其中uIVR、uOVR1、uOVR2、uBVR1和uBVR2分别表示各调节器的输出结果(若想控制蓄电池充电电流,只需再加入电流调节器即可,可得两路控制信号uBCR1和uBCR2,为便于讨论,这里没有引入),pin与po和po1相比较得到两个控制信号uP1、uP2。上述7种控制信号被一起送入到逻辑控制工作模式选择器中,逻辑电路根据这7个控制信号将整个系统分为7个工作模态,通过输出合适的开关组合状态来确保本卫星电源系统在各种情况下都能稳定地工作。

  当uP1=1时,(1)如果uBVR1和uBVR2均未达到最大值,用uIVR控制开关管S4,uOVR1控制S5,S1关断,S2与S5互补导通;uOVR2控制S24,uBVR2控制S25。(2)如果uBVR2达到最大值,还是用uIVR控制开关管S4,uOVR1控制S5,S1关断,S2与S5互补导通;uOVR1控制S24,uBVR2控制S25。(3)如果uBVR1和uBVR2均达到最大值,用uOVR1控制S4,uBVR1控制S5,S1关断,S2与S5互补导通;用uOVR2控制S24,uBVR2控制S25,S21关断,S22与S25互补导通。当uP1=0,uP2=1时,用uOVR1控制S2,S1闭合,S5关断;用uIVR控制S24,uOVR2控制S22,S25关断,S21恒通。当uP2=0时,用uIVR控制S4,uOVR1控制S2,S5关断,S1恒通;uOVR2控制S22,S24和S25关断,S21恒通。当uin=0,ub1>ub1min,ub2>ub2min时,用uOVR1、uOVR2控制S2和S22,S4、S24、S5和S25关断,S1和S21恒通。当ub1>ub1min,ub2<ub2min时,S26恒通,用uOVR1控制S2,用uOVR2控制S24。

010.jpg

3仿真波形结果

  为验证该方案的可行性,对系统进行了Saber仿真,仿真条件如表1所示,仿真中输入源采用“电压源+电阻”模拟太阳能电池板输出特性。当太阳能电池能量充足时,有工作模态1、2和3,主要区别在于控制的是输入源电压还是蓄电池端电压,以模态1为例,波形其仿真波形如图6所示。控制节点1的蓄电池电压,对其进行恒压充电,太阳能电池通过节点2模块实现MPPT的同时将多余能量给节点2蓄电池充电。

 

006.jpg

  当太阳能电池不足时,有工作模态4和5,以模态5为例,其仿真波形如图7所示,节点2单向buck变换器不工作,节点1单向buck变换器工作在MPPT状态下,不足能量由蓄电池通过双向buckboost变换器补充。

 

007.jpg

  当太阳能电池不提供能量时,负载能量全部由蓄电池提供,有工作模态6和7,其仿真波形如图8和图9所示。

  

008.jpg 

009.jpg

 

  上述仿真结果表明,采用所提出的功率控制策略,图3所示卫星分布式电源系统均可以在各工作状态中稳定运行,验证了所提出基于模块化三端口的卫星电源分布式系统架构的可行性和本功率控制策略的有效性。

4结论

  为了简化卫星电源系统,减轻系统重量,并且能够确保卫星供电系统稳定工作,本文提出了基于三端口模块的卫星电源分布式系统架构及其功率控制策略。理论分析和仿真结果表明:(1)采用三端口模块为基本单元构建本卫星电源系统,提高了系统可靠性,当故障发生时,有利于更快速的局部解列;(2)采用储能电池分散配置,有利于就近消化电力,减少集中输电的的线路损耗、节省输配电投入;(3)节点之间储能电池能量能够相互馈电,提高了系统可靠性;(4)在上述功率控制策略下,系统在各种模态下均能稳定工作,并能时刻保证各节点负载端能量需求。

  参考文献

  [1] 王涛. 微小卫星电源系统设计[D]. 天津: 天津大学,2012.

  [2] 董文博. 微小卫星电源系统的智能化设计和充电技术研究[D]. 北京: 清华大学,2006.

  [3] 吴红飞. 基于功率流分析与重构的直流变换器的拓扑衍生理论和方法[D]. 南京:南京航空航天大学,2012.

  [4] Qian Zhijun, ABDELRAHMAN O, ALATRASH H, et al. Modeling and control of threeport DCDC convert interface for satellite applications[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(3): 637-649.

  [5] KATO K, ITOH J. An investigation of high efficiency operation conditions for a threeport energy source system using an indirect matrix converter[C]. IEEE ECCE2011,2011: 230-237.

  [6] 杨海峰. 独立太阳能燃料电池联合发电系统的多端口双向DCDC 变换器研究[D]. 呼和浩特:内蒙古工业大学,2009.

  [7] Hu Haibing,HARB S,Fang Xiang,et al. A threeport flyback for PV microinverter applications with powerpulsation decoupling capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(9): 3953-3964.

  [8] 支刚. 三端口双向直流变换器的控制策略研究[D]. 北京:北京交通大学,2010.

  [9] 姚雨迎,鄢婉娟. 卫星三端口DCDC变换器技术综述[J]. 航天器工程,2014,23(5): 116-120.

  [10] Wang Lei,Wang Zhan,Li Hui.Asymmetrical duty cycle control and decoupled power flow design of a threeport bidirectional DCDC converter for fuel cell vehicle application[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(2):891-904.

  [11] 李芳,游小杰,李艳.航天用非隔离集成三端口变换器的建模与控制系统设计[J].电工技术学报,2014,29(1):291-300.

  [12] Wang Zhan,Li Hui.An integrated threeport bidirectional DCDC converter for PV application on a DC distribution system[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(10):4612-4624.

  [13] 张君君,吴红飞,葛红娟,等. 一种基于三端口变换器的航天器分布式供电系统[J].中国电机工程学报,2015,35(24):6459-6466.

  [14] 张君君,吴红飞,葛红娟,等. 面向分布式负载的模块化三端口功率系统[J].电气工程学报,2015,10(4):91-98.

  [15] 曹锋. 模块化三端口变换器研究[D]. 南京:南京航空航天大学,2014.


继续阅读>>