一種基于三端口模塊的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)研究

畢 超，閆 奎，葉沙琳，洪 峰

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

一種基于三端口模塊的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)研究

畢 超1，閆 奎2，葉沙琳2，洪 峰1

(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

提出一種以三端口模塊(Three-Port Converters，TPC)為基本單元構(gòu)成的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)及其功率控制方法。該系統(tǒng)以TPC為基本單元，通過將各TPC的輸入端口并聯(lián)連接，實現(xiàn)儲能裝置和負載分散配置。以兩個TPC組成的本衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)為例，分析所有可能的工作模式，并提出有效的系統(tǒng)功率控制策略，以實現(xiàn)在各種工作狀態(tài)下平滑、穩(wěn)定地切換。

三端口變換器；衛(wèi)星電源；分布式架構(gòu)；儲能電池分散配置；負載分散配置

0 引言

衛(wèi)星電源系統(tǒng)作為獨立的可再生能源的獨立供電系統(tǒng)，一般會配有儲能電池，從而形成了輸入、輸出和作為能量緩沖單元的三個端口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的要求也越來越高。傳統(tǒng)衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用多個兩端口變換器構(gòu)成，經(jīng)過幾級變換，效率低下，且體積笨重，成本過高，難以適應(yīng)未來衛(wèi)星供電系統(tǒng)的要求。而集成三端口變換器可同時實現(xiàn)輸入源、儲能裝置和負載三個端口的功率管理和能量控制，具有高變換效率、高集成度和低體積成本的優(yōu)點，近年來在衛(wèi)星電源供電系統(tǒng)研究中得到越來越多的關(guān)注。

另一方面，現(xiàn)有衛(wèi)星電源系統(tǒng)儲能元件大多是集中配置的電池組，蓄電池組是直接接入母線，結(jié)構(gòu)簡單，充放電效率高，沒有設(shè)置充放電電路，其充分利用能源[1]；而并聯(lián)的電池組從安全性、壽命等因數(shù)出發(fā)，在其他類型的架構(gòu)中，則會增加針對電池組的充、放電電路[2]，這樣就增加系統(tǒng)重量。可見，儲能元件可靠控制與簡化系統(tǒng)、減輕重量之間存在矛盾性。本文針對該問題提出一種將蓄電池和負載均分散配置的衛(wèi)星電源系統(tǒng)架構(gòu)，旨在簡化系統(tǒng)，并且在不增加系統(tǒng)重量的同時，儲能元件也能有效控制。以TPC模塊為基本單元構(gòu)成本衛(wèi)星電源系統(tǒng)，TPC作為一個節(jié)點進行研究，可以降低研發(fā)成本，提高系統(tǒng)冗余度和穩(wěn)定性。本分布式衛(wèi)星電源系統(tǒng)還有利于就近消化電力、減少集中輸電的線路損耗、節(jié)省輸配電投入；故障發(fā)生時，利于更快速的局部解列，提高系統(tǒng)可靠性。

近幾年以三端口變換器構(gòu)成的衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研究剛剛起步[3-12]，相關(guān)研究提出了三端口三端并聯(lián)的系統(tǒng)以及三端口兩端并聯(lián)的系統(tǒng)，如分布式供電系統(tǒng)[13]、分布式負載系統(tǒng)[14]和分布式儲能系統(tǒng)[15]。而本文提出輸入源單端并聯(lián)的系統(tǒng)，如圖1所示，讓兩個端口都做到獨立。本文從系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式、控制方法等方面對本衛(wèi)星電源系統(tǒng)進行研究，提出了兼顧實現(xiàn)輸入最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)、穩(wěn)定輸出及蓄電池充放電控制等要求的多目標(biāo)優(yōu)化功率控制和能量管理策略以及脈寬調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。通過本文的研究，促進衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)的生成和基本框架的完善。

圖1 本衛(wèi)星電源系統(tǒng)分布式架構(gòu)原理框圖

1 衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)

1.1 非隔離三端口變換器模塊

非隔離三端口變換器適用于不需要電氣隔離的場合，拓撲結(jié)構(gòu)簡單、無變壓器、體積小、重量輕和設(shè)計緊湊。本衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用如圖2所示的三端口變換器作為基本構(gòu)成模塊，該TPC由一個雙向buck-boost和一個單向buck變換器組成，并通過添加少許功率器件，實現(xiàn)了輸入到輸出、輸入到蓄電池和蓄電池到輸出三條功率流路徑，且三條功率流路徑均為一級變換，效率高、部件利用率高、功率密度高，有利于衛(wèi)星電源系統(tǒng)的體積、重量和成本的降低。

圖2 三端口變化器

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

為簡便分析，采用兩個如圖2所示的TPC模塊構(gòu)成本衛(wèi)星電源系統(tǒng)，如圖3所示。令pin1(pin2)、pb1(pb2)和po1(po2)分別為兩個節(jié)點(一個節(jié)點即為一三端口變換器，分別用虛線框處)輸入端功率、蓄電池端功率和輸出端功率。兩個節(jié)點各端口間的功率應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(1)

令pin、po和pb分別為本電源系統(tǒng)的總輸入功率、總輸出功率和蓄電池功率，則有：

(2)

圖3 衛(wèi)星電源系統(tǒng)分布式架構(gòu)系統(tǒng)框圖

1.3 系統(tǒng)工作狀態(tài)和模式分析

為滿足衛(wèi)星在不同情況下的供電需求，需對衛(wèi)星電源系統(tǒng)進行有效的能量管理。為此首先需研究本衛(wèi)星電源系統(tǒng)所有的工作狀態(tài)，討論其工作模式，而后才能對此提出行之有效的功率控制策略，以保證衛(wèi)星電源在各種情況下都能為負載提供穩(wěn)定的能量。

衛(wèi)星在軌運行時，會出現(xiàn)光照期和陰影期。在光照期間，當(dāng)太陽能電池充足時，給負載供電的同時將多余能量存儲在蓄電池中；當(dāng)太陽能電池能量不足時，由作為能量緩沖單元的蓄電池補充不足的能量。在陰影期，則完全由蓄電池向負載供電。

接下來詳細分析圖3所示兩節(jié)點輸入源單端并聯(lián)分布式系統(tǒng)。先假設(shè)po1>po2,則有：

(1)光照期，此時分為兩種情況：

①太陽能電池能量充足，pin>po，此時系統(tǒng)包含三種工作模態(tài)，系統(tǒng)中兩個雙向buck-boost均工作在buck模式下，開關(guān)管S5、S25導(dǎo)通，S1、S21關(guān)斷。

(a)工作模態(tài)1：系統(tǒng)中蓄電池均未達到充電上限，則系統(tǒng)將多余的能量存儲在蓄電池中，給兩節(jié)點蓄電池繼續(xù)充電。將此模式定為MPPT-雙輸出模式。

(b)工作模態(tài)2： 此時節(jié)點2蓄電池已充滿，而節(jié)點1未充滿，此時系統(tǒng)在控制輸入端MPPT和負載端穩(wěn)壓的同時，還要控制節(jié)點2蓄電池，避免過充已損壞電池。將此模式定為MPPT-穩(wěn)雙輸出模式。

(c)工作模態(tài)3：此種模式下，系統(tǒng)中的蓄電池均達到充電電壓上限，則系統(tǒng)需在控制負載端穩(wěn)壓的同時，還要控制系統(tǒng)中蓄電池的充電狀態(tài)，避免過充已損壞電池。將此模式定為穩(wěn)雙輸出模式。

②太陽能電池能量不足時，pin

(a)工作模態(tài)4：pin>po1，此種模態(tài)下，輸入能量只夠節(jié)點1負載能量需求，剩余能量不足節(jié)點2負載需求，需要蓄電池釋放能量來補給供電。此時節(jié)點1雙向buck-boost變換器不工作，節(jié)點2雙向buck-boost變換器工作在boost模式下，開關(guān)管S5、S25和S21關(guān)斷，S1開通。將此種模式定為MPPT-雙輸入模式。

(b)工作模態(tài)5：pinpo1，pb2>po2；在這種模式下，需要蓄電池來補給供電，兩節(jié)點雙向buck-boost均工作在boost狀態(tài)下，開關(guān)管S5、S25關(guān)斷，S1、S21開通，并且節(jié)點2單向buck變換器不工作。將此種模式定為MPPT-雙輸入加單輸入模式。

(2)陰影期，Pin=0，此時分為兩種模態(tài)：

(a)工作模態(tài)6：pb1>po1，pb2>po2；系統(tǒng)中單向buck變換器均不工作，兩節(jié)點中負載由該節(jié)點蓄電池單獨供電。將此種模式定為單輸入模式。

(b)工作模態(tài)7：該pb1>po1，pb2

各模態(tài)下的系統(tǒng)工作功率流路徑如圖4所示，電路中虛線表示該部分不工作，實線表示各部件處于工作狀態(tài)。

圖4 7種工作模式

2 功率控制策略

由上面的工作模態(tài)分析可知，為了實現(xiàn)輸入最大功率點跟蹤、穩(wěn)定輸出及有效控制蓄電池的充放電過程，保護蓄電池不受損傷等多目標(biāo)的要求，必須通過合理的功率控制策略來實現(xiàn)本衛(wèi)星電源系統(tǒng)在各種狀態(tài)下都能穩(wěn)定工作。本文以圖3所示的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)為例，來闡述有效的功率控制策略。

圖5為本衛(wèi)星電源的功率控制策略框圖，圖中IVR、BVR1、BVR2、OVR1和OVR2分別表示輸入電壓調(diào)節(jié)器、兩節(jié)點蓄電池電壓調(diào)節(jié)器和兩節(jié)點輸出電壓調(diào)節(jié)器，其中uIVR、uOVR1、uOVR2、uBVR1和uBVR2分別表示各調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果(若想控制蓄電池充電電流，只需再加入電流調(diào)節(jié)器即可，可得兩路控制信號uBCR1和uBCR2，為便于討論，這里沒有引入)，pin與po和po1相比較得到兩個控制信號uP1、uP2。上述7種控制信號被一起送入到邏輯控制工作模式選擇器中，邏輯電路根據(jù)這7個控制信號將整個系統(tǒng)分為7個工作模態(tài)，通過輸出合適的開關(guān)組合狀態(tài)來確保本衛(wèi)星電源系統(tǒng)在各種情況下都能穩(wěn)定地工作。

圖5 衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)控制策略框圖

當(dāng)uP1=1時，(1)如果uBVR1和uBVR2均未達到最大值，用uIVR控制開關(guān)管S4，uOVR1控制S5，S1關(guān)斷，S2與S5互補導(dǎo)通；uOVR2控制S24，uBVR2控制S25。(2)如果uBVR2達到最大值，還是用uIVR控制開關(guān)管S4，uOVR1控制S5，S1關(guān)斷，S2與S5互補導(dǎo)通；uOVR1控制S24，uBVR2控制S25。(3)如果uBVR1和uBVR2均達到最大值，用uOVR1控制S4，uBVR1控制S5，S1關(guān)斷，S2與S5互補導(dǎo)通；用uOVR2控制S24，uBVR2控制S25，S21關(guān)斷，S22與S25互補導(dǎo)通。當(dāng)uP1=0，uP2=1時，用uOVR1控制S2，S1閉合，S5關(guān)斷；用uIVR控制S24，uOVR2控制S22，S25關(guān)斷，S21恒通。當(dāng)uP2=0時，用uIVR控制S4，uOVR1控制S2，S5關(guān)斷，S1恒通；uOVR2控制S22，S24和S25關(guān)斷，S21恒通。當(dāng)uin=0，ub1>ub1min，ub2>ub2min時，用uOVR1、uOVR2控制S2和S22，S4、S24、S5和S25關(guān)斷，S1和S21恒通。當(dāng)ub1>ub1min，ub2

3 仿真波形結(jié)果

為驗證該方案的可行性，對系統(tǒng)進行了Saber仿真，仿真條件如表1所示，仿真中輸入源采用“電壓源+電阻”模擬太陽能電池板輸出特性。

表1 仿真條件

當(dāng)太陽能電池能量充足時，有工作模態(tài)1、2和3，主要區(qū)別在于控制的是輸入源電壓還是蓄電池端電壓，以模態(tài)1為例，波形其仿真波形如圖6所示?？刂乒?jié)點1的蓄電池電壓，對其進行恒壓充電，太陽能電池通過節(jié)點2模塊實現(xiàn)MPPT的同時將多余能量給節(jié)點2蓄電池充電。

圖6 工作模態(tài)1

當(dāng)太陽能電池不足時，有工作模態(tài)4和5，以模態(tài)5為例，其仿真波形如圖7所示，節(jié)點2單向buck變換器不工作，節(jié)點1單向buck變換器工作在MPPT狀態(tài)下，不足能量由蓄電池通過雙向buck-boost變換器補充。

圖7 工作模態(tài)5

當(dāng)太陽能電池不提供能量時，負載能量全部由蓄電池提供，有工作模態(tài)6和7，其仿真波形如圖8和圖9所示。

圖8 工作模態(tài)6

圖9 工作模態(tài)7

上述仿真結(jié)果表明，采用所提出的功率控制策略，圖3所示衛(wèi)星分布式電源系統(tǒng)均可以在各工作狀態(tài)中穩(wěn)定運行，驗證了所提出基于模塊化三端口的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)的可行性和本功率控制策略的有效性。

4 結(jié)論

為了簡化衛(wèi)星電源系統(tǒng)，減輕系統(tǒng)重量，并且能夠確保衛(wèi)星供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作，本文提出了基于三端口模塊的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)及其功率控制策略。理論分析和仿真結(jié)果表明：(1)采用三端口模塊為基本單元構(gòu)建本衛(wèi)星電源系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)可靠性，當(dāng)故障發(fā)生時，有利于更快速的局部解列；(2)采用儲能電池分散配置，有利于就近消化電力，減少集中輸電的的線路損耗、節(jié)省輸配電投入；(3)節(jié)點之間儲能電池能量能夠相互饋電，提高了系統(tǒng)可靠性；(4)在上述功率控制策略下，系統(tǒng)在各種模態(tài)下均能穩(wěn)定工作，并能時刻保證各節(jié)點負載端能量需求。

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Research on architecture of distributed power system with modularthree-port converters for satellite

Bi Chao1, Yan Kui2, Ye Shalin2, Hong Feng1

(1.College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China;2.Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109,China)

A novel distributed power system (DPS) with modular three-port converters (TPC) and its power control were proposed for satellite in this paper. The DPS which was composed of several TPC modules, interfacing energy source, distributed energy storage elements and distributed loads, with the input port connected in parallel, respectively. In this paper, the DPS which consists of two TPC modules is taken as an example, all the working mode is analysed and an effective control strategy is proposed, in order to make the DPS work steadily under different states and smoothly transit between them.

three-port converter; satellite power system; distributed architecture; distributed energy storage allocation; distributed loads allocation

V442

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.06.022

畢超，閆奎，葉沙琳，等. 一種基于三端口模塊的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)研究[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(6)：72-76.

2016-09-19)

畢超(1993-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子設(shè)計，衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)。E-mail：975365069@qq.com。

閆奎(1979-)，男，碩士，主要研究方向：航天器電源。

葉沙琳(1986-)，男，碩士，主要研究方向：航天器電源。