基于預(yù)測(cè)控制的衛(wèi)星能量管理策略研究

蔣 碩，章 玄，趙旖旎，雒東陽，付 宇

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

隨著大功率電推進(jìn)負(fù)載、通信載荷時(shí)分多址工作模式等大量使用，負(fù)載之間的耦合越來越復(fù)雜，航天器負(fù)載功率的變化越來越頻繁，從而對(duì)母線響應(yīng)能力提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)衛(wèi)星電源系統(tǒng)由太陽電池陣、蓄電池組、電源控制器組成。衛(wèi)星一次母線由主誤差放大器(main error amplifier，MEA)統(tǒng)一進(jìn)行三域控制。MEA 作為三域控制的外環(huán)，通常是一個(gè)線性PID 控制器。MEA 信號(hào)從低至高分為三域，即電池放電控制(battery discharge regulator，BDR)域、電池充電控制(battery charge regulator，BCR)域和光照(SUN)域，相應(yīng)地，當(dāng)MEA 信號(hào)位于某控制域中時(shí)，由對(duì)應(yīng)的變換器控制母線電壓使之穩(wěn)定[2]。當(dāng)由于負(fù)載或者太陽電池陣輸入功率的變化，電源系統(tǒng)在SUN 域和BDR 域之間切換時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)較大，尤其是當(dāng)蓄電池充滿電后，BCR 域相當(dāng)于形成了死區(qū)，導(dǎo)致母線電壓尖峰較大。TAS-B 在下一代電源控制器中提出采用兩域控制代替三域控制，即采用蓄電池充電管理(battery charge management,BCM)控制蓄電池充電，以MEA控制SUN 和BDR 實(shí)現(xiàn)母線穩(wěn)定，這種方法減少了死區(qū)，同時(shí)也提升了系統(tǒng)跨域暫態(tài)響應(yīng)的性能[3]，但是該方法無法改善域內(nèi)控制的暫態(tài)響應(yīng)。

為了提升DC/DC 控制器的暫態(tài)響應(yīng)性能，有學(xué)者提出預(yù)測(cè)控制策略[4-5]。文獻(xiàn)[6]提出一種針對(duì)BUCK 電路的邊界控制方法，文獻(xiàn)[7]提出相應(yīng)針對(duì)BOOST 電路的控制策略。但是這些控制策略很難直接應(yīng)用在衛(wèi)星電源系統(tǒng)中。

本文提出了一種適用于衛(wèi)星電源系統(tǒng)的新型預(yù)測(cè)控制方法，它通過能量平衡原理來預(yù)測(cè)目標(biāo)電流，這種方法在保證穩(wěn)態(tài)特性的同時(shí)可以顯著提高母線動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。本文還分析了衛(wèi)星電源系統(tǒng)的工作模式及能量流動(dòng)。最后，通過系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證了本文提出算法的有效性。

1 基于預(yù)測(cè)控制的衛(wèi)星能量管理策略

1.1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

圖1 所示為典型的衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)?，其由太陽電池陣、蓄電池組、電源控制器構(gòu)成。其中，電源控制器由SUN 模塊(BOOST 電路)、BCR 模塊(BUCK 電路)、BDR 模塊組成(BOOST 電路)。

圖1 衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)?/p>

1.2 BUCK 電路的自然軌跡控制

如圖1 所示，充電調(diào)節(jié)器通常為BUCK 電路。對(duì)BUCK電路進(jìn)行分析，當(dāng)BCR 主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，滿足：

式中：Cbuck為BCR 輸入側(cè)電容值；Lbuck為BCR 主通路電感值；Ubat為蓄電池側(cè)電壓；Ubus為母線電壓；iL為電感電流；Iin為輸入電流。

當(dāng)BCR 主開關(guān)管接通時(shí)，滿足：

由此可推導(dǎo)出BCR 的開關(guān)軌跡，滿足：

根據(jù)式(3)在相平面圖上畫出其軌跡，如圖2所示。當(dāng)負(fù)載變化導(dǎo)致工作點(diǎn)從A 移動(dòng)至B，圖2 藍(lán)色軌跡為最優(yōu)時(shí)間軌跡，但并非最小電壓變化軌跡。因此在響應(yīng)時(shí)間和電壓跌落之間需要折中，得到一個(gè)綜合最優(yōu)曲線如圖2綠色軌跡所示。

圖2 BCR的開關(guān)軌跡

1.3 BOOST 電路的自然軌跡控制

如圖1 所示，SUN 模塊和BDR 模塊通常為BOOST 電路。對(duì)BOOST 電路進(jìn)行分析，當(dāng)BOOST 主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，滿足：

式中：Cboost為輸出側(cè)電容值；Lboost為主通路電感值；Uin為輸入側(cè)電壓；UC為輸出電容電壓；iL為電感電流；Io為輸出電流。

當(dāng)BOOST 主開關(guān)管接通時(shí)，滿足：

由此可推導(dǎo)出BOOST 電路的開關(guān)軌跡，滿足：

根據(jù)式(6)在相平面圖上畫出其軌跡，如圖3 所示。當(dāng)負(fù)載變化導(dǎo)致工作點(diǎn)從A 移動(dòng)至B，圖2 藍(lán)色軌跡為最優(yōu)時(shí)間軌跡，但并非最小電壓跌落軌跡。但轉(zhuǎn)折點(diǎn)越接近點(diǎn)C，電壓跌落越小，因此同樣在響應(yīng)時(shí)間和電壓跌落之間需要折中，得到一個(gè)綜合最優(yōu)曲線，如圖3 綠色軌跡所示。

圖3 BOOST電路的開關(guān)軌跡

1.4 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制策略需考慮下列要求：一是滿足圖2、圖3 中綠色曲線要求，控制策略可使得響應(yīng)時(shí)間和電壓跌落綜合最優(yōu)；二是需適應(yīng)BUCK 和BOOST 兩種電路的控制，以保證域間調(diào)節(jié)的一致性，從而獲得更優(yōu)的跨域響應(yīng)。

基于上述要求，本文提出一種基于能量平衡的統(tǒng)一控制方法，滿足：

當(dāng)k>1 時(shí)為BUCK 電路控制，當(dāng)0

圖4 BUCK電路控制軌跡(紅)

圖5 BOOST電路控制軌跡(紅)

對(duì)BUCK 變換器，系統(tǒng)當(dāng)前儲(chǔ)能E與目標(biāo)工作點(diǎn)B 的儲(chǔ)能EB滿足：

對(duì)BOOST 變換器，系統(tǒng)當(dāng)前儲(chǔ)能E與目標(biāo)工作點(diǎn)B 的儲(chǔ)能EB滿足：

因此，系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)與電容電壓之間的關(guān)系是自主的。從式(7)可知，系統(tǒng)控制策略滿足：

電感電流可由式(10)計(jì)算得到，該控制策略如圖6 所示。BDR 內(nèi)環(huán)控制指令由該邏輯進(jìn)行預(yù)測(cè)控制得到，BCR 內(nèi)環(huán)控制指令由預(yù)測(cè)控制與恒流控制指令取小得到，SUN 內(nèi)環(huán)控制指令由預(yù)測(cè)控制邏輯與MPPT 控制取小得到。

圖6 預(yù)測(cè)控制邏輯圖

2 能量流分析

從系統(tǒng)架構(gòu)和控制邏輯，分析衛(wèi)星電源系統(tǒng)的工作模式和能量流，如圖7 所示。

圖7 5種模式下的能量流示意圖

不同模式下各模塊控制策略和控制對(duì)象如表1 所示。母線電壓采用電流預(yù)測(cè)控制(predictive current control，PCC)方法。根據(jù)預(yù)測(cè)控制的不同執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可將系統(tǒng)的5 種工作模式劃分為3 域，分別為SUN 域(PCC 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為SUN 模塊)、BCR 域(PCC 的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 為BCR 模塊)以及BDR 域(PCC 的 執(zhí)行機(jī)構(gòu)為BDR 模塊)。

表1 不同模式下的控制策略和控制對(duì)象一覽表

3 仿真驗(yàn)證

通過MATLAB/Simulink 對(duì)本文提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。如表2 所示，母線電壓額定值為100 V，太陽翼的最大輸出電流為80 A，充電電流的上限為20 A，設(shè)置的仿真場(chǎng)景分別工作在3 個(gè)工作域中。

表2 仿真場(chǎng)景設(shè)置

通過仿真，不同場(chǎng)景下的母線電壓以及電感電流、電容電壓的相平面圖如圖8～10 所示。

圖8 預(yù)測(cè)控制與PI控制對(duì)比(SUN域)

圖9 預(yù)測(cè)控制與PI控制對(duì)比(BCR域)

圖10 預(yù)測(cè)控制與PI控制對(duì)比(BDR 域)

場(chǎng)景1 中，0.2 s 時(shí)，負(fù)載電流從30 A 階躍至40 A，蓄電池仍以最大充電電流充電，系統(tǒng)處于SUN 域。傳統(tǒng)PI 控制下，母線電壓跌落最低為99.37 V，母線電壓跌落時(shí)間為24 ms；在預(yù)測(cè)控制下，開關(guān)管接通一段時(shí)間，系統(tǒng)沿直線達(dá)到預(yù)測(cè)控制點(diǎn)處，接著通過預(yù)測(cè)控制開展開關(guān)控制，使得系統(tǒng)沿預(yù)測(cè)控制的橢圓到達(dá)穩(wěn)態(tài)，母線電壓跌落最低為98.95 V，母線電壓跌落時(shí)間為12 ms。

場(chǎng)景2 中，0.2 s 時(shí)，負(fù)載電流從65 A 階躍至75 A，此時(shí)蓄電池充電電流指令由18.75 A 變化至6.25 A，均小于最大充電電流，系統(tǒng)處于BCR 域。傳統(tǒng)PI 控制下，母線電壓跌落最低為99.37 V，母線電壓跌落時(shí)間為0.2 ms；在預(yù)測(cè)控制下，開關(guān)管接通一段時(shí)間，系統(tǒng)工作點(diǎn)沿開關(guān)開通圓弧達(dá)到預(yù)測(cè)控制點(diǎn)處，接著通過預(yù)測(cè)控制開展開關(guān)控制，使得系統(tǒng)沿預(yù)測(cè)控制的橢圓到達(dá)穩(wěn)態(tài)，母線電壓跌落最低為99.87 V，母線電壓跌落時(shí)間為0.1 ms。

場(chǎng)景3 中，0.2 s 時(shí)，負(fù)載電流從140 A 階躍至150 A，蓄電池放電電流由76.5 A 增加至90 A，系統(tǒng)處于BDR 域。傳統(tǒng)PI控制下，母線電壓跌落最低為97.82 V，母線電壓跌落時(shí)間為23 ms；在預(yù)測(cè)控制下，開關(guān)管接通一段時(shí)間，系統(tǒng)沿直線達(dá)到預(yù)測(cè)控制點(diǎn)處，接著通過預(yù)測(cè)控制開展開關(guān)控制，使得系統(tǒng)沿預(yù)測(cè)控制的橢圓到達(dá)穩(wěn)態(tài)，母線電壓跌落最低為98.71 V，母線電壓跌落時(shí)間為10 ms。

4 結(jié)論

本文提出了一種新型電流預(yù)測(cè)控制方法可用于衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，基于能量平衡理論預(yù)測(cè)被控電流的變化，相比傳統(tǒng)PI 控制，在保證穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)獲得了更加優(yōu)越的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。