一种航天器直流供电并网系统控制方法

一种航天器直流供电并网系统控制方法蒋冀;王宏佳;徐志伟;任筱强;程天然【摘要】直流并网供电系统可实现组合体航天器能源的统一调配和使用,确保各舱段在复杂飞行工况下的能量平衡,解决不同舱段间发电能力与用电需求不匹配的问题.在航天器直流供电并网系统的工作原理进行分析的基础上,提出了一种基于工作点区域选择的直流并网系统控制方法,分析了并网系统工作模式与工作点选取区域的关系,给出了不同并网需求下的并网模式及并网工作点选取方法.选取典型案例对并网系统进行了建模和仿真,结果表明所提出的并网控制方法适用于航天器直流供电并网系统的设计,对并网系统原理及控制方法的分析正确,该方法可用于指导航天器直流供电并网系统的设计.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2018(042)009【总页数】4页(P1383-1386)【关键词】航天器;直流供电并网系统;工作点区域选择;并网系统控制方法【作者】蒋冀;王宏佳;徐志伟;任筱强;程天然【作者单位】南京航空航天大学,江苏南京210016;中国空间技术研究院,北京100094;南京航空航天大学,江苏南京210016;中国空间技术研究院,北京100094;南京航空航天大学,江苏南京210016;南京航空航天大学,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TM727随着我国航天器交会对接技术的突破，航天器在轨组合飞行及大型组合体航天器的建设已成为可能，组合体航天器通常由多个功能不同的舱段及独立来访飞行器构成，由于受航天器构型、飞行姿态及太阳电池翼遮挡的影响，各个舱段发电能力与负载用电需求不一致，需要供电并网系统将各个独立的源和负载串联成统一的能源系统[1-2]。

国际空间站是典型的采用供电并网系统的组合体航天器，采用了将美国舱124 V变换到28 V和俄罗斯舱电源系统并网后共同为俄罗斯舱负载供电的并网供电方案[3]。

文献[4]提出了我国载人航天交会对接任务中100 V母线变换到28 V的供电并网系统设计。

这两个并网系统采用了恒压并网控制方法。

文献[5]提出一种基于恒流限压式功率变换器实现两高压体制飞行器间并网供电的设计方法。

文献[6]以未来我国空间站组合体为研究背景，提出了并网系统的拓扑设想。

以上文献侧重于对供电并网系统的工程实现和某一种并网模式的具体应用，缺少对于供电并网系统工作原理和控制方法的详细研究。

本文将在分析基本工作原理的基础上，给出工作点对系统工作状态的影响分析，提出一种基于工作点区域选择的并网系统控制方法。

1 系统工作原理组合体航天器的各个舱段通常会有独立的能源系统，包括一次电源系统、配电系统及负载三个部分，并网系统的基本原理是在各个独立的能源系统间建立功率传输的通道，并按照舱段间能源富裕和缺口进行功率的定向传输。

根据电路拓扑可以得到如图1所示并网供电的电路等效模型，根据电路原理计算和推导，可得到一次电源输出参数及并网控制器参数的表达式。

图1 直流供电并网系统原理图图1中左侧的电源代表一次电源控制器，通常由分流调节器和放电控制器组成，r1代表从一次电源电压控制点到并网点的线路阻抗，R代表用电负载的总和，右侧电源代表并网控制器，r2代表从并网控制器控制点到并网点的线路阻抗。

考虑到并网供电的工程实际，一次电源输出一般都设置有串联二极管，稳定状态下不会吸收功率，并网控制器输出同理，因此本文计算及推导均假设i1＞0且i2＞0，即稳定并网过程中一次电源和并网控制器都不会吸收电流。

一次电源输出电流公式：并网控制器输出电流公式：并网控制器端口电压公式：并网控制器的端口输出功率可由以下公式计算得出：由上式可见，在与一次电源并联工作时，并网功率是并网控制器输出电压或输出电流的二次函数。

其中，k1=（r1×R+r2×R+r1×r2）/（r1+R），k2=R/（r1+R），参考工程实际参数范围假定r1=0.014 7 Ω，r2=0.05 Ω，R=0.5 Ω，计算可得典型的 k 值：k1=0.064 3，k2=0.971 0。

以并网功率为并网控制器的控制目标，则将并网功率的表达式分别对端口电压、端口电流求偏导数，可以得到：对于典型的28 V并网系统，假定并网工作点为ugrid=30.3 V，igrid=30 A，ubus=28.3 V，则可得到：对于典型的100 V并网系统，假定并网工作点为ugrid=102 V，igrid=20 A，ubus=100 V，则可得到：由上述计算结果可知，若以输出指定功率为调控目标，则采用恒压控制的灵敏度较大，采用恒流控制的灵敏度较小，即要实现指定功率的稳定供电并网，采用恒流控制的系统鲁棒性比采用恒压控制的系统鲁棒性好。

对于恒流控制，要进一步提高系统的鲁棒性，可以通过减小k1，k2的数值来实现，在负载R一定的条件下，可以通过适当增加一次电源侧的传输阻抗r1或减小并网阻抗r2来实现，工程实施中传输阻抗受电缆、连接器的自身阻抗约束，可减小的空间很少。

增加r1可以适当增加系统鲁棒性，但同时会带来线缆压降和损耗上升，需要付出降低系统效率的代价，需要综合考量后选取。

同时，采用相同控制方法时，高压并网系统的灵敏度高于低压并网系统。

2 系统特性分析及控制方法2.1 系统工作点区域特性分析一般为确保母线及负载安全，一次母线通常会设定一个安全电压阈值上限，为确保恒压模式下母线安全，并网限压点会被要求小于安全电压阈值上限，同时根据并网工作状态i1＞0且i2＞0，推导出并网电压的约束条件如下：以28 V并网系统为例，得到要并联输出的工作点范围为：参考28 V母线航天器参数范围假定ubus=28.3 V是阴影区的一次电源输出电压，ubus=30.3 V是阳照区的一次电源输出电压，ulim=32.3 V是一次母线安全电压阈值上限。

如图2所示，表征阴影区工作状态，绘制阴影区并网工作时并网控制器的I-V特性曲线AB及阴影区约束边界U1、U2；表征阳照区工作状态，绘制阳照区并网工作时并网控制器的I-V特性曲线CD、阳照区约束边界U3、U4。

绘制并网控制器单独工作时的输出I-V特性曲线（简称独立工作曲线）、多条恒功率曲线。

图2 并网工作点区域示意图虚线U1、U2包围区域代表并网控制器和一次电源都能输出功率的正常状态，红色曲线AB为并网工作曲线，绿色实线代表并网控制器的独立工作曲线，图2中两条曲线的交点即为并网工作时并网控制器输出端口的电压电流工作点。

U5曲线代表了并网控制器限压点的取值上限，由一次母线安全电压阈值上限决定，在阈值电压以下的限压点为有效工作点。

在一次电源设计、线路阻抗设计确定的情况下，并网工作曲线是确定的，但并网控制器的独立工作曲线是随着设定的限压点限流点而变化的。

当独立工作曲线的恒流段与并网工作曲线AB相交时，并网控制器实际工作在恒流段，控制目标是电流值，例如X1点；当恒压段与并网工作曲线AB相交时，并网控制器实际工作在恒压段，控制目标是电压值，例如X3点。

分析图2，其中参数和曲线是根据本文所选取的典型参数计算得到，曲线AB、曲线CD、约束线U1-U4共同构成了多个区域，从各条曲线的物理意义可以得到如下几个特殊的区域：区域M：在阴影区工作曲线AB右下侧，且位于阳照区约束U3之外，代表阴影区时并网控制器通过恒流控制输出指定功率，阳照区时并网控制器输出截止，最大功率约900 W。

区域N和O：在工作曲线AB和CD的右下侧，代表阴影区时并网控制器通过恒流控制输出指定功率，阳照区时并网控制器通过恒流控制输出指定功率，最大功率约850 W。

区域P：在工作曲线AB右下侧和CD的左上侧，代表阴影区时并网控制器通过恒流控制输出指定功率，阳照区时并网控制器通过恒压控制输出指定功率。

其他区域：处于约束区域之外或曲线AB和CD的左上侧，阴影区和阳照区都位于恒压控制段。

2.2 系统控制方法对于不同类型的并网系统，可根据型号任务需要，通过选择不同区域进行限压点限流点对并网系统进行控制，使并网控制器的工作点位于指定区段，使并网系统工作在指定的工作模式，确保并网系统工作正常。

控制方法如下：选取区域M：典型工作点是X1，最大功率约900 W，适合需要并网功率准确控制，且仅阴影区并网供电，阳照区不并网供电的并网系统；选取区域N和O：典型工作点是X2，最大功率约850 W，适合需要并网功率准确控制，且阴影区和阳照区都进行并网供电的并网系统；选取区域P：在阳照区进入恒压控制段，对阳照区需要并网功率准确控制的并网系统不适合；适于工程参数精准、无阳照区并网功率设定值、一次电源工作状态无较强约束（如电池放电深度增大、一次电源输出截止等）特点的并网系统；选取其他区域：对需要并网功率准确控制的并网系统不适合；适于工程参数精准、无并网功率设定值、一次电源工作状态无较强约束（如电池放电深度增大、一次电源输出截止等）特点的并网系统。

3 仿真分析验证根据我国空间站工程的总体构想，空间站将与多艘来访飞行器对接形成组合体，以来访飞行器28 V直流并网供电为典型案例，假定并网功率要求稳定大于800 W，对航天器供电并网系统的控制方法进行仿真分析验证[7]。

3.1 仿真模型基于saber软件进行系统的建模和仿真，建立基于电力电子电路元件搭建的设备模型，组成能够自动闭环控制的两飞行器等效模型，负载功率约为1 800 W，系统状态参数按照第1章中参数进行设定。

采用数字控制器加电力电子功率电路的方式构建并网控制器模型。

仿真模型的构成如图3所示。

图3 28 V供电并网系统仿真模型3.2 并网工作点区域仿真采用扫描并网控制器输出限压点、限流点参数的方法进行多次重复仿真，对并网工作点对并网系统工作状态的影响进行验证，读取空间站与来访飞行器并网点的电压、电流参数进行判断，表1给出了并网控制器输出电压电流设定点和仿真结果的情况。

表1 限压限流点设定值及工作点仿真结果在误差允许范围内，当系统仿真的电压工作点等于限压点且电流工作点小于限流点时，表明并网系统工作于恒压模式，反之当系统仿真的电流工作点等于限流点且电压工作点小于限压点时，表明并网系统工作于恒流模式。

仿真分析的结果说明，在误差允许的范围内，并网系统的工作模式与2.1节分析结果一致。

3.3 恒压并网模式仿真并网模式包括阳照区并网模式和阴影区并网模式，本案例中要实现稳定大于800W功率的并网。

首先对恒压模式下的功率稳定度进行仿真分析，从3.2节的仿真结果可知，限流点数值40 A时，限压点不能大于30.7 V，否则会进入恒流模式。

因此选定限流点数值40 A，按照27.5 V-28.5 V-29 V-29.6 V-30.4 V步进变化的数值对限压点进行扫描仿真。

阳照区并网控制器无法输出功率，阴影区放电控制器和并网控制器并联工作为来访飞行器负载供电。