適用于分布式宇航電源系統(tǒng)的電源控制器研究

何 雄，陳永剛，王 力，司雪圓，吳建超

（1.北京衛(wèi)星制造廠(chǎng)有限公司，北京 100190；2.北京市空間電源變換與控制工程研究中心，北京 100190）

隨著航天科技的發(fā)展，航天器對(duì)電源系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，電源控制器PCU（power conditioning unit）作為宇航電源系統(tǒng)的核心設(shè)備，對(duì)構(gòu)建大功率、低成本的電源系統(tǒng)意義重大。然而由于宇航元器件應(yīng)力、大功率匯流以及集中散熱等因素極大限制了集中式宇航電源系統(tǒng)功率等級(jí)的擴(kuò)展，無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)航天任務(wù)日益增長(zhǎng)的功率需求，國(guó)內(nèi)外宇航工作者基于模塊化、分布式思想對(duì)PCU 開(kāi)展了一系列研究[1-3]。

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和成本因素的提升，TAS 公司基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和分布式的思想，在繼承第三代PCU（Space-Bus 4000）優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，在總體功率水平和操作模式方面進(jìn)一步開(kāi)展新一代通信衛(wèi)星PCU 研究[4]。歐空局ESA 針對(duì)ROSETTA、MARS等深空探測(cè)任務(wù)，研究了一種基于最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）的電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)集中式方法，采用模塊化、分布式系統(tǒng)架構(gòu)，提高了系統(tǒng)的故障容限能力[5]。國(guó)產(chǎn)PCU主要由中國(guó)航天八院811 所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司18 所和513 所等廠(chǎng)所研制，此外還有一些高校如南京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及北京交通大學(xué)等對(duì)PCU 開(kāi)展了大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和新技術(shù)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]提出了一種面向百千瓦級(jí)的超大功率分布式可重構(gòu)衛(wèi)星電源系統(tǒng)，為未來(lái)航天器能源系統(tǒng)建設(shè)提供了新思路；文獻(xiàn)[7]針對(duì)一種順序開(kāi)關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器S3MPR（sequential switching shunt maximumpowerpointregulator），設(shè)計(jì)出一種基于交錯(cuò)擾動(dòng)方法的MPPT 控制算法，提高了系統(tǒng)的效率，增加了MPPT 響應(yīng)速度；文獻(xiàn)[8]將傳統(tǒng)PCU 中光伏電池調(diào)節(jié)器和蓄電池充電/放電調(diào)節(jié)器集成在一個(gè)三端口變換器中，減少了PCU 體積和重量；文獻(xiàn)[9]基于這種新型的PCU 集成模塊提出該模塊在兩種不同續(xù)流方式時(shí)的控制策略，但這種方式下一個(gè)PCU 集成模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)光伏電池和一個(gè)蓄電池，靈活性較差，不利于分布式電源系統(tǒng)建設(shè)；文獻(xiàn)[10]通過(guò)逐級(jí)調(diào)壓和限流充電兩種模式實(shí)現(xiàn)分布式電源系統(tǒng)中蓄電池充電控制，該方式通過(guò)逐級(jí)減少浮充電壓與蓄電池端電壓之差來(lái)降低蓄電池的過(guò)充電壓和過(guò)充電流，一定程度上延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，但該方式中充電電壓差值的合理選擇難度較大，如差值太大則達(dá)不到防止過(guò)沖的效果，而差值太小又會(huì)增加蓄電池充電時(shí)長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)空間能量的充分利用以及控制方式的簡(jiǎn)單可靠，本文提出一種適用于分布式宇航電源系統(tǒng)的PCU（簡(jiǎn)稱(chēng)“分布式PCU”）及功率調(diào)節(jié)技術(shù)，并搭建了仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)理論分析進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

1 分布式PCU 拓?fù)浼夹g(shù)

與集中式航天器電源系統(tǒng)相比，分布式航天器電源系統(tǒng)具有功率等級(jí)易拓展和支持在軌維修維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，且分布式電源系統(tǒng)可根據(jù)載荷、光照以及航天器軌道、姿態(tài)等因素配置一次電源，極大地減少了因集中供電或供電線(xiàn)路過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的線(xiàn)路損耗，從而降低系統(tǒng)熱耗，提高系統(tǒng)效率[11-15]。分布式宇航電源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分布式宇航電源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture of distributed aerospace power supply system

與集中式航天器電源系統(tǒng)中PCU 拓?fù)浣M成相比，本文采用的分布式PCU 通過(guò)一種變換器實(shí)現(xiàn)光伏電池和蓄電池的功率調(diào)節(jié)，而變換器種類(lèi)、數(shù)量的減少進(jìn)一步提高了航天器電源系統(tǒng)的可靠性，避免了不同變換器對(duì)母線(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)控制與分域控制，其分布式PCU 拓?fù)浣M成如圖2 所示，電路拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖2 分布式PCU 拓?fù)浣M成框圖Fig.2 Block diagram of topology of distributed PCU

圖3 分布式PCU 電路拓?fù)銯ig.3 Circuit topology of distributed PCU

目前航天器主流光伏電池片多采用三結(jié)砷化鎵電池片，由于其結(jié)電容較大，光伏電池片端口會(huì)存在一個(gè)大小約為500～600 μF 的電容，但本文所采用的光伏調(diào)節(jié)器（SAR）是通過(guò)DC/DC 變換器接入母線(xiàn)，與傳統(tǒng)分流調(diào)節(jié)器連接形式不同，對(duì)于分布式PCU 而言，其輸入電容越大濾波效果越好，輸入電源越接近恒壓源，變換器輸出越穩(wěn)定。本文在進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，因考慮極限情況可忽略此電容，當(dāng)然實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，必須增加浪涌電路對(duì)分布式PCU 啟動(dòng)瞬間進(jìn)行保護(hù)。

由圖3 可知，分布式PCU 由帶有輸入濾波電路的SAR 以及開(kāi)關(guān)管和二極管組成的蓄電池調(diào)節(jié)單元兩部分組成。為保證光伏電池輸出電流連續(xù)，需在SAR 前端增加濾波器，則變換器開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)Gv為

式中：D 為占空比；L 和C 分別為變換器輸出電感和電容；Lin、Cin、Cd和Rd分別為輸入濾波器的電感、電容和阻尼電阻。

隨光照強(qiáng)度和負(fù)載的變化，分布式PCU 工作于不同模式，且不同模式下PCU 開(kāi)關(guān)狀態(tài)、功率流向不同，如圖4 所示。圖4（a）表示光伏電池單獨(dú)給負(fù)載供電，光伏電池通過(guò)變換器將捕獲能量傳輸給負(fù)載，能量流動(dòng)方向?yàn)閺墓夥姵刂霖?fù)載；圖4（b）表示光伏電池和蓄電池一起給負(fù)載供電，能量流動(dòng)方向?yàn)閺墓夥姵氐截?fù)載和從蓄電池到負(fù)載共兩條通路；圖4（c）表示蓄電池單獨(dú)給負(fù)載供電，能量流動(dòng)方向?yàn)閺男铍姵氐截?fù)載；圖4（d）表示光伏電池通過(guò)變換器和充電開(kāi)關(guān)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，能量流動(dòng)方向?yàn)閺墓夥姵氐叫铍姵亍?/p>

圖4 分布式PCU 功率流向分析Fig.4 Power flow analysis of distributed PCU

2 分布式PCU 功率調(diào)節(jié)技術(shù)

航天器在軌飛行過(guò)程中，光伏電池發(fā)電量和負(fù)載用電量在不斷變化。為始終實(shí)現(xiàn)光伏電池、蓄電池和負(fù)載之間功率平衡，保證航天器電源系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，本文采用一種基于單個(gè)變換器的分時(shí)多模式功率調(diào)節(jié)技術(shù)，其控制框圖見(jiàn)圖5，其中系統(tǒng)控制邏輯共分為4 部分：嵌套下垂法的母線(xiàn)恒壓、蓄電池恒流充電、蓄電池恒壓充電及MPPT。

圖5 分布式PCU 控制框圖Fig.5 Control block diagram of distributed PCU

（1）嵌套下垂法的母線(xiàn)恒壓控制（簡(jiǎn)稱(chēng)母線(xiàn)恒壓控制）。當(dāng)光伏發(fā)電能力大于負(fù)載和蓄電池充電之和時(shí)，分布式PCU 進(jìn)入母線(xiàn)恒壓控制，母線(xiàn)電壓存在微小變動(dòng)范圍，從而實(shí)現(xiàn)下垂均流控制。母線(xiàn)恒壓控制下，經(jīng)調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后電流、電壓開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可表示為

式中：K 為電流反饋系數(shù)；Vin為輸入電壓；Kpc為電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；τc為電流調(diào)節(jié)器時(shí)間系數(shù)；Vm為載波峰值。

式中：H 為電壓反饋系數(shù)；Kpv為電壓調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；τv為電壓調(diào)節(jié)器時(shí)間系數(shù)。

（2）蓄電池恒流-恒壓充電控制。當(dāng)光照充足時(shí)，接通充電開(kāi)關(guān)，分布式PCU 根據(jù)蓄電池充電電流和充電電壓指令給負(fù)載供電的同時(shí)按照先恒流再恒壓的方式給蓄電池充電直至蓄電池充滿(mǎn)，關(guān)閉充電開(kāi)關(guān)，整個(gè)過(guò)程中母線(xiàn)電壓由蓄電池嵌位。由圖5可知，通過(guò)一取小值邏輯可實(shí)現(xiàn)恒壓充電和恒流充電的自動(dòng)切換，在恒壓充電控制下，電流環(huán)斷開(kāi)，在恒流充電控制下，電壓控制環(huán)開(kāi)環(huán)，從而保證蓄電池恒流完成后自主切換至恒壓涓流充電。

（3）MPPT 控制。當(dāng)光伏電池發(fā)電能力小于負(fù)載需求時(shí)，分布式PCU 采用增量電導(dǎo)法計(jì)算出當(dāng)前光照下最大功率點(diǎn)下的電壓值，作為給定信號(hào)送入控制環(huán)路，實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率跟蹤。該模式下母線(xiàn)電壓由蓄電池電壓嵌位，光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)，與蓄電池一起給負(fù)載供電。經(jīng)調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后MPPT 開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

式中：B 為輸入電壓反饋系數(shù)；Kpvm為MPPT 模式下輸入電壓調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；τvm為MPPT 模式下輸入電壓調(diào)節(jié)器時(shí)間系數(shù)；Vo輸出電壓；Vsa為輸入電壓；Cin為輸入電容；η 變換器效率。

（4）邏輯判斷包括蓄電池恒流充電和恒壓充電切換的控制邏輯判斷1 以及3 種模式切換的控制邏輯判斷2?？刂七壿嬇袛? 判斷蓄電池處于恒流充電還是恒壓充電，控制邏輯判斷2 通過(guò)設(shè)置最小值電路判斷分布式PCU 實(shí)際工作模式。

為保證分布式PCU 在不同工作模式下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根據(jù)圖5 得出圖6 分布式PCU 母線(xiàn)恒壓、蓄電池充電以及MPPT 模式下的詳細(xì)原理框圖，如圖6 所示，并據(jù)此對(duì)各個(gè)模式下分布式PCU 控制環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。結(jié)合式（2）～式（4）得出分布式PCU在母線(xiàn)恒壓控制模式、蓄電池充電模式以及MPPT 模式下的伯德圖。

圖6 分布式PCU 母線(xiàn)恒壓、蓄電池充電以及MPPT控制框圖Fig.6 Block diagrams of bus constant-voltage control,battery charging control,and MPPT control for distributed PCU

母線(xiàn)恒壓控制下環(huán)伯德圖如圖7 所示，由圖可知，合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器Gc1和Gc5參數(shù)可保證分布式PCU 在母線(xiàn)恒壓控制下具有較大的相位裕度，其中電流控制環(huán)相位裕度為67.5°，電壓控制環(huán)相位裕度為65°，滿(mǎn)足宇航電源系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。在蓄電池充電控制中，通過(guò)取小值邏輯可實(shí)現(xiàn)蓄電池充電電壓控制和充電電流控制切換。恒流充電時(shí)，電壓控制環(huán)斷開(kāi)，此時(shí)控制方式近似于圖7（a）；同理恒壓充電時(shí)，充電電流環(huán)斷開(kāi)，此時(shí)控制方式近似于圖7（b），其系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)參考母線(xiàn)恒壓控制。

圖7 電流控制和電壓控制下的伯德圖Fig.7 Bode diagrams under current control and voltage control

圖8 給出在MPPT 控制下，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后系統(tǒng)光伏電池板伯德圖，通過(guò)合理進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，可保證光伏電池電壓具有較大的相位和增益裕度（70°）滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。

圖8 MPPT 控制下伯德圖Fig.8 Bode diagram under MPPT control

由上文分析可知，分布式PCU 各個(gè)控制策略是相互獨(dú)立的，同一時(shí)刻一個(gè)分布式PCU 只能工作于一個(gè)模式，下文對(duì)多臺(tái)分布式PCU 組網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，不同分布式PCU 工作于不同模式下電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行闡述。假如1 臺(tái)或幾臺(tái)分布式PCU進(jìn)入MPPT 模式，由于MPPT 控制屬于功率控制，可與系統(tǒng)中其他恒壓源、電流源一起并聯(lián)使用，此時(shí)電源系統(tǒng)中需要有1 臺(tái)或多臺(tái)PCU 工作于恒壓模式或蓄電池放電模式，以維持母線(xiàn)電壓；如果出現(xiàn)兩個(gè)及以上分布式PCU 工作于恒壓模式，考慮到本文采用的母線(xiàn)電壓控制策略中嵌套了下垂法，因此在多臺(tái)分布式PCU 并聯(lián)運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)下垂曲線(xiàn)自動(dòng)均流。當(dāng)光伏電池能量不足時(shí)，蓄電池通過(guò)輸出隔離二極管給母線(xiàn)供電，使電源系統(tǒng)處于半調(diào)節(jié)母線(xiàn)狀態(tài)，此時(shí)母線(xiàn)電壓由蓄電池端電壓控制，可保證母線(xiàn)電壓穩(wěn)定。因此本文采用的分布式PCU功率調(diào)節(jié)策略支持多臺(tái)設(shè)備組網(wǎng)運(yùn)行，構(gòu)建穩(wěn)定的分布式航天器電源系統(tǒng)。此外，為保證分布式PCU的可靠性和穩(wěn)定性，可設(shè)計(jì)緩啟動(dòng)策略保證分布式PCU 平穩(wěn)接入，減小并網(wǎng)接入時(shí)母線(xiàn)電壓的沖擊。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真驗(yàn)證

采用PSIM 軟件對(duì)分布式PCU 的4 種工作模式進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)為：蓄電池端電壓為92～98 V，光伏電池陣開(kāi)路電壓為130 V，短路電流為5 A，最大功率點(diǎn)為（104 V，4.8 A），輸出母線(xiàn)電壓為100～102 V（母線(xiàn)恒壓模式下），負(fù)載額定功率為500 W。仿真波形如圖9～圖11 所示。其中，圖9 為母線(xiàn)恒壓模式下負(fù)載突變仿真波形，從上到下依次為母線(xiàn)電壓U0、主誤差信號(hào)Vmea和負(fù)載電流I0；圖10 為蓄電池充電模式下仿真波形，從上到下依次為蓄電池端電壓U0、蓄電池充電電流Ichar和輸出電流I0波形；圖11為MPPT 模式下仿真波形，從上到下依次為MPPT功率PPV、蓄電池放電電流Idisch和母線(xiàn)電壓U0波形。

圖9 恒壓模式下負(fù)載突減仿真波形Fig.9 Simulation waveforms in constant-voltage mode and under sudden load drop

圖10 蓄電池充電模式下仿真波形Fig.10 Simulation waveforms in battery charging mode

圖11 MPPT 模式下仿真波形Fig.11 Simulation waveforms in MPPT mode

由圖9 可知，當(dāng)負(fù)載由500 W 突減至50 W（10%額定負(fù)載）時(shí)，母線(xiàn)電壓由100 V 變?yōu)?02 V，由于嵌套下垂法，母線(xiàn)電壓會(huì)略微上升但仍滿(mǎn)足PCU 輸出電壓要求。由圖10 可知，分布式PCU 在0.5～0.8 s 之間進(jìn)行恒流充電，電流指令1～5 A 步進(jìn)可調(diào)，0.8 s 后轉(zhuǎn)入恒壓充電，蓄電池端電壓維持設(shè)定值98 V。由圖11 可知，經(jīng)過(guò)0.25 s 跟蹤后，光伏電池陣輸出最大功率，且蓄電池放電電流隨光伏電池陣輸出功率的增加而逐步減少，母線(xiàn)電壓等于蓄電池端電壓92 V。上述仿真結(jié)果符合理論分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分布式PCU 拓?fù)浼捌涔β收{(diào)節(jié)技術(shù)的正確性，本文研制了2 臺(tái)500 W 分布式PCU 原理樣機(jī)，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 分布式PCU 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of distributed PCU

（1）由圖12 可知，恒壓模式下，分布式PCU 初始電壓為100 V，負(fù)載突減至200 W，輸出母線(xiàn)出現(xiàn)峰值為5.6 V 的電壓上沖，經(jīng)過(guò)25 ms 后，母線(xiàn)電壓穩(wěn)定到101 V，下一時(shí)刻負(fù)載由200 W 突增為500 W，母線(xiàn)電壓出現(xiàn)峰值為-8.4 V 的負(fù)電壓下沖，經(jīng)25 ms 后，母線(xiàn)電壓穩(wěn)定到100 V，電壓電流波形變化趨勢(shì)符合理論分析，證明母線(xiàn)恒壓控制有效。

圖12 恒壓模式下負(fù)載突減實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveforms in constant-voltage mode and under sudden load drop

（2）由圖13 可知，在蓄電池恒流充電控制下，充電電流保持1.93 A（設(shè)定值為2 A）不變，當(dāng)切換蓄電池模擬阻抗使分布式PCU 進(jìn)入恒壓充電模式后，充電電壓由80 V 變?yōu)?00 V（恒壓設(shè)計(jì)值），證明蓄電池充電控制有效。

圖13 蓄電池充電波形Fig.13 Waveforms in battery charging mode

（3）由圖14 可知，在MPPT 控制環(huán)下，經(jīng)過(guò)約4 s跟蹤時(shí)間，光伏電池陣輸出電流由0 A 逐漸變?yōu)?.5 A（峰值電流設(shè)定值為4.8 A），并最終穩(wěn)定輸出，由此可知，在MPPT 控制模式下，分布式PCU 使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)，證明MPPT 控制有效。

圖14 MPPT 模式下輸出電壓、電流波形Fig.14 Waveforms of output voltage and current in MPPT mode

為進(jìn)一步驗(yàn)證分布式PCU 在組網(wǎng)狀態(tài)下，不同PCU 工作情況及其分布式PCU 接入、退出時(shí)對(duì)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，本文采用2 臺(tái)分布式PCU樣機(jī)進(jìn)行了并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15 所示。

由圖15（a）可見(jiàn)，分布式PCU1 工作于MPPT模式，母線(xiàn)電壓為100 V，電流為4.5 A，發(fā)送分布式PCU2 開(kāi)機(jī)指令，5 s 后，分布式PCU2 平穩(wěn)接入電源系統(tǒng)并與分布式PCU1 并聯(lián)運(yùn)行，分布式PCU2 輸出電流為4.4 A，總輸出電流為8.9 A，由圖可知，接入時(shí)電壓波動(dòng)很小，表明PCU2 接入正常。由圖15（b）可知，分布式PCU1 與PCU2 并聯(lián)運(yùn)行，發(fā)送分布式PCU2 斷開(kāi)指令，PCU2 迅速退出網(wǎng)絡(luò)，分布式PCU1 仍保持穩(wěn)定狀態(tài)，表明分布式PCU2退出可靠。

圖15 分布式PCU2 接入和退出時(shí)電壓、電流波形Fig.15 Voltage and current waveforms during the access or exit of distributed PCU2

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種分布式PCU 及其功率調(diào)節(jié)技術(shù)，并對(duì)分布式PCU 拓?fù)浣M成和工作模式進(jìn)行了全面分析，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提的分布式PCU 及其功率調(diào)節(jié)技術(shù)的正確性，為未來(lái)大功率宇航電源系統(tǒng)構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。