空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

2020-10-12武建文陈明轩侯欣宾朱立颖

宇航学报 2020年9期

邵阳，武建文，陈明轩,2，侯欣宾，朱立颖

(1. 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2. 北京新能源汽车股份有限公司，北京 100176; 3. 中国空间技术研究院，北京 100094；4. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

0 引言

随着世界环境问题的日益凸显及传统化石能源的日渐枯竭，清洁环保、分布广泛的太阳能得到了各国的普遍重视。空间太阳能电站(Space solar power station, SSPS)，是指在地球轨道上将太阳能进行有效收集、转化并传输到地面，进而转化为电能供地面使用的系统[1]。与地面光伏发电相比，空间太阳能电站光线稳定，不受季节、昼夜变化等影响，不会因大气削减，接收能量密度高，约为1353 W/m2，是地面平均光照功率的7～12倍[2]。因此空间太阳能非常适合大规模开发和利用，在未来的电网调度、军事无线供电、气象研究等领域具有重大潜在应用。目前国际上对于SSPS的研究处于研发初级阶段，一些发达国家和地区如美国[3-5]、日本[6-7]、欧盟[8]等已在此领域积极开展了设计和研究。与此同时，国内的中国空间技术研究院[9]、西安电子科技大学[10]、清华大学[11]、重庆大学[12]等对于SSPS的实施路线、OMEGA型SSPS聚光系统、综合传输与联合调度技术、空间无线传输、固态微波源等技术开展了研究。

文献[13]针对John C.Mankins设计的SSPS-ALPHA方案的不足提出了一种SSPS-OMEGA新型聚光系统设计方案。文献[15]对国际典型的空间太阳能电站概念方案进行了分析并创新性的提出了多旋转关节SSPS方案。文献[16]针对多旋转导电关节SSPS提出环形拓扑架构，并比较了MPPT算法、稳压控制、下垂稳压控制多种组合算法，解决了SSPS母线电压无法稳定的问题，但未考虑服务系统及储能的影响。

SSPS系统质量预计可达万吨级别，是国际空间站的100倍之多。由于空间发电站的结构与地面直流微电网相似，可借鉴地面微电网的能量管理及控制模式进行研究分析。但是出于体积、重量、功能等考虑，SSPS系统不能在母线侧配置足够容量的储能装置。因此，光伏发电站的功率变换器，既需要有处于维持直流母线电压稳定的电压源工作模式，也需要有处于维持功率平衡、跟踪功率指令的电流源工作模式。因此如何设计合理的SSPS系统电力传输拓扑架构、解决能量管理控制问题是推动空间技术跨越式发展的难点与核心技术。

当前国内外针对空间太阳能电站的研究，多集中在单一的发电侧或传输侧关键技术，对整体系统的拓扑架构、运行工况以及统一能量管理研究较少。因此，本文针对目前SSPS的轨道运行特点、太阳电池阵的技术特性、服务设备的布局及电力传输与供电管理需求，首先设计了分布式+集中式的系统拓扑架构，实现了各输出模块独立可靠、灵活可控，并根据此架构的能量流动关系，对SSPS的工作模式进行划分；然后提出了分层能源管理控制策略，从系统级、拓扑级及器件级三个层面对系统能量管理及控制策略进行分析；最后针对不同工作模式，搭建系统仿真模型并对结果进行分析，验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性。

1 SSPS系统拓扑架构及工作模式

1.1 SSPS系统拓扑架构设计

SSPS系统拓扑结构采用分布式+集中式电力传输与管理方式。分布式是指太阳电池阵由24个1兆瓦级别的太阳能电池分阵组成，每个分阵又由南北两侧方阵通过导电旋转关节构成一个独立旋转体。集中式是指24个太阳能电池分阵均通过主结构阵区的传输母线传输到发射天线阵区，进行能量的统一管理分配。具体拓扑架构如图1所示。

空间太阳能发电站系统分为三大阵区：太阳能电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区。

1)太阳电池阵区的主要功能是将电池子阵的电力通过导电旋转关节进行调节汇流，传输到主结构区的汇流母线。同时，部分电池子阵用于本阵区的相关服务系统设备的供电，并通过蓄电池存储部分电力用于系统在阴影区时的服务系统设备供电。

2)主结构电力传输区主要将太阳电池分阵输出的电能通过主母线传输到微波发射阵区，并分配部分电能用于主结构区的相关服务系统设备(包括电推力器)及蓄电池的供电。在阴影区时刻，由主结构区的蓄电池为服务系统设备供电。

3)发射天线阵区的主要功能是将主结构电力传输区输送的电能进行分配和调节，传输到微波发射天线模块的供电端，并分配一部分电力用于本区的相关服务系统设备的供电(包括电推力器)。同样，通过蓄电池储存的部分电力在阴影区时为本区服务系统设备供电。

相比于单纯的分布式或集中式拓扑方式，这种分布式+集中式的拓扑结构更加独立可靠，任何一个分阵出现故障只会降低相应传输功率，而不会影响整个供电母线工作。与此同时，分布式+集中式的拓扑结构只需经过短距离的输出即可实现电力调节和供电，减小了电力损耗，且南北电池分阵可进行功率的冗余重构，实现了拓扑架构的灵活可控。

1.2 SSPS系统工作模式划分

根据上节中各阵区的功能及能量传输关系，考虑太阳能电池阵的发电量与磁控管的消耗功率，合理地对SSPS系统进行工作模式划分，使SSPS系统的功率处于动态平衡。本节将空间站太阳能发电站系统工作模式划分为三类：最大功率点跟踪(MPPT)模式、跟踪功率指令模式、阴影区过渡模式。

图1 空间太阳能发电站电力拓扑结构图Fig.1 Space solar power station power topology diagram

1)由光伏电池的发电特性可知，太阳能电池分阵的输出呈非线性特点，且受到光照强度和温度等因素的影响，通过控制算法对功率变换器进行调节，使光伏电池阵工作在MPPT模式，最大限度的输出功率至磁控管，提高系统的发电效率。

2)当空间太阳能发电系统中负载端发生变化时，为满足SSPS系统的能量流动处于动态平衡，能量管理调度中心对发电功率指令做出相应调整，太阳能电池阵进入跟踪功率指令工作模式。

3)当空间发电站系统进入阴影区后，太阳能电池阵无功率输出，进入待机状态。SSPS系统无法为磁控管提供电能。此时，由蓄电池对相关服务系统设备进行供电，并维持母线电压稳定，此时储能单元处于放电状态。

根据SSPS系统三种工作模式的划分，分布式能源管理控制中心的控制流程图如图2所示。

2 SSPS能量管理及控制策略

针对提出的分布式+集中式空间太阳能电站拓扑结构，文中采用分层能源管理策略，将系统的管理控制分为：系统级、拓扑级、器件级三层，具体管理策略结构如图3所示。

图2 能源管理控制中心流程图Fig.2 Energy management control center flow chart

图3 SSPS分层控制策略结构图Fig.3 SSPS hierarchical control strategy structure

2.1 系统级综合能源管理

在空间太阳能发电站中，由系统级的综合能源管理器决定所有模块单元和负载的统一分配与调度。针对分层式能源管理策略，通过负载需求与发电能力特性的改变，达到电力的最佳分配，并充分考虑模块电源的设置与系统稳定性的关系，实现对每个拓扑级的分布式能源管理器的调度。

综合能源管理器接收24个太阳电池分阵中的分布式能源管理器上传的电压、电流、光照、温度、蓄电池、SOC、开关量、功率指令等信息，然后根据负载情况调度分配功率指令下传给24个太阳电池分阵，实现能源管理和控制。

2.2 拓扑级分布式能源管理

每一个太阳电池分阵构成一个独立的单一分布式系统，太阳电池分阵能源管理由拓扑级的分布式能源管理器实现。它既接收来自于DC/DC变换器的电压、电流、光照、温度、输出功率等信息，同时根据24 MW级别的能源综合管理器下发的功率指令，做出控制决策，下发给DC/DC变换器，决定系统中各个电力电子变换器的工作状态。

1 MW级别的太阳电池分阵结构示意图如图4所示，该太阳电池分阵中两个500 kW的太阳能电池南、北两侧方阵通过导电旋转关节、固态功率控制器SSPC、汇流单元汇流到5 kV主母线。该太阳电池分阵还包括相应服务系统设备、储能单元、相应电力电子变换器以及分布式能源管理器。

2.3 器件级变换器管理

电力电子器件级的控制器主要包含光伏侧的单向DC/DC变换器、蓄电池侧的双向DC/DC变换器以及服务系统降压变换器。

光伏侧的单向DC/DC变换器是一个Boost升压电路，通过控制开关管的占空比，使光伏子阵工作在MPPT模式或恒压模式。光伏侧DC/DC控制原理如图5所示。

其中MTTP的实现采用的是P&O扰动观察法。首先假设太阳能电池分阵工作在某一给定工作点，然后对系统施加扰动，获取此状态下的功率输出值，同时与给定工作点进行比较，若此次扰动使输出功率增加，则继续施加该方向的扰动，否则改变扰动方向，直到满足结束条件，找到此环境条件下的最大功率点。

与此同时，为了维持系统母线电压稳定，将预留一部分太阳能电池阵做稳压控制，采用下垂控制策略，光伏侧输出电压Uo和输出电流io为控制器输入，输出电流io乘以下垂系数k后，与参考电压Uref作比较，再与Uo作差，经过电压外环PI控制器，然后与电感电流iL作差，经过电流内环PI控制器后，生成占空比d控制功率变换器，从而实现母线电压的稳定控制，具体控制原理如图6所示。

储能单元侧的双向DC/DC变换器由Boost电路和Buck电路结合组成，当SSPS系统在阴影区时，母线电压跌落且蓄电池的荷电状态SOC(用来反应电池的剩余容量状况的物理量，其数值定义为电池剩余容量占电池总容量的比值)处于正常范围内，此时双向DC/DC变换器工作在Boost升压模式，支撑母线电压同时给服务系统设备供电；当蓄电池的荷电状态SOC低于下限或太阳能电池阵在满足磁控管和服务系统之余仍有多余电力时，双向DC/DC变换器工作在Buck模式，蓄电池处于充电状态。具体控制示意图如图7所示。

图4 拓扑及分布式能源管理控制结构示意图Fig.4 Topology and distributed energy management control structure diagram

太阳能阵区的服务系统侧包含与小部分为其供电的太阳能子阵相连接的单向DC/DC变换器、与储能单元相连接的双向DC/DC变换器，还包括一些弱电负载，如控制系统的设备、热控设备、信息管理设备等，这些弱电负载通过两级Buck降压变换器与发电单元相连接。这些变换器的控制方式与上述单向

图5 光伏侧DC/DC控制示意图Fig.5 Schematic diagram of DC/DC control on the photovoltaic side

图6 下垂控制原理框图Fig.6 Droop control block diagram

图7 储能侧双向DC/DC控制示意图Fig.7 Schematic diagram of bidirectional DC/DC control on the energy storage side

DC/DC、双向DC/DC相同，不再赘述。

主结构阵区和微波发射阵区的服务系统与太阳阵区的服务系统相比，除电推进部分外，结构大致相同。以主结构阵区的服务系统为例，结构图如图8所示。

图8 主结构区服务系统结构示意图Fig.8 Schematic diagram of the service system structure of the main structure area

3 仿真校验

基于前文提出的分布式+集中式SSPS系统拓扑架构、工作模式划分及分层式能源管理控制策略，文中利用Simscape Power Systems工具箱在Matlab/Simulink环境下搭建大功率空间太阳能发电站电能管理仿真系统框架，结构如图9所示。

该仿真系统主要包括主功率环节及服务系统两大部分。其中主功率环节的主要功能是完成功率的输出和转化，光伏电池阵升压变换器完成MPPT及稳压控制；服务系统包含电推进及一些弱电负载(包括控制系统的设备、热控设备、信息管理设备等)，并配备一定容量的储能装置，主要用于在阴影区太阳阵无法对日定向时为服务系统供电，维持系统的基本运行。

图9 SSPS系统仿真架构图Fig.9 SSPS system simulation architecture diagram

3.1 MPPT工作模式仿真

光伏子阵的输出呈非线性，并且受到光照强度和温度等因素的影响，因此可以通过调节系统的负载特性，保证系统在温度或者光照强度改变时能够始终以最大功率输出。

MPPT状态下光伏阵列应该输出其当前环境对应的最大功率值。设置系统参数(光照强度、温度、开路电压、短路电流等)，对太阳阵区进行MPPT及稳压控制，光伏阵在不同环境下的实际输出功率值应该与理论最大功率值相等，这也是该模式中仿真结果是否合理准确的判断标准。

MPPT工作模式设置三组对照仿真试验，3组试验仿真参数如表1所示，Boost参数设置如表2所示。

表2 Boost电路仿真参数值Table 2 Boost circuit simulation parameter setting

仿真试验1与试验2的对照仿真结果如图10、图11、图12所示。其中图10为SSPS系统分别在光照强度为1000 W/m2、1100 W/m2时的理论最大输出功率。仿真结果表明，随着光照强度的增加，光伏阵的最大功率点随之增大，符合不同光照强度下的光伏电池P-U特性曲线。

图10 MPPT模式中改变光强系统最大输出功率图Fig.10 Theoretical maximum output power diagram of the system under changing light intensity in MPPT mode

图11为SSPS系统分别在光照强度为1000 W/m2、1100 W/m2时的实际输出功率。仿真结果与图11对比可知，在各自条件下，光伏的输出功率和最大功率设定值保持一致，实现了最大功率点跟踪。

图11 MPPT模式中改变光强系统实际输出功率图Fig.11 Actual output power graph of the system under changing light intensity in MPPT mode

图12为SSPS系统分别在光照强度为1000 W/m2、1100 W/m2时的母线电压。仿真结果表明，系统母线电压始终维持在5000 V，不受光照强度变化影响，系统实现稳定运行。

图12 MPPT模式中改变光强系统母线电压图Fig.12 Bus voltage diagram of the system under changing light intensity in MPPT mode

仿真试验1与试验3的对照仿真结果如图13、图14、图15所示。其中图13为SSPS系统分别在温度为25 ℃、50 ℃时的理论最大输出功率。仿真结果表明，随着温度的增加，光伏阵的最大功率点随之减小，符合不同温度下的光伏电池P-U特性曲线。

图13 MPPT模式中改变温度系统最大输出功率图Fig.13 The theoretical maximum output power diagram of the system under changing temperature in MPPT mode

图14为SSPS系统分别在温度为25 ℃、50 ℃时的实际输出功率。仿真结果与图13对比可知，在各自条件下，光伏的输出功率和最大功率设定值保持一致，实现了最大功率点跟踪。

图14 MPPT模式中改变温度系统实际输出功率图Fig.14 Actual output power graph of the system under changing temperature in MPPT mode

图15为SSPS系统分别在温度为25 ℃、50 ℃时的母线电压。仿真结果表明，系统母线电压始终维持在5000 V，不受温度变化影响，系统实现稳定。

图15 MPPT模式中改变温度系统母线电压图Fig.15 Bus voltage diagram of the system under changing temperature in MPPT mode

由三组仿真试验对照结果可以看出，光伏的实际输出功率和理论最大功率值保持一致，母线电压维持在5000 V，证明MPPT仿真模型及控制算法的有效性。

3.2 跟踪功率指令工作模式仿真

空间太阳能电站系统对给定的功率指令信号应该实现快速稳定的跟踪，同时维持母线电压的稳定。在本次仿真中，可以对前后功率指令的大小及指令变换时间参数进行设置。进行仿真后，实际输出功率是否能快速有效地跟踪给定的功率指令是本仿真是否合理准确的判断标准。

跟踪功率指令工作模式设置两组对照仿真试验，具体仿真参数如表3所示。

表3 跟踪功率指令工作模式仿真参数设置Table 3 Tracking power command working mode simulation parameter setting

图16为仿真试验1和试验2的功率指令仿真结果，图17为试验1和试验2的实际功率输出仿真结果，通过对比两图可知，实际输出功率可实现对预设功率指令的快速跟踪，且通过图18可知，两试验的母线电压始终维持在5000 V，从而检验了模型及控制策略的有效性。

图16 跟踪功率指令模式功率指令仿真结果图Fig.16 Power command simulation result graph in tracking power command mode

图17 跟踪功率指令模式实际输出仿真结果图Fig.17 Actual power output simulation result graph in tracking power command mode

图18 跟踪功率指令模式母线电压仿真结果图Fig.18 Bus voltage simulation result graph in tracking power command mode

3.3 阴影区过渡工作模式仿真

阴影区过渡工作模式重点针对SSPS服务系统的运行状态进行仿真模拟。通过设置光照强度的变化，实现从光照区向阴影区转换的过程，光照区下，服务系统主要由太阳阵负责能量供给，而阴影区时，服务系统相关设备由蓄电池单独带载。

本次仿真通过设置在0.3 s时刻，由正常光照强度为1000 W/m2过渡到阴影区光照强度为10 W/m2(实际中阴影区光照接近于0，此参数仅为仿真设置)的仿真结果，重点关注蓄电池的荷电状态SOC由光照区向阴影区的变化过程、母线电压的稳定状况，以及经过两级Buck电路的降压，服务系统弱电负载端的电压情况。具体仿真参数如表4所示。