适用于分布式宇航电源系统的电源控制器研究

2022-10-13陈永刚司雪圆吴建超

电源学报 2022年5期

何雄，陈永刚，王力，司雪圆，吴建超

（1.北京卫星制造厂有限公司，北京 100190；2.北京市空间电源变换与控制工程研究中心，北京 100190）

随着航天科技的发展，航天器对电源系统的要求越来越高，电源控制器PCU（power conditioning unit）作为宇航电源系统的核心设备，对构建大功率、低成本的电源系统意义重大。然而由于宇航元器件应力、大功率汇流以及集中散热等因素极大限制了集中式宇航电源系统功率等级的扩展，无法满足未来航天任务日益增长的功率需求，国内外宇航工作者基于模块化、分布式思想对PCU 开展了一系列研究[1-3]。

近年来，随着经济和成本因素的提升，TAS 公司基于标准化、模块化和分布式的思想，在继承第三代PCU（Space-Bus 4000）优势的基础上，在总体功率水平和操作模式方面进一步开展新一代通信卫星PCU 研究[4]。欧空局ESA 针对ROSETTA、MARS等深空探测任务，研究了一种基于最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）的电源系统，该系统摒弃传统集中式方法，采用模块化、分布式系统架构，提高了系统的故障容限能力[5]。国产PCU主要由中国航天八院811 所、中国电子科技集团公司18 所和513 所等厂所研制，此外还有一些高校如南京航空航天大学、哈尔滨工业大学以及北京交通大学等对PCU 开展了大量科学实验和新技术验证。文献[6]提出了一种面向百千瓦级的超大功率分布式可重构卫星电源系统，为未来航天器能源系统建设提供了新思路；文献[7]针对一种顺序开关分流最大功率调节器S3MPR（sequential switching shunt maximumpowerpointregulator），设计出一种基于交错扰动方法的MPPT 控制算法，提高了系统的效率，增加了MPPT 响应速度；文献[8]将传统PCU 中光伏电池调节器和蓄电池充电/放电调节器集成在一个三端口变换器中，减少了PCU 体积和重量；文献[9]基于这种新型的PCU 集成模块提出该模块在两种不同续流方式时的控制策略，但这种方式下一个PCU 集成模块对应一个光伏电池和一个蓄电池，灵活性较差，不利于分布式电源系统建设；文献[10]通过逐级调压和限流充电两种模式实现分布式电源系统中蓄电池充电控制，该方式通过逐级减少浮充电压与蓄电池端电压之差来降低蓄电池的过充电压和过充电流，一定程度上延长了蓄电池的使用寿命，但该方式中充电电压差值的合理选择难度较大，如差值太大则达不到防止过冲的效果，而差值太小又会增加蓄电池充电时长。为了实现空间能量的充分利用以及控制方式的简单可靠，本文提出一种适用于分布式宇航电源系统的PCU（简称“分布式PCU”）及功率调节技术，并搭建了仿真和实验平台，对理论分析进行技术验证。

1 分布式PCU 拓扑技术

与集中式航天器电源系统相比，分布式航天器电源系统具有功率等级易拓展和支持在轨维修维护等优势，且分布式电源系统可根据载荷、光照以及航天器轨道、姿态等因素配置一次电源，极大地减少了因集中供电或供电线路过长导致的线路损耗，从而降低系统热耗，提高系统效率[11-15]。分布式宇航电源系统架构如图1 所示。

图1 分布式宇航电源系统架构Fig.1 Architecture of distributed aerospace power supply system

与集中式航天器电源系统中PCU 拓扑组成相比，本文采用的分布式PCU 通过一种变换器实现光伏电池和蓄电池的功率调节，而变换器种类、数量的减少进一步提高了航天器电源系统的可靠性，避免了不同变换器对母线的竞争控制与分域控制，其分布式PCU 拓扑组成如图2 所示，电路拓扑如图3 所示。

图2 分布式PCU 拓扑组成框图Fig.2 Block diagram of topology of distributed PCU

图3 分布式PCU 电路拓扑Fig.3 Circuit topology of distributed PCU

目前航天器主流光伏电池片多采用三结砷化镓电池片，由于其结电容较大，光伏电池片端口会存在一个大小约为500～600 μF 的电容，但本文所采用的光伏调节器（SAR）是通过DC/DC 变换器接入母线，与传统分流调节器连接形式不同，对于分布式PCU 而言，其输入电容越大滤波效果越好，输入电源越接近恒压源，变换器输出越稳定。本文在进行系统稳定性设计时，因考虑极限情况可忽略此电容，当然实际工程应用时，必须增加浪涌电路对分布式PCU 启动瞬间进行保护。

由图3 可知，分布式PCU 由带有输入滤波电路的SAR 以及开关管和二极管组成的蓄电池调节单元两部分组成。为保证光伏电池输出电流连续，需在SAR 前端增加滤波器，则变换器开环传递函数Gv为

式中：D 为占空比；L 和C 分别为变换器输出电感和电容；Lin、Cin、Cd和Rd分别为输入滤波器的电感、电容和阻尼电阻。

随光照强度和负载的变化，分布式PCU 工作于不同模式，且不同模式下PCU 开关状态、功率流向不同，如图4 所示。图4（a）表示光伏电池单独给负载供电，光伏电池通过变换器将捕获能量传输给负载，能量流动方向为从光伏电池至负载；图4（b）表示光伏电池和蓄电池一起给负载供电，能量流动方向为从光伏电池到负载和从蓄电池到负载共两条通路；图4（c）表示蓄电池单独给负载供电，能量流动方向为从蓄电池到负载；图4（d）表示光伏电池通过变换器和充电开关对蓄电池进行充电，能量流动方向为从光伏电池到蓄电池。

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

2 分布式PCU 功率调节技术

航天器在轨飞行过程中，光伏电池发电量和负载用电量在不断变化。为始终实现光伏电池、蓄电池和负载之间功率平衡，保证航天器电源系统输出功率稳定，本文采用一种基于单个变换器的分时多模式功率调节技术，其控制框图见图5，其中系统控制逻辑共分为4 部分：嵌套下垂法的母线恒压、蓄电池恒流充电、蓄电池恒压充电及MPPT。

图5 分布式PCU 控制框图Fig.5 Control block diagram of distributed PCU

（1）嵌套下垂法的母线恒压控制（简称母线恒压控制）。当光伏发电能力大于负载和蓄电池充电之和时，分布式PCU 进入母线恒压控制，母线电压存在微小变动范围，从而实现下垂均流控制。母线恒压控制下，经调节器补偿后电流、电压开环传递函数可表示为

式中：K 为电流反馈系数；Vin为输入电压；Kpc为电流调节器比例系数；τc为电流调节器时间系数；Vm为载波峰值。

式中：H 为电压反馈系数；Kpv为电压调节器比例系数；τv为电压调节器时间系数。

（2）蓄电池恒流-恒压充电控制。当光照充足时，接通充电开关，分布式PCU 根据蓄电池充电电流和充电电压指令给负载供电的同时按照先恒流再恒压的方式给蓄电池充电直至蓄电池充满，关闭充电开关，整个过程中母线电压由蓄电池嵌位。由图5可知，通过一取小值逻辑可实现恒压充电和恒流充电的自动切换，在恒压充电控制下，电流环断开，在恒流充电控制下，电压控制环开环，从而保证蓄电池恒流完成后自主切换至恒压涓流充电。

（3）MPPT 控制。当光伏电池发电能力小于负载需求时，分布式PCU 采用增量电导法计算出当前光照下最大功率点下的电压值，作为给定信号送入控制环路，实现光伏电池最大功率跟踪。该模式下母线电压由蓄电池电压嵌位，光伏电池始终工作在最大功率点，与蓄电池一起给负载供电。经调节器补偿后MPPT 开环传递函数为

式中：B 为输入电压反馈系数；Kpvm为MPPT 模式下输入电压调节器比例系数；τvm为MPPT 模式下输入电压调节器时间系数；Vo输出电压；Vsa为输入电压；Cin为输入电容；η 变换器效率。

（4）逻辑判断包括蓄电池恒流充电和恒压充电切换的控制逻辑判断1 以及3 种模式切换的控制逻辑判断2。控制逻辑判断1 判断蓄电池处于恒流充电还是恒压充电，控制逻辑判断2 通过设置最小值电路判断分布式PCU 实际工作模式。

为保证分布式PCU 在不同工作模式下系统的稳定性，根据图5 得出图6 分布式PCU 母线恒压、蓄电池充电以及MPPT 模式下的详细原理框图，如图6 所示，并据此对各个模式下分布式PCU 控制环进行调节器设计和稳定性设计。结合式（2）～式（4）得出分布式PCU在母线恒压控制模式、蓄电池充电模式以及MPPT 模式下的伯德图。

图6 分布式PCU 母线恒压、蓄电池充电以及MPPT控制框图Fig.6 Block diagrams of bus constant-voltage control,battery charging control,and MPPT control for distributed PCU

母线恒压控制下环伯德图如图7 所示，由图可知，合理设计调节器Gc1和Gc5参数可保证分布式PCU 在母线恒压控制下具有较大的相位裕度，其中电流控制环相位裕度为67.5°，电压控制环相位裕度为65°，满足宇航电源系统稳定性设计要求。在蓄电池充电控制中，通过取小值逻辑可实现蓄电池充电电压控制和充电电流控制切换。恒流充电时，电压控制环断开，此时控制方式近似于图7（a）；同理恒压充电时，充电电流环断开，此时控制方式近似于图7（b），其系统稳定性设计参考母线恒压控制。

图7 电流控制和电压控制下的伯德图Fig.7 Bode diagrams under current control and voltage control

图8 给出在MPPT 控制下，经PI 调节器补偿后系统光伏电池板伯德图，通过合理进行参数设计，可保证光伏电池电压具有较大的相位和增益裕度（70°）满足系统稳定性设计要求。

图8 MPPT 控制下伯德图Fig.8 Bode diagram under MPPT control

由上文分析可知，分布式PCU 各个控制策略是相互独立的，同一时刻一个分布式PCU 只能工作于一个模式，下文对多台分布式PCU 组网运行时，不同分布式PCU 工作于不同模式下电源系统的稳定性进行阐述。假如1 台或几台分布式PCU进入MPPT 模式，由于MPPT 控制属于功率控制，可与系统中其他恒压源、电流源一起并联使用，此时电源系统中需要有1 台或多台PCU 工作于恒压模式或蓄电池放电模式，以维持母线电压；如果出现两个及以上分布式PCU 工作于恒压模式，考虑到本文采用的母线电压控制策略中嵌套了下垂法，因此在多台分布式PCU 并联运行时会根据下垂曲线自动均流。当光伏电池能量不足时，蓄电池通过输出隔离二极管给母线供电，使电源系统处于半调节母线状态，此时母线电压由蓄电池端电压控制，可保证母线电压稳定。因此本文采用的分布式PCU功率调节策略支持多台设备组网运行，构建稳定的分布式航天器电源系统。此外，为保证分布式PCU的可靠性和稳定性，可设计缓启动策略保证分布式PCU 平稳接入，减小并网接入时母线电压的冲击。

3 仿真和实验验证

3.1 仿真验证

采用PSIM 软件对分布式PCU 的4 种工作模式进行仿真，仿真参数为：蓄电池端电压为92～98 V，光伏电池阵开路电压为130 V，短路电流为5 A，最大功率点为（104 V，4.8 A），输出母线电压为100～102 V（母线恒压模式下），负载额定功率为500 W。仿真波形如图9～图11 所示。其中，图9 为母线恒压模式下负载突变仿真波形，从上到下依次为母线电压U0、主误差信号Vmea和负载电流I0；图10 为蓄电池充电模式下仿真波形，从上到下依次为蓄电池端电压U0、蓄电池充电电流Ichar和输出电流I0波形；图11为MPPT 模式下仿真波形，从上到下依次为MPPT功率PPV、蓄电池放电电流Idisch和母线电压U0波形。

图9 恒压模式下负载突减仿真波形Fig.9 Simulation waveforms in constant-voltage mode and under sudden load drop

图10 蓄电池充电模式下仿真波形Fig.10 Simulation waveforms in battery charging mode

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

由图9 可知，当负载由500 W 突减至50 W（10%额定负载）时，母线电压由100 V 变为102 V，由于嵌套下垂法，母线电压会略微上升但仍满足PCU 输出电压要求。由图10 可知，分布式PCU 在0.5～0.8 s 之间进行恒流充电，电流指令1～5 A 步进可调，0.8 s 后转入恒压充电，蓄电池端电压维持设定值98 V。由图11 可知，经过0.25 s 跟踪后，光伏电池阵输出最大功率，且蓄电池放电电流随光伏电池阵输出功率的增加而逐步减少，母线电压等于蓄电池端电压92 V。上述仿真结果符合理论分析。

3.2 实验验证

为验证分布式PCU 拓扑及其功率调节技术的正确性，本文研制了2 台500 W 分布式PCU 原理样机，参数见表1。

表1 分布式PCU 实验参数Tab.1 Experimental parameters of distributed PCU

（1）由图12 可知，恒压模式下，分布式PCU 初始电压为100 V，负载突减至200 W，输出母线出现峰值为5.6 V 的电压上冲，经过25 ms 后，母线电压稳定到101 V，下一时刻负载由200 W 突增为500 W，母线电压出现峰值为-8.4 V 的负电压下冲，经25 ms 后，母线电压稳定到100 V，电压电流波形变化趋势符合理论分析，证明母线恒压控制有效。

图12 恒压模式下负载突减实验波形Fig.12 Experimental waveforms in constant-voltage mode and under sudden load drop

（2）由图13 可知，在蓄电池恒流充电控制下，充电电流保持1.93 A（设定值为2 A）不变，当切换蓄电池模拟阻抗使分布式PCU 进入恒压充电模式后，充电电压由80 V 变为100 V（恒压设计值），证明蓄电池充电控制有效。

图13 蓄电池充电波形Fig.13 Waveforms in battery charging mode

（3）由图14 可知，在MPPT 控制环下，经过约4 s跟踪时间，光伏电池阵输出电流由0 A 逐渐变为4.5 A（峰值电流设定值为4.8 A），并最终稳定输出，由此可知，在MPPT 控制模式下，分布式PCU 使光伏电池工作于最大功率点，证明MPPT 控制有效。

图14 MPPT 模式下输出电压、电流波形Fig.14 Waveforms of output voltage and current in MPPT mode

为进一步验证分布式PCU 在组网状态下，不同PCU 工作情况及其分布式PCU 接入、退出时对电源系统稳定性的影响，本文采用2 台分布式PCU样机进行了并网实验，实验结果如图15 所示。

由图15（a）可见，分布式PCU1 工作于MPPT模式，母线电压为100 V，电流为4.5 A，发送分布式PCU2 开机指令，5 s 后，分布式PCU2 平稳接入电源系统并与分布式PCU1 并联运行，分布式PCU2 输出电流为4.4 A，总输出电流为8.9 A，由图可知，接入时电压波动很小，表明PCU2 接入正常。由图15（b）可知，分布式PCU1 与PCU2 并联运行，发送分布式PCU2 断开指令，PCU2 迅速退出网络，分布式PCU1 仍保持稳定状态，表明分布式PCU2退出可靠。