CN105471387B - 一种卫星电源系统的电路拓扑和能量管理方法 - Google Patents

一种卫星电源系统的电路拓扑和能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星电源系统的电路拓扑和能量管理方法，所述电路拓扑包括一高频变压器、多个电源模块、储能模块和负载模块，所述高频变压器具有多个原副边，所述电源模块、储能模块和负载模块均各自通过连接端子分别与所述高频变压器的对应的原副边相连；本发明采用高频变压器，电路结构和控制简单，功率密度和能量密度高，可以同时驱动不同电压等级和功率等级的负载，可以实现故障运行以及发电、储能和负载的协调控制，从而可以广泛应用于卫星电源系统以及电动机车驱动和能量管理系统等高频功率控制系统中。

Description

一种卫星电源系统的电路拓扑和能量管理方法
技术领域
本发明涉及卫星电源系统领域，尤其涉及一种卫星电源系统的电路拓扑和能量管理方法。
背景技术
卫星电源系统提供卫星上所有用电设备的供电，卫星电源系统的可靠性、稳定性和抗干扰能力决定着卫星的运行状态以及卫星复杂功能的实现。
传统卫星电源系统将多组太阳能电池板串并联，通过PCU等电子电力设备实现集中供电，并利用多个二次电源将串并联的多组太阳能电池板的母线电压变换为各负载所需的各等级电压。该电源系统的电源数量多，故障隔离、保护设计复杂并且在不增加额外电力电子设备的情况下，无法同时驱动不同电压等级和功率等级的负载。另外，现存卫星电源系统的电路拓扑需要单独为储能模块设立一套智能电池能量管理系统(如充电控制器和放电控制器)，以提高系统的效率，但该设置方式增加了电源系统的重量，在机动性要求高的航天器应用领域，传统卫星电源系统重量大，太阳能利用率较小，具有一定局限性。此外，卫星系统存在较长时间的孤网运行状态，孤网电源系统在运行时无法维护，因此在不采用其它外设进行故障切出的情况下，一旦某个太阳能电池板出现故障或集中供电的电力电子设备出现损毁，会导致整个系统失去工作能力，严重时导致卫星系统失去供电。因此，为保障卫星光伏供电系统的可靠性，传统方案需要附加外设和复杂的控制算法进行故障切出。
近年来，为了提高传统卫星电源拓扑控制方法的可靠性，针对卫星电源系统的控制模块进行了很多改进。但是这些方法主要通过增加复杂的保护装置以及专门的协调控制模块来提高系统的可靠性，存在系统庞大、控制复杂的缺点，并没有从根本上解决传统卫星电源拓扑的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供了一种卫星电源系统的电路拓扑，能够同时驱动不同电压等级和功率等级的不同负载,实现发电、储能与不同电压等级和功率等级负载的协调管理，提高了系统集成度和空间效益，并能有效实现故障模块的切出，提高了系统可靠性，可以广泛应用于卫星供电系统等孤网高频控制的场合。
本发明包括如下技术方案：
提供一种卫星电源系统的电路拓扑，包括一高频变压器、m个电源模块、n个储能模块和k个负载模块，所述高频变压器具有多个原副边，所述多个原副边的个数为m+n+k，其中m、n和k均为正整数，所述电源模块、储能模块和负载模块均各自通过连接端子分别与所述高频变压器的对应的原副边相连。
进一步的，所述电源模块为光伏电源模块，包括光伏组件、BOOST电路和H桥逆变器，所述光伏组件、BOOST电路与H桥逆变器依顺序连接，所述H桥逆变器通过连接端子与所述高频变压器的对应的原边相连。
进一步的，所述光伏组件为光伏太阳能电池板模块，所述光伏太阳能电池板模块由单块太阳能电池板构成，或者由多块太阳能电池板通过串联或并联形成光伏阵列。
进一步的，所述储能模块为蓄电池储能模块，包括蓄电池和H桥变流器，所述蓄电池与H桥变流器依顺序连接，所述H桥变流器通过连接端子与所述高频变压器的对应的副边相连。
进一步的，所述负载模块包括负载、耦合电容和H桥变流器，所述负载、耦合电容与H桥变流器依顺序连接，所述H桥变流器通过连接端子与所述高频变压器的对应的副边相连。
进一步的，所述H桥逆变器包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂由两个功率开关器件组成。
进一步的，所述高频变压器的铁芯采用微晶材料或超微晶材料。
本发明还提供一种卫星电源系统的能量管理方法，所述卫星电源系统采用如上所述的电路拓扑，所述电源模块包括光伏组件、BOOST电路和H桥逆变器，所述光伏组件、BOOST电路与H桥逆变器依顺序连接；所述储能模块包括蓄电池和H桥变流器，所述蓄电池与H桥变流器依顺序连接；所述负载模块包括负载、耦合电容和H桥变流器，所述负载、耦合电容与H桥变流器依顺序连接；所述电源模块通过H桥逆变器的连接端子与所述高频变压器对应的原边相连，所述储能模块和负载模块均通过各自H桥变流器的连接端子与所述高频变压器对应的副边相连；
所述高频变压器以方波移相的方式工作，当光照不足时，所述BOOST电路控制所述光伏组件工作在MPPT模式，以所述蓄电池侧H桥变流器的电压Vbat作为方波移相参考电压Vref，所述光伏组件侧H桥逆变器以方波移相参考电压Vref来稳定光伏组件的母线电压Vbus；所述负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，所述蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以维持相应的电压稳定；
当光照充足时，所述BOOST电路控制所述光伏组件侧的H桥逆变器的输入直流电压稳定在光伏组件母线的设计电压，将此时光伏组件的母线电压Vbus作为方波移相参考电压Vref；所述光伏组件侧H桥逆变器以方波移相参考电压来控制方波移相；所述负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，以维持电压稳定；所述蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以实现蓄电池的恒流或者恒压充电。
进一步的，所述蓄电池的恒流或者恒压充电是利用电流或者电压闭环，通过方波移相的方式保证蓄电池恒流或者恒压充电。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明拓扑简单且可以同时驱动不同电压等级和功率等级的不同负载，各负载之间相互独立，系统既可以集中供给单个负载，也具备供给多个不同负载的能力；采用高频变压器，可以实现模块化以及各模块之间的隔离，通过对高频变压器的磁通控制可以实现对各模块的协调调度，可以实现发电、储能与不同电压等级和功率等级负载的协调管理，提高了系统集成度和空间效益；本发明可以实现故障切出，即可以在某个负载或者储能单元出现故障时，可以实现有效切除，同时系统其它模块的供电并不会受到影响，依然具备部分供电能力，从而提升了供电系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明卫星电源系统的电路拓扑的总体结构示意图；
图2为本发明卫星电源系统的电路拓扑的电源模块示意图；
图3为本发明卫星电源系统的电路拓扑的储能模块示意图；
图4为本发明卫星电源系统的电路拓扑的负载模块示意图；
图5为本发明卫星电源系统的电路拓扑的BOOST电路结构示意图；
图6为本发明卫星电源系统的电路拓扑的H桥逆变器结构示意图；
图7为本发明卫星电源系统的能量管理流程图。
具体实施方式
下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
如图1所示，本发明卫星电源系统的电路拓扑包括，一高频变压器、m个电源模块、n个储能模块和k个负载模块，以高频变压器为核心，通过高频变压器的磁通控制实现各模块的控制要求。该高频变压器有多个原副边，是连接m个电源模块、n个储能模块以及k个不同电压等级和功率等级负载模块的枢纽，因此该高频变压器的原副边个数为m+n+k个，其中m、n、k均取值正整数。所述电源模块位于变压器的原边，储能模块和负载模块位于变压器的副边。不同电源模块之间、不同储能模块和不同负载模块之间采用两两隔离的方式设置。每个模块通过各自的连接端子X1、X2分别与相应的变压器的原副边相连。其中，所述高频变压器的铁芯优选采用微晶材料或超微晶材料。
如图2所示，本发明中电源模块优选采用光伏电源模块(由光伏太阳能电池板及其控制模块构成)，在空间有光照时为系统提供电能，当应用于其它系统时，电源模块可以替换为其它电源及其控制模块。所述光伏电源模块包括光伏组件、BOOST电路和H桥逆变器，所述光伏组件、BOOST电路与H桥逆变器依顺序通过串联或并联连接，所述H桥逆变器通过连接端子与所述高频变压器的对应的原边相连，所述H桥逆变器用于将输入的直流电压逆变为交流电压输出。
优选的，所述光伏组件为光伏太阳能电池板模块，所述光伏太阳能电池板模块由单块太阳能电池板构成，或者由多块太阳能电池板通过串联或并联形成光伏阵列。所述光伏太阳能电池板模块，通过端子P1、P2连接后级的BOOST电路,BOOST电路的输出连接H桥逆变器的直流侧输入端子H1、H2,最后通过端子X1、X2分别与相应的变压器的原边相连。
如图3所示，本发明储能模块为蓄电池储能模块，包括蓄电池和H桥变流器，所述蓄电池与H桥变流器依顺序连接，所述H桥变流器通过连接端子X1、X2与相应的变压器的副边相连，通过对H桥的控制使其输出特性满足蓄电池充放电的要求，所述H桥变流器用于交直流相互转换。当光照强度较强时，光伏电源模块产生的能量超出负载需求的部分储存在储能模块中；当光照强度较弱时，光伏电源模块产生的能量不足以提供负载需求，此时电能的缺口就由储能模块放出电能补足。
如图4所示，负载模块包括负载、耦合电容和H桥变流器，所述负载、耦合电容与H桥变流器依顺序通过串联或并联连接，所述H桥变流器通过连接端子X1、X2与所述高频变压器的对应的副边相连，所述H桥变流器用于交直流相互转换。优选的，所述耦合电容并联于H桥变流器和负载之间，用于满足卫星电源的直流负载的需求；同样，也可以通过H桥变流器的开关，保证负载的恒压恒流需求。
BOOST电路的电路拓扑如图5所示，它的作用一方面是控制前端光伏组件的工作点，另一方面是控制自身输出电压的稳定。经过H桥的斩波，输出一个高频占空比为50％的方波，从而并联到变压器的绕组上。
如图6所示，所述H桥逆变器包括两个并联的桥臂，每个桥臂由两个功率开关器件组成。H桥逆变器中的功率开关器件电压值由其所在的高频变压器的原副边的额定电压决定，同时原副边的额定电压又是由蓄电池以及负载决定的。
如图7所示，为本发明卫星电源系统的能量管理流程图，所述高频变压器以方波移相的方式工作。当光照不足、不能满足系统的最大负荷时，所述BOOST电路控制光伏阵列工作在最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式，可以最大限度地利用光伏电池板的输出能力，提高了功率密度，此时蓄电池工作在放电状态或者没有达到最大电流的充电状态。利用蓄电池惯性较大并在较长时间内输出电压不发生较大变化的特点，以副边侧的蓄电池侧H桥变流器的电压Vbat作为方波移相参考电压Vref，原边侧的光伏阵列侧H桥逆变器以该方波移相参考电压来稳定光伏阵列的母线电压Vbus(即图2中直流侧端子H1和H2两端的直流电压)；负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat以维持相应的电压稳定。
当光照充足时，光伏阵列的输出能量不仅能满足负载需求，而且可以满足蓄电池恒流或者恒压充电的需要。此时，所述BOOST电路控制光伏阵列侧的H桥逆变器的输入直流电压稳定在光伏阵列母线的设计电压，将此时的母线电压Vbus作为方波移相参考电压Vref；原边侧的光伏阵列侧H桥逆变器以该方波移相参考电压来控制方波移相；负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，以维持电压稳定；蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以实现蓄电池的恒流或者恒压充电。所述蓄电池恒流或者恒压充电是利用电流或者电压闭环，通过方波移相方式保证蓄电池恒流或者恒压充电。
上述具体实施方式仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种卫星电源系统的电路拓扑，包括一高频变压器、m个电源模块、n个储能模块和k个负载模块，所述高频变压器具有多个原副边，所述多个原副边的个数为m+n+k，其中m、n和k均为正整数，所述电源模块、储能模块和负载模块均各自通过连接端子分别与所述高频变压器的对应的原副边相连；所述电源模块包括光伏组件、BOOST电路和H桥逆变器，所述光伏组件、BOOST电路与H桥逆变器依顺序连接；所述储能模块包括蓄电池和H桥变流器，所述蓄电池与H桥变流器依顺序连接；所述负载模块包括负载、耦合电容和H桥变流器，所述负载、耦合电容与H桥变流器依顺序连接；所述电源模块通过H桥逆变器的连接端子与所述高频变压器对应的原边相连，所述储能模块和负载模块均通过各自H桥变流器的连接端子与所述高频变压器对应的副边相连；
所述高频变压器以方波移相的方式工作，当光照不足时，所述BOOST电路控制所述光伏组件工作在MPPT模式，以所述蓄电池侧H桥变流器的电压Vbat作为方波移相参考电压Vref，所述光伏组件侧H桥逆变器以方波移相参考电压Vref来稳定光伏组件的母线电压Vbus；所述负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，所述蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以维持相应的电压稳定；
当光照充足时，所述BOOST电路控制所述光伏组件侧的H桥逆变器的输入直流电压稳定在光伏组件母线的设计电压，将此时光伏组件的母线电压Vbus作为方波移相参考电压Vref；所述光伏组件侧H桥逆变器以方波移相参考电压来控制方波移相；所述负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，以维持电压稳定；所述蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以实现蓄电池的恒流或者恒压充电。
2.如权利要求1所述的卫星电源系统的电路拓扑，其特征在于：所述光伏组件为光伏太阳能电池板模块，所述光伏太阳能电池板模块由单块太阳能电池板构成，或者由多块太阳能电池板通过串联或并联形成光伏阵列。
3.如权利要求1-2中任一所述的卫星电源系统的电路拓扑，其特征在于：所述H桥逆变器包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂由两个功率开关器件组成。
4.如权利要求1-2中任一所述的卫星电源系统的电路拓扑，其特征在于：所述高频变压器的铁芯采用微晶材料或超微晶材料。
5.一种卫星电源系统的能量管理方法，所述卫星电源系统采用如权利要求1所述的电路拓扑，所述高频变压器以方波移相的方式工作，当光照不足时，所述BOOST电路控制所述光伏组件工作在MPPT模式，以所述蓄电池侧H桥变流器的电压Vbat作为方波移相参考电压Vref，所述光伏组件侧H桥逆变器以方波移相参考电压Vref来稳定光伏组件的母线电压Vbus；所述负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，所述蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以维持相应的电压稳定；
当光照充足时，所述BOOST电路控制所述光伏组件侧的H桥逆变器的输入直流电压稳定在光伏组件母线的设计电压，将此时光伏组件的母线电压Vbus作为方波移相参考电压Vref；所述光伏组件侧H桥逆变器以方波移相参考电压来控制方波移相；所述负载通过负载侧的H桥变流器控制负载电压Vload，以维持电压稳定；所述蓄电池通过蓄电池侧的H桥变流器控制蓄电池电压Vbat，以实现蓄电池的恒流或者恒压充电。
6.如权利要求5所述的卫星电源系统的能量管理方法，其特征在于：所述蓄电池的恒流或者恒压充电是利用电流或者电压闭环，通过方波移相的方式保证蓄电池恒流或者恒压充电。
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