CN107579587A

CN107579587A - 适用于leo卫星的能源系统及其控制方法

Info

Publication number: CN107579587A
Application number: CN201711013637.4A
Authority: CN
Inventors: 刘绘莹; 何小斌; 刘世超; 靳洋; 李阳; 董宝磊
Original assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Current assignee: Shanghai Institute of Space Power Sources
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2037-10-25
Also published as: CN107579587B

Abstract

一种适用于LEO卫星的能源系统及其控制方法，包含太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组、电容阵、卫星平台负载和遥测遥控单元；其中，MPPT电路单元采用三个并联的DC‑DC转换模块对太阳电池阵按照三冗余热备份方式进行峰值功率跟踪，MPPT电路单元采用多数表决控制电路进行闭环控制，每一个控制电路根据太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号以及蓄电池组的电压信号和电流信号，生成驱动信号对与其对应的MPPT电路进行闭环控制，以实现对太阳电池阵模块的最大功率跟踪以及对蓄电池组的充电管理。本发明的太阳电池阵利用率高、可靠性高、系统开销小。

Description

适用于LEO卫星的能源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及航天器电源系统设计领域，尤其涉及一种适用于LEO卫星的能源系统及其控制方法。

背景技术

低轨道（LEO）卫星具有很强的快速响应能力，越来越受到各国的重视。随着LEO卫星的快速发展，LEO卫星功率需求增大与太阳能电池阵面积减小以利于姿态控制的迫切需求之间的制约关系已经显现出来，并将更加突出，其能源系统设计存在以下两个方面的问题：

1、在太阳电池阵-蓄电池组形式的电源系统中，太阳能电池输出功率受环境温度、辐照等因素影响，其输出的峰值功率点经常发生漂移。LEO卫星载荷瞬时功率大，轨道周期短，光照/地影循环周次多，电池组必须在短时间内充满。如图1所示，传统能量直接传输（DET）方式将太阳电池阵工作点固定为母线电压，特别是LEO卫星一般采用不调节母线，其太阳电池阵电压受蓄电池组电压钳位，相对全调节母线架构而言，其功率损失更多。如图2所示，采用峰值功率跟踪（MPPT）方式，将太阳阵工作点与母线电压或蓄电池电压解耦，使太阳电池阵在任意负载变换及环境变化下均能工作在最大功率点，把太阳能电池阵输出功率全部发挥出来，有利于满足LEO卫星载荷瞬时大功率需求，减少太阳阵面积，满足LEO卫星能源系统大功率和轻量化的发展需求。

2、现有提出的大功率峰值能源系统中，一般采用如图3所示的架构方式，该方式为了确保单路失效，采用冗余一路的方式，即冗余一路太阳阵+MPPT电路的方式。由于该方式需要冗余一路太阳电池阵，而太阳电池阵体积重量大，成本高昂，系统开销大，且该方式的可靠性是K*(N-1)/N（K为单路可靠性），可靠性不高。

发明内容

本发明提供一种适用于LEO卫星的能源系统及其控制方法，太阳电池阵利用率高、可靠性高、系统开销小。

为了达到上述目的，本发明提供一种适用于LEO卫星的能源系统，包含太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组、电容阵、卫星平台负载和遥测遥控单元；

所述的太阳电池阵包含N个太阳电池阵模块；

所述的MPPT电路单元包含N个MPPT电路和N个控制电路；每一个MPPT电路输入端分别连接其中一个太阳电池阵模块，输出端分别依次并联连接电容阵、蓄电池组和卫星平台负载；每一个控制电路分别对其中一个MPPT电路进行闭环控制；

所述的每一个MPPT电路都包含：三个DC-DC转换模块，三个DC-DC转换模块的输入输出均并联连接，任意一个DC-DC转换模块是另外两个DC-DC转换模块中任意一个的热备份。

所述的每一个控制电路都包含：

3个MPPT控制模块，每一个MPPT控制模块分别连接同一个太阳电池阵模块，采集该太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号，其输出加载到MPPT控制信号多数表决模块的输入端；MPPT控制信号多数表决模块，其输入端分别连接3个MPPT控制模块的输出端，进行多数表决，输出MPPT控制信号；

3个充电控制模块，每一个充电控制模块分别连接蓄电池组，采集蓄电池组的电压信号和电流信号，其输出加载到充电控制信号多数表决模块的输入端；充电控制信号多数表决模块，其输入端分别连接3个充电控制模块，进行多数表决，输出充电控制信号；

控制驱动电路，其输入端分别连接MPPT控制信号多数表决模块的输出端和充电控制信号多数表决模块的输出端，并输出驱动信号给三个DC-DC转换模块。

所述的适用于LEO卫星的能源系统还包含遥测/遥控单元，采集太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组和负载的电压电流信号得到遥测值，并输出相关遥控信号。

所述的DC-DC转换模块串联在太阳电池阵和蓄电池组之间，可采用升压变换器、降压变换器或者升降压变换器。

本发明还提供一种适用于LEO卫星的能源系统控制方法，包含以下步骤：

MPPT电路中三个并联的DC-DC转换模块采用三冗余互为热备份拓扑方式，对太阳能电池阵模块进行的峰值功率跟踪；

MPPT电路通过控制电路进行闭环控制，每一个控制电路根据太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号以及蓄电池组的电压信号和电流信号，生成驱动信号对与其对应的MPPT电路进行闭环控制，以实现对太阳电池阵模块的最大功率跟踪以及对蓄电池组的充电管理。

所述的控制电路的闭环控制方法包含以下步骤：

每一个MPPT控制模块分别采集太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号，通过MPPT控制策略输出MPPT控制信号，主要步骤是太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号经过MPPT算法生成MPPT参考信号，再经PI电压环输出MPPT控制信号；

每一个充电控制模块分别采集蓄电池组的电压信号和电流信号，通过充电控制策略生成充电控制信号，充电控制信号包含恒压控制信号和恒流控制信号，充电控制策略主要是对蓄电池组的电压信号和电流信号分别依次进行分压、差分，再分别经过PI恒压环、PI限流环，分别输出恒压控制信号和限流控制信号；

MPPT控制信号多数表决模块对三个MPPT控制模块输出的MPPT控制信号进行多数表决，输出最终的MPPT控制信号，该信号用以控制对太阳电池阵模块进行最大功率跟踪；

充电控制信号多数表决模块对三个充电控制模块输出的充电控制信号进行多数表决，输出最终的充电控制信号，包含恒压控制信号和限流控制信号，用以控制蓄电池组进行限压或限流充电，保护蓄电池组不被过充；

控制驱动电路对分别经过多数表决模块的MPPT控制信号和充电控制信号先进行比较逻辑后输出一路信号，然后该信号经过电流环PI调节生成一路驱动信号用以驱动DC-DC转换模块中的开关器件的导通和关断，从而同时实现对太阳电池阵模块的最大功率跟踪和对蓄电池组的充电管理。

本发明具有以下有益效果：

1、将一路太阳电池阵同时连接三个DC-DC转换模块，任意一个DC-DC转换模块是另外两个DC-DC转换模块中其中一个的热备份，通过三冗余、热备份的方式，其一降低了正常工作状态下电路的电压电流应力；其二，提高了系统的可靠性；其三，这种方式摈弃了传统的冗余太阳阵的方式，大大降低了系统开销。

2、控制方式采用了MPPT控制信号和充电控制信号多数表决输出的方式，消除了控制信号的单点失效，从而消除了不可靠信号对系统可靠运行的影响。

附图说明

图1是背景技术中DET方式能源系统结构。

图2是背景技术中MPPT方式能源系统结构。

图3是背景技术中冗余形式的大功率峰值能源系统结构。

图4是本发明提供的一种适用于LEO卫星的能源系统的结构示意图。

图5是MPPT电路和控制电路的具体结构示意图。

图6是多数表决模块实施例结构示意图。

图7是取小电路实施例结构示意图。

具体实施方式

以下根据图4～图7具体说明本发明的较佳实施例。

如图4所示，本发明提供一种适用于LEO卫星的能源系统，包含：太阳电池阵1、MPPT电路单元2、电容阵3、蓄电池组4、卫星平台负载5和遥测遥控单元6。

在本实施例中，所述的电容阵3可采用钽电容，对MPPT电路单元输出信号进行滤波；所述的蓄电池组4可采用锂离子蓄电池组，补充太阳电池阵不足的能量。

所述的遥测/遥控单元采集太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组和负载的电压电流信号得到遥测值，并输出相关遥控信号。

所述的太阳电池阵1包含N个太阳电池阵模块（1-1，1-2，……，1-N），太阳电池阵，可采用三节砷化镓太阳电池。

所述的MPPT电路单元2包含N个MPPT电路（2-1，2-2，……，2-N）和N个控制电路（2-1’，2-2’，……，2-N’）；每一个MPPT电路（以2-1为例）分别对应电路连接一个太阳电池阵模块（1-1），且每一个MPPT电路都分别并联电容阵3、蓄电池组4和卫星平台负载5；每一个控制电路（以2-1’为例）分别对应连接一个MPPT电路（2-1）和该MPPT电路连接的太阳电池阵模块（1-1），且该控制电路连接蓄电池组4。

进一步，如图5所示，所述的每一个MPPT电路（以2-1为例）都包含：三个DC-DC转换模块（2-1-1，2-1-2，2-1-3），三个DC-DC转换模块的输入输出均并联连接，任意一个DC-DC转换模块是另外两个DC-DC转换模块中任意一个的热备份；DC-DC转换模块可采用低纹波Superbuck变换器、He-boost变换器、Buck-boost变换器等。

所述的每一个控制电路（以2-1’为例）都包含：

3个MPPT控制模块（2-1’-11，2-1’-12，2-1’-13），每一个MPPT控制模块分别电路连接同一个太阳电池阵模块（1-1），采集该太阳电池阵模块的输出电压信号V_SA和输出电流信号I_SA；

MPPT控制信号多数表决模块2-1’-2，其输入端分别电路连接3个MPPT控制模块（2-1’-11，2-1’-12，2-1’-13）的输出端，进行多数表决，其输出端输出MPPT控制信号；

3个充电控制模块（2-1’-51，2-1’-52，2-1’-53），每一个充电控制模块分别电路连接蓄电池组4，采集蓄电池组4的电压信号V_BAT和电流信号I_BAT；

充电控制信号多数表决模块2-1’-4，其输入端分别电路连接3个充电控制模块（2-1’-51，2-1’-52，2-1’-53）的输出端，进行多数表决，其输出端输出充电控制信号；

控制驱动电路2-1’-3，其输入端分别连接MPPT控制信号多数表决模块2-1’-2的输出端和充电控制信号多数表决模块2-1’-4的输出端，输出端输出同一驱动信号给三个DC-DC转换模块（2-1-1，2-1-2，2-1-3）的开关器件，控制开关器件的开通或关断。

MPPT电路单元采用三个并联的DC-DC转换模块对太阳能电池阵模块按照三冗余热备份方式的进行峰值功率跟踪，系统可靠性为K*（3N-1）/3N（K为单路可靠性）；

MPPT电路单元通过控制电路进行闭环控制，每一个控制电路根据太阳能电池阵模块的输出电压信号V_SA和输出电流信号I_SA以及蓄电池组的电压信号V_BAT和电流信号I_BAT，生成驱动信号对与其对应的MPPT电路进行闭环控制，以实现对太阳能电池阵模块的最大功率跟踪以及对蓄电池组的充电管理。

进一步，所述的控制电路的闭环控制方法具体包含以下步骤：

每一个MPPT控制模块分别采集太阳电池阵模块的输出电压信号V_SA和输出电流信号I_SA，通过控制策略生成MPPT控制信号，主要步骤是太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号经过MPPT算法生成MPPT参考信号，再经PI电压环输出MPPT控制信号；

每一个充电控制模块分别采集蓄电池组的电压信号V_BAT和电流信号I_BAT，通过控制策略生成充电控制信号，充电控制信号包含恒压控制信号和恒流控制信号，充电控制策略主要是对蓄电池组的电压信号和电流信号分别依次进行分压、差分，再分别经过PI恒压环、PI限流环，分别输出恒压控制信号和限流控制信号；

MPPT控制信号多数表决模块对三个MPPT控制模块输出的MPPT控制信号进行多数表决，输出最终的MPPT控制信号，该信号用以控制对太阳电池阵模块进行最大功率跟踪；本实施例中，多数表决模块一般可采用三路信号先取小再取大以输出中间值；

充电控制信号多数表决模块对三个充电控制模块输出的充电控制信号进行多数表决，输出最终的充电控制信号，包含恒压控制信号和限流控制信号，该信号用以控制蓄电池组进行限压或限流充电，保护蓄电池组不被过充；本实施例中，多数表决电路一般可采用三路信号先取小再取大以输出中间值；

如图6所示，本实施例中的多数表决模块采用对信号先跟随后取小再取大输出的方案，输出中间值；

控制驱动电路对分别经过多数表决模块的MPPT控制信号和充电控制信号先进行比较逻辑后输出一路信号，然后该信号经过电流环PI调节生成一路驱动信号用以驱动DC-DC转换模块中的开关器件的导通和关断，从而同时实现对太阳电池阵模块的最大功率跟踪和对蓄电池组的充电管理。本实施例中，比较逻辑可以是三个信号取最小值，如图7所示，V11、V22、V33分别是PI电压环输出MPPT控制信号、充恒压控制信号和限流控制信号，输出三者中的最小值Vo’。

本发明提供了一种太阳电池阵利用率高、可靠性高、系统开销小的能源系统及其控制方法，具有以下有益效果：

1、将一路太阳电池阵同时连接三个DC-DC转换模块，任意一个DC-DC转换模块是另外两个DC-DC转换模块热备份，通过三冗余、热备份的方式提高了系统的可靠性，此外这种方式摈弃了传统的冗余太阳阵的方式，大大降低了系统开销。

2、控制方式采用了MPPT控制信号和充电控制信号多数表决的方式，消除了控制信号的单点失效，从而消除了不可靠信号对系统可靠运行的影响。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种适用于LEO卫星的能源系统，其特征在于，包含太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组、电容阵、卫星平台负载和遥测遥控单元；

所述的太阳电池阵包含N个太阳电池阵模块；

所述的MPPT电路单元包含N个MPPT电路和N个控制电路；每一个MPPT电路输入端分别连接其中一个太阳电池阵模块，输出端分别依次并联连接电容阵、蓄电池组和卫星平台负载；每一个控制电路分别对其中一个MPPT电路进行闭环控制。

2.如权利要求1所述的适用于LEO卫星的能源系统，其特征在于，所述的每一个MPPT电路都包含：

三个DC-DC转换模块，三个DC-DC转换模块的输入输出均并联连接，任意一个DC-DC转换模块是另外两个DC-DC转换模块中任意一个的热备份。

3.如权利要求1所述的适用于LEO卫星的能源系统，其特征在于，所述的每一个控制电路都包含：

3个MPPT控制模块，每一个MPPT控制模块分别连接同一个太阳电池阵模块，采集该太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号，其输出加载到MPPT控制信号多数表决模块的输入端；

MPPT控制信号多数表决模块，其输入端分别连接3个MPPT控制模块的输出端，进行多数表决，输出MPPT控制信号；

3个充电控制模块，每一个充电控制模块分别连接蓄电池组，采集蓄电池组的电压信号和电流信号，其输出加载到充电控制信号多数表决模块的输入端；

充电控制信号多数表决模块，其输入端分别连接3个充电控制模块，进行多数表决，输出充电控制信号；

4.如权利要求1所述的适用于LEO卫星的能源系统，其特征在于，所述的适用于LEO卫星的能源系统还包含遥测/遥控单元，采集太阳电池阵、MPPT电路单元、蓄电池组和负载的电压电流信号得到遥测值，并输出相关遥控信号。

5.如权利要求1所述的适用于LEO卫星的能源系统，其特征在于，所述的DC-DC转换模块串联在太阳电池阵和蓄电池组之间，采用升压变换器、降压变换器或者升降压变换器。

6.一种如权利要求3所述的适用于LEO卫星的能源系统的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

7.如权利要求6所述的适用于LEO卫星的能源系统控制方法，其特征在于，所述的控制电路的闭环控制方法包含以下步骤：

每一个MPPT控制模块分别采集太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号，通过MPPT控制策略输出MPPT控制信号；

每一个充电控制模块分别采集蓄电池组的电压信号和电流信号，通过充电控制策略生成充电控制信号；

8.如权利要求7所述的适用于LEO卫星的能源系统控制方法，其特征在于，所述的MPPT控制策略包含：太阳电池阵模块的输出电压信号和输出电流信号经过MPPT算法生成MPPT参考信号，再经PI电压环输出MPPT控制信号。

9.如权利要求7所述的适用于LEO卫星的能源系统控制方法，其特征在于，所述的充电控制策略包含：对蓄电池组的电压信号和电流信号分别依次进行分压、差分，再分别经过PI恒压环、PI限流环，分别输出恒压控制信号和限流控制信号。