CN112327994B - 一种分布式空间电源系统分层控制系统 - Google Patents

一种分布式空间电源系统分层控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式空间电源系统分层控制系统，适用于基于标准功率积木的分布式空间电源系统。包括顶层控制器、中层控制器、底层控制器以及数据收发单元。其中顶层控制器、中层控制器和数据收发单元在OBC(星载计算机)中，顶层控制器负责任务分析、发电预测与功率潮流优化等。中层控制器负责母线电压稳态偏移调节、功率及模式设定、故障处理等。底层控制器在标准智能功率积木的智能控制单元中。通过分层控制策略实现全局功率潮流最优化同时保证载荷供电的可靠性。控制策略综合了集中控制和分布式控制的优势，OBC及通信故障下系统仍能正常工作，具有高鲁棒性。

Description

一种分布式空间电源系统分层控制系统
技术领域
本发明涉及分布式空间电源技术领域，具体涉及一种分布式空间电源系统分层控制系统。
背景技术
传统的空间电源采用集中式控制：最常见的空间电源系统采用S3R技术的全调节母线架构。S3R架构由于它简单、可靠和高效率等特点，广泛应用于电源控制器研制中。S3R架构采用集中式控制，该直流电源系统由分流控制器SR、蓄电池充电控制器BCR及蓄电池放电控制器BDR组成，三者均由主误差放大器MEA共同控制。S3R功率调节技术主要通过误差运放区间对母线进行调节与控制，分别对分流调节单元、充电单元及放电单元进行控制，实现电源系统母线调节功能。这种调节方法可以使太阳能电池阵列在日照区直接给卫星供电，而不需要经过放电调节。S3R调节技术的主要缺点是太阳能电池阵列的利用率不高、系统功率密度低。其余的基于S4R技术的全调节母线架构、基于双向DC-DC技术的全调节母线架构、Diversion架构也均采用了集中控制方法。
随着航天器大功率、高效率、高可靠、去任务化的要求，传统的集中式空间电源系统已经不能满足航天任务的发展需求，成为影响后续航天任务顺利实现的一个短板，亟需通过采用分布式的空间电源系统来弥补其缺陷。分布式电源系统应运而生，分布式空间电源系统具有高可靠、高灵活性等特征，适应功率扩展、多任务柔性匹配、快速组装发射、各模块解耦的需求。国内外已经对空间电源的分布式系统做了一些前期的探索。不同低轨卫星(LEO)采用的光伏电池阵数量、电池组数量等变化范围很大，为了适应多变的低轨卫星应用场景，实现低轨卫星电源系统的去型号化设计，法国国家空间研究中心CNES开发了一套模块化数字控制的功率变换和分配系统。该系统采用标准的接口和标准模块实现多个光伏阵列和多组电池的接入。该系统虽然实现了硬件的模块化，但是仍然依靠中央控制器(OBC)通过通信总线进行母线电压调节和功率调节。集中控制大大降低了系统的可靠性，没有实现真正的分布式架构。法国国家空间研究中心CNES也提出过另一种分布式电源系统，但是，该架构并未实现通过标准模块同时实现所有模块的接入，仅光伏电池阵采用了标准单元接入，电池组采用了直接连接到直流母线的方式。另外，该系统仍然通过中央控制器实现系统的调节，未采用分布式的软件控制，控制鲁棒性低。意大利研究机构Thales Alenia SpaceItalia提出了一种空间电源的分布式MPPT控制方案，通过分布式控制实现了光伏电池阵的分布式接入，同时通过MPPT提升了系统整体效率，但是该分布式控制器模式单一、不具有DET、分流等模式，无法适应更加复杂的应用场景。另外，该控制策略中光伏电池阵的控制与电池组的控制相互耦合，增加了控制设计的复杂度，同时降低了系统配置的灵活性。传统的空间电源的控制方法通常采用集中式的控制架构，系统可靠性低，可维护性差，新出现的分布式电源系统也通常采用基于OBC的集中控制方法。一旦集中控制器故障整个系统无法正常工作，系统鲁棒性差。集中控制成为影响航天器电源系统可靠性的一个短板，亟需通过采用新型控制架构来弥补其缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种分布式空间电源系统分层控制系统，能够综合集中控制和分布控制的优势，适用于高可靠、高性能、大功率的空间分布式电源系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：空间电源系统包括星载计算机OBC以及一个以上的智能功率积木，分层控制系统包括顶层控制器、中层控制器、底层控制器和数据收发单元。
顶层控制器位于星载计算机OBC中，用于任务分析、发电预测与功率潮流分配优化。
中层控制器位于星载计算机OBC中，用于电压稳态偏移调节、功率及模式设定、故障处理。
底层控制器位于智能功率积木的智能控制单元中，根据通信状态控制智能功率积木的工作模式、设置功率、母线电压参考值，并发送智能功率积木的状态信息。
数据收发单元位于星载计算机OBC中，用于接收各个智能功率积木发送的状态信息，并发送控制信息给中层控制器；还用于接收中层控制器发来的指令，整理指令信息按照标准格式发送给各个智能功率积木中的底层控制器。
进一步地，底层控制器在标准智能功率积木的智能控制单元中，包括通信正常控制器、通信异常控制器、故障处理模块以及通信单元；
通信单元用于检测通信状态，当通信状态为通信正常时，通信正常控制器工作，通信正常控制器按照接收到星载计算机OBC中数据发送模块的指令，选择智能功率积木的工作模式，包括母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、DET模式以及故障模式，并发送模式指令到故障处理模块；当通信状态为通信异常时，通信异常控制器工作，通信异常控制器将智能功率积木的工作模式设定为母线电压模式，工作在下垂控制方式下，发送模式指令到故障处理模块。
故障处理模块包括四个输入，分别是通信正常/异常控制器的输出In1、电压比较I的输出In2、电压比较II的输出In3、方向性电流比较In4；当母线电压Vbus大于电压上限I或者小于电压下限I时，In2＝1，否则In2＝0；当母线电压Vbus大于电压上限II或者小于电压下限II时，In3＝1，否则In3＝0；当母线电流Ibus方向为正且绝对值大于负向阈值Ithp，或者Ibus方向为负且绝对值大于负向阈值Ithn时，In4＝1，否则In4＝0；电压上限I小于电压上限II，电压下限I大于电压下限II，正向阈值Ithp大于负向阈值Ithn；故障处理模块包括两个输出，分别是O1和O2；当In3＝1或者In4＝1时，O1＝7，将智能功率积木的模式设为关机模式，O2＝0，关闭断路开关；当In3＝0且In4＝0且In2＝0时，故障处理模块将通信正常/异常控制器输出In1赋值给O1，O2＝1，保持断路开关导通；当In3＝0且In4＝0且In2＝1时，如果当前模式已经处在母线电压模式，O1输出不改变；如果当前模式不是母线电压模式，序号最小的非母线电压模式的智能功率积木将模式设为母线电压模式，其余智能功率积木模式不变；若O2＝1，保持断路开关导通。
底层控制器根据接收到星载计算机OBC指令设置功率参考值、母线电压参考值稳态偏移量，并发送智能功率积木的状态信息，包括序号、母线电压值、功率值、SOC以及故障信息。
进一步地，数据收发单元包括数据接收模块和数据发送模块；数据收发单元通过通信总线与底层控制器的通信单元进行数据交换；数据接收模块接收各个功率积木发送的信息，发送信息给中层控制器中的各个单元；数据发送模块接收中层控制器各个单元的指令，形成指令信息发送给各个智能功率积木；
数据收发单元与底层通信单元采用标准信息格式如下：
数据接收模块接收的信息格式为：第一位：序号，第二位：母线电压，第三位：功率，第四位：SOC，第五位：故障信息。
数据发送模块发送的信息格式为：第一位：序号，第二位：工作模式，第三位：功率指令，第四位：母线电压偏移值。
进一步地，中层控制器包括电压稳态偏移调节单元、故障处理单元和功率及模式设置单元。
电压稳态偏移调节单元，用于为对接收到的智能功率积木母线电压1～N取平均值，N为智能功率积木总数，与母线电压设定值比较计算差值Vd，作为将功率积木中调节母线电压的下垂曲线向下平移Vd；电压稳态偏移调节单元的输入连接到数据收发单元中数据接收模块的输出，电压稳态偏移调节单元的输出连接到数据收发单元中数据发送模块的输入；电压稳态偏移调节单元的输入为所有智能功率积木采样得到的母线电压1～N，输出为需要调整母线电压控制智能功率积木的母线电压参考值的偏移值即母线电压设定值比较计算差值Vd。
故障处理单元判定智能功率积木故障的原则为：接收到的故障状态信息显示为故障的功率积木以及输出功率与设置功率不符的智能功率积木；故障处理单元的一个输入连接到数据接收模块的输出，接收数据接收模块输出的智能功率积木的故障信息；故障处理单元的另一个输入连接到功率及模式设置单元，接收功率及模式设置单元发送的输出功率与设置功率不符的智能功率积木；故障处理单元的一个输出连接到数据发送模块的输入，输出到数据发送模块的值为：需要故障关机智能功率模块的序号及对应的关机指令；故障处理单元的另一个输出连接到功率潮流优化单元，输出到功率潮流优化单元的值为：故障功率积木的序号。
功率及模式设置单元用于接收功率潮流优化单元计算的功率值，选择控制母线电压的功率积木，并将功率指令发送给其余积木；比较功率设定值与实际输出功率值的偏差识别故障功率积木；功率及模式设置单元的两个输入连接到数据接收模块的输出，分别接收每个智能功率积木的功率值和SOC值；另一个输入连接到功率潮流优化单元，接收功率潮流优化单元计算得到的每个智能功率积木的功率设定值；功率及模式设置单元的一个输出连接到数据发送模块的输入，发送每个智能功率积木的工作模式及输出功率；功率及模式设置单元的另一个输出连接到故障处理单元，发送输出功率与设置功率不符的智能功率积木的序号；功率及模式设置单元的再另一个输出连接到功率潮流优化单元，发送每个功率积木的实际功率输出值及SOC值到功率潮流优化单元。
进一步地，顶层控制器包括任务分析单元、发电预测单元和功率潮流优化单元。
任务分析单元，用于根据轨道参数预测未来一个以上轨道周期的地影时间，根据载荷功率需求对系统进行组态配置，确定电源、储能用功率积木的数量及序号；任务分析单元的输入分别为载荷功率特性曲线、电源和储能单元的优先级，以及发电预测单元提供的最大发电量和最大储能容量；任务分析单元的输出连接到功率潮流优化单元的输入；任务分析单元的输出为：允许输出电源和储能单元的数量、类型和编号、允许接入的载荷数量及编号。
发电预测单元，用于根据累计运行年限预测及光伏电池的衰减曲线预测最大发电功率，根据电池累计循环次数预测电池的最大储能容量；发电预测单元的输入分别为轨道参数、累计运行年限以及电池累计循环次数；发电预测单元的输出连接到功率潮流优化单元的输入；发电预测单元的输出为：未来一个以上轨道周期的发电单元的最大发电量、储能单元的最大储能容量。
功率潮流优化单元，用于以载荷功率、电源功率、储能容量、运行寿命为约束条件，以供电效率及可靠性为目标函数进行多变量优化计算获得每个智能功率积木的输出功率；功率潮流优化单元的输入连接到任务分析单元和发电预测单元的输出；功率潮流优化单元的输出连接到中层控制器；功率潮流优化单元的输出为每个功率积木的输出功率值及流向。
进一步地，星载计算机OBC及通信故障下系统仍能保证载荷供电不发生中断；当通信正常时，顶层控制器、中层控制器与底层控制器彼此协作实现控制目标；当OBC故障或者通信异常时，系统仍能正常工作，由底层控制器根据预先设置的规则，各个智能功率积木工作在下垂模式保证载荷供电的连续性。
有益效果：
本发明采用了分布式空间电源系统分层控制方案，综合了集中控制和分布式控制的优势，其中顶层控制器与中层控制器在OBC中，底层控制器在智能功率积木中。OBC和通信故障下，底层控制器仍能正常工作，提升了控制系统可靠性、鲁棒性以及可扩展性。面向兼容多种模式的标准的功率积木，采用标准的信息格式，实现了航天器的分布式电源控制系统的高可靠、模块化设计。本发明与现有技术相比的优点在于：控制系统采用分层架构，综合了集中控制和分布式控制的优势。当系统通信正常时，顶层控制器、中层控制器与底层控制器彼此协作实现控制目标，此时工作在集中控制方式。当系统通信异常时，系统仍能正常工作，由底层控制器根据预先设置的规则，工作在下垂模式保证负载的供电质量，此时工作在分布式工作方式。通过分层控制架构提升了整个控制架构的可靠性，满足分布式空间电源系统的供电可靠性及供电质量要求。
附图说明
图1为基于标准功率积木的分布式空间电源系统控制框图；
图2为数据收发单元的数据格式；
图3为不同通信状态下的系统运行方式；
图4为兼容分层控制的标准功率积木原理图；
图5底层控制器实现方法；
图6底层控制器故障处理模块决策逻辑。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提出的分布式空间电源系统分层控制策略应用于基于标准功率积木的分布式空间电源系统。控制策略包括顶层控制器、中层控制器、底层控制器和数据收发单元。其中顶层控制器负责任务分析、发电预测与功率潮流分配等。中层控制器负责母线电压偏移调节、功率及模式设定、故障处理等。底层控制器处在标准智能功率积木的智能控制单元中。控制方案综合了集中控制和分布式控制的优势，具有高鲁棒性，通过分层控制策略实现全局功率潮流最优化同时保证载荷供电的电能质量。当通信正常时，顶层控制器、中层控制器与底层控制器彼此协作实现控制目标，此时系统工作在集中控制方式。当通信异常时，由底层控制器根据预先设置的规则，工作在下垂模式保证负载的供电质量，此时工作在分布式控制方式。本发明提供了一种高可靠、高性能、大功率的分布式空间电源系统的控制方案。
基于标准功率积木的分布式空间电源系统的分层控制方法总体设计由顶层控制器设计、中层控制器设计、底层控制器设计和数据收发单元设计构成，如图1所示。
顶层控制器：位于在OBC中，负责任务分析、发电预测与功率潮流分配等。
中层控制器：位于在OBC中，负责母线电压偏移调节、功率及模式设定、故障处理等。
底层控制器：位于标准智能功率积木的智能控制单元中，根据通信状态控制智能功率积木的工作模式、设置功率、母线电压参考值。并发送智能功率积木的状态信息。
数据收发单元：位于在OBC中，负责接收各个功率积木发送的信息，发送信息给中层控制器的各个单元。接收中层控制器各个单元的指令，整理指令信息发送给各个智能功率积木。
顶层控制器设计
顶层控制器包括任务分析单元、发电预测单元和功率潮流优化单元。
(1)任务分析单元
任务分析单元的工作原理为：根据轨道参数预测未来一个或者多个轨道周期的地影时间。并根据载荷功率需求对系统进行组态配置，确定电源、储能用功率积木的数量及序号。任务分析单元的输入分别为载荷功率特性曲线、电源和储能单元的优先级，以及发电预测单元提供的最大发电量和最大储能容量。任务分析单元的输出连接到功率潮流优化单元的输入。任务分析单元的输出为：允许输出电源和储能单元的数量、类型和编号、允许接入的载荷数量及编号。
任务分析单元具体实现方法为：
以典型的圆形轨道为例，地影时间Te用下式计算，
Figure GDA0003501650910000091
其中，Tobit为轨道周期，h为轨道高度，RE为地球半径，β为阳光与轨道面夹角。
负载曲线为fLoad(t)，任务周期内最大负载功率Load_max＝max[fLoad(t)]。电源按预先设定的优先级分别1～N，最大功率分别为S1～SN，储能单元按预先设定的优先级分别为1～M，容量分别为E1～EM。
计算输出电源数量k，k需要满足下式：
Figure GDA0003501650910000092
所需选择的电源为1～k。
计算储能单元数量为j,j需要满足下式：
Figure GDA0003501650910000093
则所需选择的储能单元为1～j。
当最大电源输出功率小于最大负载功率或者单圈最大放电能量大于系统最大储能量时，
Figure GDA0003501650910000101
或者
Figure GDA0003501650910000102
按照负载优先级切除负载，最终确定负载数量。
(2)发电预测单元
发电预测单元的工作原理为：根据累计运行年限预测及光伏电池等的衰减曲线预测最大发电功率，根据电池累计循环次数预测电池的最大储能容量。发电预测单元的输入分别为轨道参数、累计运行年限以及电池累计循环次数。发电预测单元的输出连接到功率潮流优化单元的输入。发电预测单元的输出为：未来一个或者若干个轨道周期的发电单元的最大发电量、储能单元的最大储能容量。
发电预测单元具体实现方法为：
光伏电池阵发电功率Sn用下式计算，
Sn＝Sn_int×FRAD(tnow)×FUV(tnow)×F(tnow)
其中，Sn_int为初始功率，tnow为当前时间，FRAD为太阳电池阵例子辐照衰减函数，FUV为太阳电池阵紫外辐照衰减函数，F为其他衰减函数。
储能单元的最大容量Em用下式计算，
Em＝Em_int×Fcyc(C)
其中，Em_int为初始容量，C为当前循环周期，Fcyc为电池组容量衰降函数。
(3)功率潮流优化单元
功率潮流优化单元的工作原理为利用各类优化算法(例如线性规划等)，以载荷功率、电源功率、储能容量、运行寿命等为约束条件，以供电效率及可靠性为目标函数进行多变量优化计算获得每个智能功率积木的输出功率。功率潮流优化单元的输入连接到任务分析单元和发电预测单元输出。功率潮流优化单元的输出连接到中层控制器中的功率及模式设置单元。功率潮流优化单元的输出为每个功率积木的功率值及流向。其中流向根据图5，电流参考正方向从智能功率积木到功率母线。功率为电压乘以电流，功率参考方向与电流相同，当计算得到的功率值为负时，功率方向从功率母线到智能功率积木，为正时，功率方向从积木到母线。
系统中各发电单元输出功率分别为P1～Pk,各储能单元输出功率分别为Pk+1～Pk+j，优化计算的目标函数可以为效率最高或者是故障率最低，也可以是两者的组合，目标函数如下，
max[η(P1,P2,···,Pn,t)]或min[λ(P1,P2,···,Pn,t)]或
Figure GDA0003501650910000111
其中η(P1,P2,…,Pn,t)为系统效率函数，λ(P1,P2,…,Pn,t)为系统故障率函数。
约束条件有三个，分别是负载功率、最大发电量，最大储能量以及寿命。
Figure GDA0003501650910000112
其中Tlife为系统设计寿命。
中层控制器设计
中层控制器包括电压稳态偏移调节单元、故障处理单元和功率及模式设置单元。
电压稳态偏移调节单元的工作原理为对接收到的智能功率积木母线电压1～N(N为智能功率积木总数)取平均值，与母线电压设定值比较计算差值Vd，将功率积木中调节母线电压的下垂曲线向下平移Vd。电压稳态偏移调节单元的输入连接到数据接收模块的输出，电压稳态偏移调节单元的输出连接到数据发送模块的输入。电压稳态偏移调节单元的输入为所有智能功率积木采样得到的母线电压1～N，输出为需要调整母线电压控制智能功率积木的母线电压参考值的偏移值。
故障处理单元判定智能功率积木故障的原则为：接收到的故障状态信息显示为故障的功率积木以及输出功率与设置功率不符的功率积木。故障处理单元的一个输入连接到数据接收模块的输出，接收数据接收模块发送的智能功率积木的故障信息。另一个输入连接到功率及模式设置单元，接收功率及模式设置单元发送的输出功率与设置功率不符的智能功率积木。故障处理单元的一个输出连接到数据发送模块的输入，输出到数据发送模块的值为：需要故障关机智能功率模块的序号及对应的关机指令。另一个输出连接到功率潮流优化单元，输出到功率潮流优化单元的值为：故障功率积木的序号。
功率及模式设置单元的工作原理为：接收功率潮流优化单元计算的功率值，选择控制母线电压的功率积木，并将功率指令发送给其余积木。比较功率设定值与实际输出功率值的偏差识别故障功率积木。功率及模式设置单元的两个输入连接到数据接收模块的输出，接收每个智能功率积木的功率值和SOC值。另一个输入连接到功率潮流优化单元，接收功率潮流优化单元计算得到的每个功率积木的功率设定值。功率及模式设置单元的一个输出连接到数据发送模块的输入，发送每个功率积木的工作模式及输出功率。一个输出连接到故障处理单元，发送输出功率与设置功率不符的智能功率积木的序号。一个输出连接到功率潮流优化单元，发送每个功率积木的实际功率输出值及SOC值到功率潮流优化单元。
数据收发单元设计
数据收发单元包括数据接收模块和数据发送模块。数据收发单元通过通信总线与底层控制器的通信单元进行数据交换。数据接收模块接收各个功率积木发送的信息，发送信息给中层控制器中的各个单元。数据发送模块接收中层控制器各个单元的指令，形成指令信息发送给各个智能功率积木。数据收发单元与底层通信单元采用标准信息格式：
数据接收模块接收的信息格式为：第一位：序号，第二位：母线电压，第三位：功率，第四位：SOC，第五位：故障信息。
数据发送模块发送的信息格式为：第一位：序号，第二位：工作模式，第三位：功率指令，第四位：母线电压偏移值。
数据收发单元的数据格式如图2所示。
底层控制器设计
底层控制器在标准智能功率积木的智能控制单元中，包括通信正常控制器、通信异常控制器、故障处理模块以及通信单元。通信单元检测通信状态，当通信正常时，通信正常控制器工作，控制器按照接收到OBC中数据发送模块的指令，选择母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、DET模式、故障模式中的一种，发送模式指令到故障处理模块。当通信异常时，通信异常控制器工作，控制器将智能功率积木的工作模式设定为母线电压模式，工作在下垂控制方式下，发送模式指令到故障处理模块。
故障处理模块包括四个输入，分别是通信正常/异常控制器输出In1,、电压比较1的输出In2、电压比较2的输出In3、方向性电流比较In4。
电压比较1的目的是实现不依赖通信处理控制母线电压的功率积木故障的情况，当控制母线电压的功率积木发生故障时，母线电压下降到低于电压下限1或者上升超过电压上限1时，可认为控制母线电压的功率积木发生故障，此时序号最小的处在非母线电压模式的功率积木将自身模式设置为母线电压模式，控制母线电压，保证供电连续性。其余功率积木模式不变，整个过程不需要通信的参与，响应速度快、鲁棒性强并且供电不会中断。
电压比较2的目的是为了实现欠压保护。当母线电压下降到低于电压下限2或者上升超过电压上限2时，发生欠压故障，为了保护功率积木关闭功率变换电路和断路开关。
为了实现电压比较1与电压比较2的配合，使电压比较1优先动作。故电压上限1小于电压上限2，电压下限1大于电压下限2。
方向性电流比较的目的是为了实现不基于通信的短路保护，当本地发生短路故障时，故障电流为负，故障电流超过负向阈值Ithn，关闭功率变换电路和断路开关。当其他功率积木发生短路故障且未切断故障电流时，故障电流超过正向阈值Ithp，关闭功率变换电路和断路开关。为了使发生故障的本地断路开关优先动作，缩小故障影响范围，故设置正向阈值Ithp大于负向阈值Ithn。
具体故障处理模块的实现方式如下：
当母线电压Vbus大于电压上限1或者小于电压下限1时，In2＝1，否则In2＝0。当母线电压Vbus大于电压上限2或者小于电压下限2时，In3＝1，否则In3＝0。当母线电流Ibus方向为正且绝对值大于负向阈值Ithp，或者Ibus方向为负且绝对值大于负向阈值Ithn时，In4＝1，否则In4＝0；故障处理模块包括两个输出，分别是O1和O2。当In3＝1或者In4＝1时，O1＝7，将功率积木的模式设为关机模式，O2＝0，关闭断路开关。当In3＝0且In4＝0且In2＝0时，故障处理模块将通信正常/异常控制器输出In1赋值给O1，O2＝1，保持断路开关导通。当In3＝0且In4＝0且In2＝1时，如果当前模式已经处在电压模式，O1输出不改变。如果当前模式不是电压源模式，优先级最高的非电压源模式功率积木将模式设为电压控制模式，其余功率积木模式不变。O2＝1，保持断路开关导通。
O1与模式的对应关系为：1～7依次分别对应母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、DET模式、故障模式。O2为1时，断路开关导通，否则断开。
此外、底层控制器根据接收到OBC指令设置功率参考值、母线电压参考值稳态偏移量。并发送智能功率积木的状态信息，包括序号、母线电压值、功率值、SOC以及故障信息。
底层控制器的实现方法如图5所示，故障处理模块的决策逻辑如图6所示。
控制系统协作设计
OBC及通信故障下系统仍能保证载荷供电不发生中断。当通信正常时，顶层控制器、中层控制器与底层控制器彼此协作实现控制目标。当OBC故障或者通信异常时，系统仍能正常工作，由底层控制器根据预先设置的规则，各个智能功率积木工作在下垂模式保证载荷供电的连续性，如图3所示。
适用的分布式空间电源系统
本发明提出的分层控制系统适用于采用标准功率积木的分布式空间电源系统，标准功率积木的原理图如图4所示。分层控制策略中顶层控制器和中层控制器可以适用于其他分布式电源系统中。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分布式空间电源系统分层控制系统，所述空间电源系统包括星载计算机OBC以及一个以上的智能功率积木，其特征在于，所述分层控制系统包括顶层控制器、中层控制器、底层控制器和数据收发单元；
所述顶层控制器位于星载计算机OBC中，用于任务分析、发电预测与功率潮流分配优化；
所述中层控制器位于星载计算机OBC中，用于电压稳态偏移调节、功率及模式设定、故障处理；
所述底层控制器位于所述智能功率积木的智能控制单元中，根据通信状态控制智能功率积木的工作模式、设置功率、母线电压参考值，并发送智能功率积木的状态信息；
所述数据收发单元位于星载计算机OBC中，用于接收各个智能功率积木发送的状态信息，并发送控制信息给中层控制器；还用于接收中层控制器发来的指令，整理指令信息按照标准格式发送给各个智能功率积木中的底层控制器。
2.根据权利要求1所述分布式空间电源系统分层控制系统，其特征在于：所述的底层控制器在标准智能功率积木的智能控制单元中，包括通信正常控制器、通信异常控制器、故障处理模块以及通信单元；
通信单元用于检测通信状态，当通信状态为通信正常时，通信正常控制器工作，通信正常控制器按照接收到星载计算机OBC中数据发送模块的指令，选择智能功率积木的工作模式，包括母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、DET模式以及故障模式，并发送模式指令到故障处理模块；当通信状态为通信异常时，通信异常控制器工作，通信异常控制器将智能功率积木的工作模式设定为母线电压模式，工作在下垂控制方式下，发送模式指令到故障处理模块；
故障处理模块包括四个输入，分别是通信正常/异常控制器的输出In1、电压比较I的输出In2、电压比较II的输出In3、方向性电流比较In4；当母线电压Vbus大于电压上限I或者小于电压下限I时，In2＝1，否则In2＝0；当母线电压Vbus大于电压上限II或者小于电压下限II时，In3＝1，否则In3＝0；当母线电流Ibus方向为正且绝对值大于负向阈值Ithp，或者Ibus方向为负且绝对值大于负向阈值Ithn时，In4＝1，否则In4＝0；电压上限I小于电压上限II，电压下限I大于电压下限II，正向阈值Ithp大于负向阈值Ithn；故障处理模块包括两个输出，分别是O1和O2；当In3＝1或者In4＝1时，O1＝7，将智能功率积木的模式设为关机模式，O2＝0，关闭断路开关；当In3＝0且In4＝0且In2＝0时，故障处理模块将通信正常/异常控制器输出In1赋值给O1，O2＝1，保持断路开关导通；当In3＝0且In4＝0且In2＝1时，如果当前模式已经处在母线电压模式，O1输出不改变；如果当前模式不是母线电压模式，序号最小的非母线电压模式的智能功率积木将模式设为母线电压模式，其余智能功率积木模式不变；若O2＝1，保持断路开关导通；
所述底层控制器根据接收到星载计算机OBC指令设置功率参考值、母线电压参考值稳态偏移量，并发送智能功率积木的状态信息，包括序号、母线电压值、功率值、SOC以及故障信息。
3.根据权利要求2所述的分布式空间电源系统分层控制系统，其特征在于：数据收发单元包括数据接收模块和数据发送模块；数据收发单元通过通信总线与底层控制器的通信单元进行数据交换；数据接收模块接收各个功率积木发送的信息，发送信息给中层控制器中的各个单元；数据发送模块接收中层控制器各个单元的指令，形成指令信息发送给各个智能功率积木；
数据收发单元与底层通信单元采用标准信息格式如下：
数据接收模块接收的信息格式为：第一位：序号，第二位：母线电压，第三位：功率，第四位：SOC，第五位：故障信息；
数据发送模块发送的信息格式为：第一位：序号，第二位：工作模式，第三位：功率指令，第四位：母线电压偏移值。
4.根据权利要求3所述分布式空间电源系统分层控制系统，其特征在于，所述中层控制器包括电压稳态偏移调节单元、故障处理单元和功率及模式设置单元；
所述电压稳态偏移调节单元，用于为对接收到的智能功率积木母线电压1～N取平均值，N为智能功率积木总数，与母线电压设定值比较计算差值Vd，作为将功率积木中调节母线电压的下垂曲线向下平移Vd；电压稳态偏移调节单元的输入连接到数据收发单元中数据接收模块的输出，电压稳态偏移调节单元的输出连接到数据收发单元中数据发送模块的输入；电压稳态偏移调节单元的输入为所有智能功率积木采样得到的母线电压1～N，输出为需要调整母线电压控制智能功率积木的母线电压参考值的偏移值即母线电压设定值比较计算差值Vd；
所述故障处理单元判定智能功率积木故障的原则为：接收到的故障状态信息显示为故障的功率积木以及输出功率与设置功率不符的智能功率积木；故障处理单元的一个输入连接到数据接收模块的输出，接收数据接收模块输出的智能功率积木的故障信息；故障处理单元的另一个输入连接到功率及模式设置单元，接收功率及模式设置单元发送的输出功率与设置功率不符的智能功率积木；故障处理单元的一个输出连接到数据发送模块的输入，输出到数据发送模块的值为：需要故障关机智能功率模块的序号及对应的关机指令；故障处理单元的另一个输出连接到功率潮流优化单元，输出到功率潮流优化单元的值为：故障功率积木的序号；
功率及模式设置单元用于接收功率潮流优化单元计算的功率值，选择控制母线电压的功率积木，并将功率指令发送给其余积木；比较功率设定值与实际输出功率值的偏差识别故障功率积木；功率及模式设置单元的两个输入连接到数据接收模块的输出，分别接收每个智能功率积木的功率值和SOC值；另一个输入连接到功率潮流优化单元，接收功率潮流优化单元计算得到的每个智能功率积木的功率设定值；功率及模式设置单元的一个输出连接到数据发送模块的输入，发送每个智能功率积木的工作模式及输出功率；功率及模式设置单元的另一个输出连接到故障处理单元，发送输出功率与设置功率不符的智能功率积木的序号；功率及模式设置单元的再另一个输出连接到功率潮流优化单元，发送每个功率积木的实际功率输出值及SOC值到功率潮流优化单元。
5.根据权利要求1所述分布式空间电源系统分层控制系统，其特征在于，所述的顶层控制器包括任务分析单元、发电预测单元和功率潮流优化单元；
所述任务分析单元，用于根据轨道参数预测未来一个以上轨道周期的地影时间，根据载荷功率需求对系统进行组态配置，确定电源、储能用功率积木的数量及序号；任务分析单元的输入分别为载荷功率特性曲线、电源和储能单元的优先级，以及发电预测单元提供的最大发电量和最大储能容量；任务分析单元的输出连接到功率潮流优化单元的输入；任务分析单元的输出为：允许输出电源和储能单元的数量、类型和编号、允许接入的载荷数量及编号；
所述发电预测单元，用于根据累计运行年限预测及光伏电池的衰减曲线预测最大发电功率，根据电池累计循环次数预测电池的最大储能容量；发电预测单元的输入分别为轨道参数、累计运行年限以及电池累计循环次数；发电预测单元的输出连接到功率潮流优化单元的输入；发电预测单元的输出为：未来一个以上轨道周期的发电单元的最大发电量、储能单元的最大储能容量；
功率潮流优化单元，用于以载荷功率、电源功率、储能容量、运行寿命为约束条件，以供电效率及可靠性为目标函数进行多变量优化计算获得每个智能功率积木的输出功率；功率潮流优化单元的输入连接到任务分析单元和发电预测单元的输出；功率潮流优化单元的输出连接到中层控制器；功率潮流优化单元的输出为每个功率积木的输出功率值及流向。
6.根据权利要求5所述的分布式空间电源系统分层控制系统，其特征在于，所述星载计算机OBC及通信故障下系统仍能保证载荷供电不发生中断；当通信正常时，顶层控制器、中层控制器与底层控制器彼此协作实现控制目标；当OBC故障或者通信异常时，系统仍能正常工作，由底层控制器根据预先设置的规则，各个智能功率积木工作在下垂控制方式保证载荷供电的连续性。
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