CN113949067B - 一种大功率航天器分布式电源系统重构系统 - Google Patents

Abstract

一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，采用了多层级重构策略，实现了动静态重构。在未发生故障时，通过正常情况的潮流重构控制APR模块的运行状态，实现高效率运行；在发生故障后，通过故障情况母线重构控制双向功率控制电路和重构开关，实现了全调节母线和脉冲母线的重构，保证了两种母线的供电可靠性，既能在正常情况下，提高效率，避免轻载低效运行，提升系统性能。又能在故障情况下，实现全调节母线和脉冲母线的高可靠供电。

Description

一种大功率航天器分布式电源系统重构系统

技术领域

本发明涉及一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，属于航天器分布式电源系统重构领域。

背景技术

卫星电源系统的正常工作对于整个卫星的顺利运行举足轻重，电源系统是保障平台不可或缺的组成部分，它为人造地球卫星各分系统提供电能，一旦电源系统发生故障，整颗卫星都将陷入瘫痪。在卫星众多的分系统中，卫星电源系统发生故障的概率最高，这就要求卫星电源系统具备更高的安全性。根据国外公开资料信息，对全部在轨航天器发生的在轨故障，按照故障所属系统分类整理，结果表明电源系统产生的故障数占到了航天器故障总数的30.3％，所占比例最大，是最有可能发生故障的系统。因此，准确、快速地判断其故障类型与位置并采取系统重构策略尤为重要。所以，考虑到上述各个因素，卫星电源系统的系统重构技术预防故障具备非常重要的意义。

重构控制的概念是由美国国家航空宇航局(NASA)首先提出的,重构控制需要完成的任务是在系统的一个或多个关键部件失效时，通过自身的故障检测模块来迅速地判断和隔离故障元件，同时改变系统的结构，利用备用元件或其他工作元件来替代故障元件性能使系统保持稳定性。重构控制的实质是减少传统余度控制多重硬件冗余和解析冗余的方法，充分利用系统自身内在的功能冗余，使飞行器发生故障后仍能安全完成飞行任务，重构控制的研究对提高飞行器的安全性、生存能力等性能有着重要的意义。重构控制属于主动容错控制技术，近年来取得了进展，研究者提出了许多控制方案，有的方案使重构后系统的结构特征与原系统最大程度上保持一致，因为系统的结构特征决定其动态特性及稳态响应特性，所以这类方法可以使重构后系统的动态性能和静态性能与原控制系统趋于一致；有的则是利用系统自身内在的功能冗余实现重构。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统重构控制领域缺少适用于大功率航天器分布式电源系统重构技术的问题，提出了一种大功率航天器分布式电源系统重构系统。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，包括静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元、负载重构单元，其中：

静态重构单元：根据上位机指令及接入模块的状态进行模块的识别、接入及退出控制，实现大功率航天器分布式电源系统的组态配置；

正常情况潮流重构单元：优化配置模块数量以实现电源系统的高效率运行；

故障情况母线重构单元：调整重构开关及双向功率控制电路以实现静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元、负载重构单元组成的重构系统中不同单元模块故障下的连续供电，满足各单元功率需求；

负载重构单元：根据电源功率及负载功率，调整不同优先级的负载开关状态以满足各单元功率平衡需求。

大功率航天器分布式电源系统由可重构电源子系统构成，各可重构电源子系统均包括1条脉冲母线及全调节母线，各可重构电源子系统的全调节母线通过双向功率控制电路连接，脉冲母线通过重构开关连接。

大功率航天器分布式电源系统的太阳电池阵通过主动功率调节器连接至全调节母线，大功率航天器分布式电源系统的蓄电池组通过充放电调节器连接至全调节母线，通过开关连接脉冲母线，大功率航天器分布式电源系统的脉冲载荷连接至脉冲母线，大功率航天器分布式电源系统的负载管理配电器连接至全调节母线，负载管理配电器分别连接关键负载、重要负载、一般负载。

所述静态重构单元接收上位机组态指令，进行解析并向下位机发送对应的开关机指令，其中，所述组态指令包括供电、储能单元、负载数量、工作模式，开关机指令包括APR开关机指令、BCDR开关机指令、PDU开关指令。

所述正常情况潮流重构单元根据APR单机总负载情况，发送开关机建议至上位机，收到确认信息后，改变开机的APR单机个数以改变单台APR单机的负载功率以实现转换效率优化，其中：

当正常情况潮流重构单元收到上位机发送的动态组态检查指令后，计算APR单机的输出功率之和ΣPi，若小于额定功率之和的Lowlimit％，获得需要关闭的APR数量，通过上位机关闭目标APR单机，经操作员确认后，向目标APR单机发送关机指令，否则不进行操作。

所述需要关闭的APR数量N的获取方法为：

式中，Pi为第i个APR模块的功率，Pr为额定功率，N_total为当前运行所有APR模块数。

所述故障情况母线重构单元利用故障诊断算法定位故障类型，若蓄电池组故障，断开电池开关并依次闭合两个重构开关，开启双向功率控制电路；

若大功率航天器分布式电源系统的充放电管理电路、双向功率控制电路故障，获取发生故障的可重构电源子系统中蓄电池组的电压V_b1，将拟接入蓄电池组的电压调节到V_b1，并闭合重构开关；

若大功率航天器分布式电源系统的主动功率调节电路发生故障，开启双向功率控制电路。

所述负载重构单元中，对脉冲负载功率进行判断，若脉冲负载功率大于脉冲功率判断阈值，则判断是否可以调整脉冲载荷开机时间或工作次数，若可以，则进行调整脉冲载荷开机时间或工作次数，若不可以，则关闭优先级低的脉冲载荷；

若脉冲功率小于等于脉冲功率判断阈值，则保持当前脉冲载荷工作状态不变；

调整脉冲载荷开机时间或工作次数后，判断全调节母线功率需求，若不满足全部负载功率需求但满足重要负载和关键负载要求，切除一般负载；若不满足重要负载、关键负载功率需求但满足关键负载功率需求，则切除重要和一般负载。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，采用了多层级重构策略，实现了动静态重构。在未发生故障时，通过正常情况的潮流重构控制APR模块的运行状态，实现高效率运行；在发生故障后，通过故障情况母线重构控制双向功率控制电路和重构开关，实现了全调节母线和脉冲母线的重构，保证了两种母线的供电可靠性；

(2)本发明采用多层级重构控制，既能在正常情况下，提高效率，避免轻载低效运行，提升系统性能。又能在故障情况下，实现全调节母线和脉冲母线的高可靠供电。在母线确实功率不满足负载情况下，既能对全调节母线的关键、重要、一般负载进行管理，保证全调节母线的功率平衡；又能对脉冲母线的负载进行管理，保证脉冲母线的功率平衡。

附图说明

图1为发明提供的大功率航天器分布式电源系统可重构架构；

图2为发明提供的重构方法流程图；

图3为发明提供的故障情况母线重构模式一示意图；

图4为发明提供的故障情况母线重构模式二示意图；

图5为发明提供的故障情况母线重构模式三示意图；

图6为发明提供的故障情况母线重构模式四示意图；

图7为发明提供的故障情况母线重构模式五示意图；

具体实施方式

一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，采用了多层级重构策略，实现了动静态重构。在未发生故障时，通过正常情况的潮流重构控制APR模块的运行状态，实现高效率运行；在发生故障后，通过故障情况母线重构控制双向功率控制电路和重构开关，实现了全调节母线和脉冲母线的重构，保证了两种母线的供电可靠性，重构系统具体包括：

大功率航天器分布式电源系统由可重构电源子系统构成，各可重构电源子系统均包括1条脉冲母线及全调节母线，各可重构电源子系统的全调节母线通过双向功率控制电路连接，脉冲母线通过重构开关连接；

大功率航天器分布式电源系统的太阳电池阵通过主动功率调节器连接至全调节母线，大功率航天器分布式电源系统的蓄电池组通过充放电调节器连接至全调节母线，通过开关连接脉冲母线，大功率航天器分布式电源系统的脉冲载荷连接至脉冲母线，大功率航天器分布式电源系统的负载管理配电器连接至全调节母线，负载管理配电器分别连接关键负载、重要负载、一般负载；

静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元、负载重构单元，其中：

静态重构单元：根据上位机指令及接入模块的状态进行模块的识别、接入及退出控制，实现大功率航天器分布式电源系统的组态配置；

具体的，静态重构单元接收上位机组态指令，进行解析并向下位机发送对应的开关机指令，其中，所述组态指令包括供电、储能单元、负载数量、工作模式，开关机指令包括APR开关机指令、BCDR开关机指令、PDU开关指令；

正常情况潮流重构单元：优化配置模块数量以实现电源系统的高效率运行；

具体的，正常情况潮流重构单元根据APR单机总负载情况，发送开关机建议至上位机，收到确认信息后，改变开机的APR单机个数以改变单台APR单机的负载功率以实现转换效率优化，其中：

当正常情况潮流重构单元收到上位机发送的动态组态检查指令后，计算APR单机的输出功率之和ΣPi，若小于额定功率之和的Lowlimit％，获得需要关闭的APR数量，通过上位机关闭目标APR单机，经操作员确认后，向目标APR单机发送关机指令，否则不进行操作；

需要关闭的APR数量N的获取方法为：

式中，Pi为第i个APR模块的功率，Pr为额定功率，N_total为当前运行所有APR模块数；

故障情况母线重构单元：调整重构开关及双向功率控制电路以实现静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元、负载重构单元组成的重构系统中不同单元模块故障下的连续供电，满足各单元功率需求；

具体的，故障情况母线重构单元利用故障诊断算法定位故障类型，若蓄电池组故障，断开电池开关并依次闭合两个重构开关，开启双向功率控制电路；

若大功率航天器分布式电源系统的充放电管理电路、双向功率控制电路故障，获取发生故障的可重构电源子系统中蓄电池组的电压V_b1，将拟接入蓄电池组的电压调节到V_b1，并闭合重构开关；

若大功率航天器分布式电源系统的主动功率调节电路发生故障，开启双向功率控制电路；

负载重构单元：根据电源功率及负载功率，调整不同优先级的负载开关状态以满足各单元功率平衡需求，具体的：

负载重构单元中，对脉冲负载功率进行判断，若脉冲负载功率大于脉冲功率判断阈值，则判断是否可以调整脉冲载荷开机时间或工作次数，若可以，则进行调整脉冲载荷开机时间或工作次数，若不可以，则关闭低优先级的脉冲载荷；

若脉冲功率小于等于脉冲功率判断阈值，则保持当前脉冲载荷工作状态不变；

调整脉冲载荷开机时间或工作次数后，判断全调节母线功率需求，若不满足全部负载功率需求但满足重要负载和关键负载要求，切除一般负载；若不满足重要负载、关键负载功率需求但满足关键负载功率需求，则切除重要和一般负载。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，如图1、图2所示，大功率航天器分布式电源系统重构系统包括静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元以及负载重构单元，其中：

静态重构单元：实现航天器分布式电源系统的组态配置功能，根据上位机指令及接入模块的状态完成模块的识别、接入及退出；

正常情况潮流重构单元：通过优化配置模块数量，实现整个电源系统的高效率运行；

故障情况母线重构单元：通过调整重构开关及双向功率控制电路，实现系统不同模块故障下的连续供电，满足功率需求；

负载重构单元：根据电源功率及负载功率，调整不同优先级的负载开关状态，满足功率平衡要求。

大功率航天器分布式电源系统由多个可重构电源子系统构成。每个子系统由1条脉冲母线和1条全调节母线。多个子系统的全调节母线通过双向功率控制电路连接，脉冲母线通过重构开关连接。太阳电池阵通过主动功率调节器(APR)连接到全调节母线；蓄电池组通过充放电调节器(BCDR)连接到全调节母线，通过开关连接脉冲母线；脉冲载荷连接到脉冲母线；负载管理配电器(PDU)连接到全调节母线，负载管理配电器连接关键负载、重要负载和一般负载。

静态重构单元接收上位机的组态指令，该指令包括供电、储能单元、负载的数量及工作模式等信息，静态重构单元解析后向下位机发送相应的开关机指令，包括APR开关机指令、BCDR开关机指令和PDU开关指令。

正常情况潮流重构单元根据APR单机总负载情况，发送开关机建议到上位机，收到确认后，改变开机的APR单机个数，从而改变单台单机的负载功率，实现转换效率优化。具体逻辑是：当收到上位机软件发送的“动态组态检查”指令后，正常情况潮流重构单元计算APR的输出功率之和(ΣPi)，若小于额定功率之和的Lowlimit％(参数可自定义设置)，获得需要关闭的APR数量，通过上位机建议操作员关闭目标APR单机，经操作员确认后，向目标APR单机发送关机指令。

正常情况潮流重构单元，需要关闭的APR模块数量N的获取方法为：其中Pi为第i个APR模块的功率，Pr为额定功率，N_total为当前运行所有APR模块数。

如图3所示，以两个可重构电源子系统组成的航天器分布式电源系统为例，叙述故障情况母线重构单元的工作原理，整个重构的流程图如图2所示。故障情况母线重构单元，首先利用故障诊断算法定位故障类型。

正常情况下，系统的状态如下：重构功率控制电路1中的双向功率控制电路1处于关机状态，重构开关K1处在断开状态；重构功率控制电路2中的双向功率控制电路2处于关机状态，重构开关K2处在断开状态；蓄电池连接到脉冲母线的开关KP1、KP2处在闭合状态。

如果蓄电池组1发生故障，如图4所示，蓄电池组1无法给脉冲载荷1供电，首先断开电池开关KP1，依次闭合两个重构开关K1、K2，此时蓄电池2给同时给脉冲载荷1和2供电。由于蓄电池组1故障，可能会造成全调节母线1的供电不满足需求，开启双向功率控制电路1和2，此时子系统2的全调节母线2可以给全调节母线1。

如果充放电调节器1发生故障，如图5所示，此时由于蓄电池组1无法充电，故蓄电池组1无法长期给脉冲载荷1供电。首先系统的重构控制单元获取蓄电池组1此时的电压，通过充放电管理电路2将蓄电池组2的电压调节到与蓄电池组1相同。再闭合重构开关1和2。此时，蓄电池组1和2同时给脉冲载荷1和2供电，全调节母线2可以通过充放电管理电路2为蓄电池1和2充电。将蓄电池组2的电压调节到蓄电池组1的电压相同的目的是减小闭合重构开关1和2时的电流冲击。由于充放电管理电路1故障，蓄电池组1仍然无法给全调节母线1上的负载供电，可能会造成全调节母线1的供电不满足需求，开启双向功率控制电路1和2，此时子系统2的全调节母线2可以给全调节母线1。

如果主动功率调节电路1发生故障，如图6所示，此时可能会出现全调节母线1功率不足的情况。此时开启双向功率控制电路1和2。全调节母线2实现与全调节母线1功率的共享。

如果双向功率控制电路1发生故障，如图7所示，当子系统1功率不足时，无法通过双向功率控制电路1和2获得功率。此时，首先系统的重构控制单元获取蓄电池组1此时的电压，通过充放电管理电路2将蓄电池组2的电压调节到与蓄电池组1相同。再闭合重构开关1和2。蓄电池组1和2可通过充放电管理电路1为全调节母线1供电。将蓄电池组2的电压调节到蓄电池组1的电压相同的目的是减小闭合重构开关1和2时的电流冲击。

负载重构单元首先判断脉冲功率是否满足要求，如果不满足要求，判断是否可以调整脉冲载荷开机时间或者工作次数，如果允许则进行调整。然后判断全调节母线功率需求，如果不满足全部负载功率需求但是满足重要负载和关键负载要求，切除一般负载；如果不满足重要和关键负载功率需求但满足关键负载功率需求，则切除重要和一般负载。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，其特征在于：

包括静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元、负载重构单元，其中：

静态重构单元：根据上位机指令及接入模块的状态进行模块的识别、接入及退出控制，实现大功率航天器分布式电源系统的组态配置；

正常情况潮流重构单元：优化配置模块数量以实现电源系统的高效率运行；

故障情况母线重构单元：调整重构开关及双向功率控制电路以实现静态重构单元、正常情况潮流重构单元、故障情况母线重构单元、负载重构单元组成的重构系统中不同单元模块故障下的连续供电，满足各单元功率需求；

负载重构单元：根据电源功率及负载功率，调整不同优先级的负载开关状态以满足各单元功率平衡需求；

大功率航天器分布式电源系统由可重构电源子系统构成，各可重构电源子系统均包括1条脉冲母线及全调节母线，各可重构电源子系统的全调节母线通过双向功率控制电路连接，脉冲母线通过重构开关连接；

所述正常情况潮流重构单元根据APR单机总负载情况，发送开关机建议至上位机，收到确认信息后，改变开机的APR单机个数以改变单台APR单机的负载功率以实现转换效率优化，其中：

当正常情况潮流重构单元收到上位机发送的动态组态检查指令后，计算APR单机的输出功率之和ΣPi，若小于额定功率之和的Lowlimit％，获得需要关闭的APR数量，通过上位机关闭目标APR单机，经操作员确认后，向目标APR单机发送关机指令，否则不进行操作；

所述故障情况母线重构单元利用故障诊断算法定位故障类型，若蓄电池组故障，断开电池开关并依次闭合两个重构开关，开启双向功率控制电路；

若大功率航天器分布式电源系统的充放电管理电路、双向功率控制电路故障，获取发生故障的可重构电源子系统中蓄电池组的电压V_b1，将拟接入蓄电池组的电压调节到V_b1，并闭合重构开关；

若大功率航天器分布式电源系统的主动功率调节电路发生故障，开启双向功率控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，其特征在于：

大功率航天器分布式电源系统的太阳电池阵通过主动功率调节器连接至全调节母线，大功率航天器分布式电源系统的蓄电池组通过充放电调节器连接至全调节母线，通过开关连接脉冲母线，大功率航天器分布式电源系统的脉冲载荷连接至脉冲母线，大功率航天器分布式电源系统的负载管理配电器连接至全调节母线，负载管理配电器分别连接关键负载、重要负载、一般负载。

3.根据权利要求2所述的一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，其特征在于：

所述静态重构单元接收上位机组态指令，进行解析并向下位机发送对应的开关机指令，其中，所述组态指令包括供电、储能单元、负载数量、工作模式，开关机指令包括APR开关机指令、BCDR开关机指令、PDU开关指令。

4.根据权利要求3所述的一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，其特征在于：

所述需要关闭的APR数量N的获取方法为：

式中，Pi为第i个APR模块的功率，Pr为额定功率，N_total为当前运行所有APR模块数。

5.根据权利要求1所述的一种大功率航天器分布式电源系统重构系统，其特征在于：

所述负载重构单元中，对脉冲负载功率进行判断，若脉冲负载功率大于脉冲功率判断阈值，则判断是否可以调整脉冲载荷开机时间或工作次数，若可以，则进行调整脉冲载荷开机时间或工作次数，若不可以，则关闭优先级低的脉冲载荷；

若脉冲功率小于等于脉冲功率判断阈值，则保持当前脉冲载荷工作状态不变；

调整脉冲载荷开机时间或工作次数后，判断全调节母线功率需求，若不满足全部负载功率需求但满足重要负载和关键负载要求，切除一般负载；若不满足重要负载、关键负载功率需求但满足关键负载功率需求，则切除重要和一般负载。