CN114268145A - 一种基于下垂控制的充放电调节器和调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于下垂控制的充放电调节器和调节方法，属于空间电源技术领域，其特征在于，所述基于下垂控制的充放电调节器至少包括：双向DCDC变换器，实现功率在母线侧与蓄电池的双向流动；连接于所述双向DCDC变换器母线侧的母线滤波器；与所述母线滤波器连接的母线侧接入与保护电路；连接于所述双向DCDC变换器蓄电池侧的蓄电池滤波器；与所述蓄电池滤波器连接的蓄电池侧接入与保护电路。本发明通过硬件电路实现的下垂控制策略，满足空间环境的抗辐照、可靠性和成本控制的要求。
Description
技术领域
本发明属于空间电源技术领域，具体涉及一种基于下垂控制的充放电调节器和调节方法。
背景技术
电源分系统作为航天器能量系统的唯一来源，直接影响着航天任务的成败。现有的航天器电源由光伏太阳电池板、蓄电池和电源控制器组成。其中光伏太阳电池板为发电单元，蓄电池为储能单元，电源控制器起到在太阳电池板、蓄电池和负载功率调配的作用。现有的航天器电源分系统通常是基于统一的误差放大信号进行分流调节，最大功率跟踪和充放电调节，这种属于集中式架构。所有的功率单元的控制信号均来源唯一的误差放大器，统一误差放大器失效会带来整个电源分系统的故障，从而影响航天器的成败。
我国探月工程、火星探测和空间站工程已经均取得了举世瞩目的成就，随着后续航天任务的开展，在地外空间建立基地将变为可能。基地建设相较于传统卫星电源系统的更为复杂，可能涉及的能源种类也会增多，可靠性和维护性要求更高。传统航天器电源的集中式架构已经无法满足未来航天器电源系统的需求。
在地面智能电网领域，也存在多种分散的发电能源，储能单元和用电设备。为了协调这些发电能源、用电设备和储能单元的能量平衡，分布式系统有很多控制方案，如有主从控制，下垂控制等。其中下垂控制法在微电网系统的到了广泛的应用。下垂控制根据设定的下垂曲线进行调节。与固定母线输出的控制方式不同的是下垂控制中的母线电压不再是根据固定值，而是根据输出功率的变化而变化。下垂控制可以完全不依赖通信线来实现功率平衡，具有很好的系统可扩展性和维修性，是未来分布式航天器可以采用的一种控制方式。
发明内容
本发明提供一种基于下垂控制的充放电调节器和调节方法，通过硬件电路实现的下垂控制策略，满足空间环境的抗辐照、可靠性和成本控制的要求。
本发明的第一目的是提供一种基于下垂控制的充放电调节器，包括：
双向DCDC变换器，实现功率在母线侧与蓄电池的双向流动；
连接于所述双向DCDC变换器母线侧的母线滤波器；
与所述母线滤波器连接的母线侧接入与保护电路；
连接于所述双向DCDC变换器蓄电池侧的蓄电池滤波器；
与所述蓄电池滤波器连接的蓄电池侧接入与保护电路。
优选地，所述母线滤波器和蓄电池滤波器为π型滤波器。
优选地，所述母线侧接入与保护电路包括实现充放电调节器通断的NMOS管，所述NMOS管的漏极与母线正极端连接，所述NMOS管的栅极与母线侧保护电路连接，所述NMOS管的源极与母线滤波器连接。
优选地，所述蓄电池侧接入与保护电路包括实现充放电调节器通断的NMOS管，所述NMOS管的漏极与蓄电池正极端连接，所述NMOS管的栅极与电池侧保护电路连接，所述NMOS管的源极与蓄电池滤波器连接。
优选地，所述双向DCDC变换器的形式为Buck、Boost、Super-Buck、Super-Boost、HE-boost和Weinberg中的一种。
优选地，所述双向DCDC变换器的形式为移相全桥、LLC谐振和CLLC谐振变换器中的一种。
优选地，所述双向DCDC变换器包括VMEA信号调理电路、放电环路和充电环路。
本发明的第二目的是提供一种分布式航天器电源系统，包括：
M个上述基于下垂控制的充放电调节器，M为大于1的自然数；
M个太阳电池阵；其中：
每个充放电调节器分别与通信汇流总线和功率汇流总线连接。
本发明的第三目的是提供一种调节方法，
基于上述分布式航天器电源系统实现如下步骤：
将采样的母线电压固定基准之差的比例值作为母线误差放大信号，该母线误差放大信号用于控制放电调节器的放电电流，从而实现放电调节器对母线电压的控制；
参考基准与母线误差放大信号之差作为蓄电池误差放大信号，从而实现放电调节器对蓄电池充电电流的控制。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.可靠性高，电源子系统各自有各自的误差放大信号，任何一个子系统误差放大信号的失效均不会影响电源分系统的正常工作。
2.成本低，在空间环境采用硬件控制实现下垂控制，相较于通过微处理器或FPGA软件实现的下垂控制，大大降低了系统成本。
3.维修性高，可以实现子系统中充放电调节器的在线更换。
4.适应性强，理论上可以实现电源子系统容量的扩展。
本发明具有可靠性高、成本低、可扩展、和可维修性高等优点。
附图说明
图1为本发明优选实施例中分布式航天器电源系统的基本框图；
图2本发明优选实施例中基于下垂控制的充放电调节器的结构示意图；
图3本发明优选实施例中基于下垂控制中充放电电流与母线电压关系示意图；
图4是本发明优选实施例中VBUS与VMEA和VBEA的对应关系图；
图5是本发明优选实施例中VMEA信号调理电路示意图；
图6是本发明优选实施例中电源子系统放电环路控制示意图；
图7是本发明优选实施例中电源子系统充电环路控制示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。本发明列举的电路图中电阻、二极管、功率管等元器件，也可以是等效电阻、二极管、功率管组合网络，但以本发明电路图最为简洁。
如图1至图7所示，本发明的技术方案为：
为了解决未来航天器电源分系统中分布式控制要求，本文针对分布式系统应用的一种基于硬件实现的下垂控制的蓄电池充放电调节器。
如图2所示，一种基于下垂控制的充放电调节器，包括：
双向DCDC变换器，实现功率在母线侧与蓄电池的双向流动；
连接于所述双向DCDC变换器母线侧的母线滤波器；所述母线滤波器为π型滤波器；
与所述母线滤波器连接的母线侧接入与保护电路；所述母线侧接入与保护电路包括实现充放电调节器通断的NMOS管，所述NMOS管的漏极与母线正极端连接，所述NMOS管的栅极与母线侧保护电路连接，所述NMOS管的源极与母线滤波器连接。
连接于所述双向DCDC变换器蓄电池侧的蓄电池滤波器；所述蓄电池滤波器为π型滤波器；
与所述蓄电池滤波器连接的蓄电池侧接入与保护电路。所述蓄电池侧接入与保护电路包括实现充放电调节器通断的NMOS管，所述NMOS管的漏极与蓄电池正极端连接，所述NMOS管的栅极与电池侧保护电路连接，所述NMOS管的源极与蓄电池滤波器连接。
一种分布式航天器电源系统，包括：
若干个电源子系统，每个子系统包括上述基于下垂控制的充放电调节器和太阳电池阵；
若干个电源子系统通过功率汇流和信号汇流构成整个电源分系统。其中电源子系统中由若干个充放电调节单元组成。充放电调节单元之间通过平均电流控制实现充放电调节单元的均流。电源子系统为下垂控制，可以不依赖与通信线来实现子系统之间的均流。
本发明所述的硬件控制实现的下垂控制采样的母线电压固定基准之差的比例值作为母线误差放大信号，该母线误差放大信号用于控制放电调节器的放电电流，从而实现放电调节器对母线电压的控制。参考基准与母线误差放大信号之差作为蓄电池误差放大信号，从而实现放电调节器对蓄电池充电电流的控制。
本发明所述的电源分系统可以实现子系统的任意数量的并联，可以实现故障情况下，电源子系统的更换，具备了高的可维修性。适用于未来空间站和地外基地的大功率能量需求的场合。
图1所示为本发明所提出的未来分布式航天器电源分系统的基本框图。分布式电源分系统可以由若干个功能相同的电源子系统组成，电源子系统均有独立的误差放大信号。分布式电源子系统均连接到功率汇流总线与信号汇流总线，完成相应的功率分配与通信功能。分布式电源分系统子单元主要有太阳电池阵、蓄电池、太阳电池阵调节器和充放电调节器组成。太阳电池阵为发电单元，接收太阳光作为能量来源。太阳电池阵调节器用于实现对太阳电池功率的调节。蓄电池为储能单元在太阳电池阵功率满足负载需求时可以通过充放电调节器给蓄电池充电，在太阳电池阵能量不足以满足负载需求时和地影期通过充放电调节器给母线给供能量。充放电调节器主要用于给蓄电池充放电。
图2本发明中基于下垂控制的电源子系统中充放电调节单元示意图。每个电源子系统中充放电调节器可以由充放电调节单元组成。母线侧与蓄电池侧正端接有NMOS管从而实现充放电调节器的接入与断开，可以实现在轨维护。采集电流和电压后通过相应的比较锁定电路控制MOS管开同与关断实现的浪涌电流抑制、过流保护和欠过压保护功能。在母线侧与蓄电侧保护电路后接π型滤波器，滤波器的作用有两个方面，一方面保证了充放电调节器输入输出电流的连续性，另外一方面保证充放电调节器的电磁兼容特性符合相应的标准。滤波器后为能够实现能量双向流动的DCDC变换器，用于实现功率在母线侧与蓄电池侧的双向流动。
图3所示为基于下垂控制中充放电电流与母线电压关系示意图。其中VBUS-BDR-H放电域母线电压上限值，VBUS-BDR-L放电域母线电压下限值。VBUS-BCR-H为放电域母线电压上限值，VBUS-BCR-L为放电域母线电压下限值，Icharge-MAX为充电电流限流值，Idisharge-MAX为放电电流限流值。
当母线电压高于VBUS-BDR-H时，充放电调节器可以工作在设定恒流恒压充电的状态。母线电压介于VBUS-BDR-H和VBUS-BDR-L之间时，充电调节器能够充电的最大电流介于Icharge-MAX和0之间，随着母线电压降低，最大充电电流逐渐减小。母线电压VBUS-BDR-L和VBUS-BCR-H为充电调节器与放电调节器之间的死区，避免充电调节器与放电调节器同时工作而在变换器内部产生的环流。母线电压VBUS-BCR-H和VBUS-BCR-L为放电调节器工作的母线电压工作范围，放电调节器能够充电的最大电流介于Idisharge-MAX和0之间，随着母线电压降低，放电电流逐渐增加，维持母线电压的恒定。当母线电压低于VBUS-BCR-L时，放电调节器工作在以最大放电流Idisharge-MAX工作的限流工作状态。
图4为电源子系统中的母线电压VBUS与VMEA和VBEA的对应关系图。其中VMEA为母线误差放大信号，VBEA为蓄电池误差放大信号。VMEA-BDR-H放电域母线电压误差放大信号上限值，VMEA-BDR-L放电域母线电压误差放大信号下限值，VMEA-BCR-H充电域母线电压误差放大信号上限值，VMEA-BCR-L充电电域母线电压误差放大信号下限值，VBEA-BCR-H蓄电池电压误差放大信号上限值，VBEA-BCR-L蓄电池电压误差放大信号下限值。
VMEA和VBEA这两个误差放大信号用来实现充放电调节器随母线电压变换充放电功率的调节作用。其中VBUS-BDR-H对应VMEA-BDR-L，VBUS-BDR-L对应VMEA-BDR-H，随着母线电压VBUS的降低VMEA的值逐渐降低。VMEA用于控制放电电流值，由此可得VMEA越高，放电电流越大。随着VMEA的增加，VBEA逐渐减小。其中VBUS-BCD-H对应于VMEA-BCD-L和VBEA-BCD-H，VBUS-BCD-L对应于VMEA-BCD-H和VBEA-BCD-L。由此可得VBEA越高，充电电流越大。
图5为VMEA信号调理电路示意图。母线电压分压产生的信号VBUS-low与DA值做相应差分运算后的值与基准信号Vref1做比例运算获得VMEA。其中给定DA值的作用是为了对充放电调节器工作的下垂曲线可以进行上下的偏移。充放电调节器的下垂曲线的偏移可以解决多个电源子系统并联工作时由于线路阻抗带来的子系统之间的均流。
图6为单个电源子系统放电环路控制示意图。误差放大信号VMEA与最大充电电流Ilimit-charge通过取小电路获得最小值。其中Ilimit-charge的作用是当母线电压已经低于放电工作状态输出最低电压时，工作在限流工作状态，保证控制器输出功率不超出设定值。通过取小电路获得VMEA与Ilimit-charge的最小值，最小值用来控制子系统每个放电模块的电流实现闭环控制。
图7为单个电源子系统充电环路控制示意图。用于实现蓄电池的恒压恒流充电。基准信号Vref2减去VMEA的值为VBEA。Vref2与VBAT-low做PI运算获得VBATEAR信号。通过取小电路获得VBEA、Ilimit-discharge和VBATEAR中的最小值，最小值用于控制子系统的充电电流的控制。当母线电压高于VBUS-BDR-H时可以实现了蓄电池恒压恒流充电，当母线电压VBUS-BDR-H在VBUS-BDR-L之间时，实现下垂控制。
本发明中，图2中描述的双向DCDC变换器的实现形式包括各种非隔离拓扑如Buck、Boost、Super-Buck、Super-Boost、HE-boost和Weinberg等和隔离拓扑构如移相全桥，LLC谐振和CLLC谐振变换器等。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，至少包括：
双向DCDC变换器，实现功率在母线侧与蓄电池的双向流动；
连接于所述双向DCDC变换器母线侧的母线滤波器；
与所述母线滤波器连接的母线侧接入与保护电路；
连接于所述双向DCDC变换器蓄电池侧的蓄电池滤波器；
与所述蓄电池滤波器连接的蓄电池侧接入与保护电路。
2.根据权利要求1所述基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，所述母线滤波器和蓄电池滤波器为π型滤波器。
3.根据权利要求1所述基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，所述母线侧接入与保护电路包括实现充放电调节器通断的NMOS管，所述NMOS管的漏极与母线正极端连接，所述NMOS管的栅极与母线侧保护电路连接，所述NMOS管的源极与母线滤波器连接。
4.根据权利要求1所述基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，所述蓄电池侧接入与保护电路包括实现充放电调节器通断的NMOS管，所述NMOS管的漏极与蓄电池正极端连接，所述NMOS管的栅极与电池侧保护电路连接，所述NMOS管的源极与蓄电池滤波器连接。
5.根据权利要求1所述基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，所述双向DCDC变换器的形式为Buck、Boost、Super-Buck、Super-Boost、HE-boost和Weinberg中的一种。
6.根据权利要求1所述基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，所述双向DCDC变换器的形式为移相全桥、LLC谐振和CLLC谐振变换器中的一种。
7.根据权利要求1所述基于下垂控制的充放电调节器，其特征在于，所述双向DCDC变换器包括VMEA信号调理电路、放电环路和充电环路。
8.一种分布式航天器电源系统，其特征在于，至少包括：
M个权利要求1-7任一项所述基于下垂控制的充放电调节器，M为大于1的自然数；
M个太阳电池阵；其中：
每个充放电调节器分别与通信汇流总线和功率汇流总线连接。
9.一种调节方法，其特征在于，基于所述权利要求8所述分布式航天器电源系统实现如下步骤：
将采样的母线电压固定基准之差的比例值作为母线误差放大信号，该母线误差放大信号用于控制放电调节器的放电电流，从而实现放电调节器对母线电压的控制；
参考基准与母线误差放大信号之差作为蓄电池误差放大信号，从而实现放电调节器对蓄电池充电电流的控制。
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