WO2023103471A1

WO2023103471A1 - 宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置

Info

Publication number: WO2023103471A1
Application number: PCT/CN2022/115615
Authority: WO
Inventors: 唐骐; 谢鹏飞; 刘密; 陈永刚; 胡忠阳
Original assignee: 北京卫星制造厂有限公司
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2022-08-29
Publication date: 2023-06-15
Also published as: CN114189153A; CN114189153B

Abstract

本发明涉及宇航二次电源技术领域，公开了一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置。在宇航分布式电源系统中，通过获取源变换器的输出电压Vm、负载变换器的输入电压Vb和输入电流Ib、中间变换器的输出电压uo和电感电流IL，得到中间变换器的数学模型以及输出电压的期望值Vo *和输出电流的期望值IL *，根据基于PCHD方程建立的控制器，对所述中间变换器进行控制。由于被控的中间变换器的被控量由分布式系统中所有变换器的状态量共同决定，大大提高了所述宇航分布式电源系统对于各环节扰动的响应速度与精度，提高了宇航分布式电源系统的级联稳定性。

Description

宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置

本申请要求于2021年12月6日提交中国专利局、申请号为202111511540.2、申请名称为“宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置。

背景技术

近年来，为降低宇航电源系统的供电损耗，提高电源系统的效率及供电灵活性，宇航二次电源供电系统从传统的单级供电架构已逐步转变为两级分布式供电系统架构。宇航分布式电源系统至少由一个源变换器与一个负载变换器级联组成。其中，源变换器实现首次电压变换，同时将电源系统与航天器供电母线隔离，避免因电源系统故障导致母线电压出现灾难性故障负载变换器实现二次电压变换，主要功能为将源变换器的输出电压、电流转化为航天器载荷或用电设备所需的供电电压、电流。

但是，在所述源变换器与负载变换器的级联结构中，由于源变换器的输出与负载变换器的输入相连，因此，任何一方因扰动造成的误差对另一方将产生直接影响，使得整个分布式电源系统对扰动十分敏感，极大降低了供电系统的稳定性。为此，部分学者提出在源变换器与负载变换器中间加入一级中间变换器的方法，实现了源变换器的输出和负载变换器的输入解耦。

尽管在加入中间变换器后，分布式系统的抗干扰能力有了较大程度的提升，但当前的控制方法仅能通过对中间变换器的输出电压、输出电流的定量控制，间接应对源变换器或负载变换器因扰动带来的状态变化。因此，当前控制方法响应速度慢，跟踪精度不高。一方面，当前级变换器遇到异常扰动时，当前的控制方法需要再经过中间变换器的输出变化，才可将异常扰动情况反馈到控制器中，无法快速切断前级变换器的异常对航天器母线电压的干扰，严重时将影响航天器一次母线电压的供电质量，降低了航天器供电可靠性。另一方面，由于航天器的载荷及用电设备能量需求变化快速，负载变换器输出能量变化较大，当前控制方法仍然无法及时且精确的响应，容易导致载荷在较长时间内无法正常工作。因此，研究宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置具有现实意义。

技术问题

本发明提供一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置。

技术解决方案

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法，包括：

获取中间变换器的电感电流 i _L和中间变换器的输出电压 u _o;

获取源变换器的输出电压 V _m；

获取负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b;

根据中间变换器的状态空间平均模型，建立中间变换器基于PCHD方程的数学模型，对所述变换器建立控制器。所述中间变换器的输入为 i _L和 u _o，所述控制器的输出为开关量 d ₁和 d ₂;

所述根据中间变换器和PCHD方程建立所述控制器，包括：

对所述中间变换器进行工作模态分析，建立状态空间平均模型：

L为所述中间变换器电感的电感量， C为所述中间变换器输出电容的电容量， R为所述中间变换器的负载等效电阻值。

由于变换器能量存储器件为电感和电容 C，以能量存储的角度定义

，对状态空间平均模型作变换，得到基于PCHD方程的数学模型：

式中

；

为使得由外部扰动所造成的系统误差能量迅速收敛至0，为所述PCHD方程模型注入阻抗R _a,得到所述控制器的控制律:

根据所获取的源变换器的输出电压 V _m，得到中间变换器电感电流的期望值 i _L ^*，根据所获取的负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b,得到分布式电源系统所需提供给负载的能量，进而中间变换器输出电压的期望值 u _o ^*；

根据所述控制律与所述电流、电压期望值，建立控制器，所述控制器的输出：

i _L和 u _o为所述中间变换器的电感电流和输出电压在某一时刻的状态值，开关量 d ₁和 d ₂为所述控制器的输出，r _a1,r _a2为控制器为分布式电源系统注入的阻抗， i _L ^*和 u _o ^*为所述中间变换器的电感电流的期望值与中间变换器输出电压的期望值。

一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的实现装置，包括：

第一采样模块，用于获取中间变换器的电感电流 i _L和中间变换器的输出电压 u _o；

第二采样模块，用于获取源变换器的输出电压 V _m；

第三采样模块，用于获取负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b;

控制器模块，用于实现中间变换器PCHD模型建立的控制律，包括：

期望值计算单元，用于根据所获取的源变换器的输出电压 V _m，得到中间变换器电感电流的期望值 i _L ^*，根据所获取的负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 i _b,得到分布式电源系统所需提供给负载的能量，进而中间变换器输出电压的期望值 u _o ^*；

系统阻抗注入单元，用于为系统注入阻抗r _a1、r _a2；

控制处理单元，用于根据所述 i _L、 i _L ^*、 u _o、 u _o ^*、r _a1、r _a2，计算出所述开关量 d ₁和 d ₂：

驱动单元，用于将所述开关量 d ₁和 d ₂转化为PWM开关信号，驱动所述中间变换器的开关管执行开通或关断动作。

有益效果

根据本发明的方案，提供了一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置，获取中间变换器的电感电流、输出电压作为被控制量，实时获取源变换器的输出电压、负载变换器的输入电压及电流,计算出所述控制量的期望值，根据基于PCHD方程建立的控制器输出开关量，通过开关量对所述中间变换器的被控量进行控制。所述实现装置的采样部分通过常用的模拟电路实现，控制器部分通过数字电路编程实施，装置简单易实现。综上，所述控制方法及实现装置将因外部扰动造成的源变换器的输出量变化、负载变换器的能量变化实时反馈到中间变换器的控制器中，使得该系统对扰动的响应速度快，能更好的保证航天器母线的供电质量，以及保证航天器各种载荷、用电系统的能量供给。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的应用场景示意图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的中间变换器的结构示意图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统级联稳定性控制电路的中间变换器的工作模态示意图；

图4示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的流程图；

图5示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法实现装置的结构示意图；

图6 示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统的结构示意图；

图7 示意性表示本发明的一种实施方式的宇航分布式电源系统级联稳定性控制效果示意图。

本发明的实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

图1为本发明的一种实施方式提供的一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的应用场景图，宇航分布式电源供电系统中，由航天器太阳能光伏电池阵或蓄电池组提供一次母线，通过源变换器进行隔离变换，进入中间变换器通过控制器进行控制，由中间变换器为负载变换器提供所需的电压、电流，同时实现源变换器输出与负载变换器输入的解耦，负载变换器直接为航天器载荷及用电设备提供所需的能量。

中间变换器主要由电感、电容等储能元件，以及开关管等受控开关器件组成，中间变换器有多种结构形式，本发明提供的一种中间变换器的结构形式，如图2所示。在某一时间周期内，所述中间变换器随着两个开关管的开通与关断具有多种工作模态，如图3所示。依据中间变换器的工作模态，可以获得中间变换器数学模型为：

（1）

其中， d ₁和 d ₂为分别为所述中间变换器的第一开关管和第二开关管的开关量。当第一开关导通时 d ₁=1，当第一开关关断时 d ₁=0，当第二开关导通时 d ₂=1,当第二开关关断时 d ₂=0。 i _L为中间变换器的电感电流， u _o为中间变换器的输出电压， V _m为源变换器的输出电压。

基于图1所示应用场景及图2所示中间变换器，建立本发明实施方式提供的如图4所示的一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法，包括：

步骤S1，获取中间变换器的电感电流 i _L和中间变换器的输出电压 u _o、获取源变换器的输出电压 V _m、获取负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 i _b;

步骤S2，基于PCHD方程建立中间变换器的数学模型；

步骤S3，根据所述基于PCHD方程的数学模型，建立控制器，对中间变换器进行控制，实现对宇航分布式电源系统级联稳定性的控制。

所述步骤S2，基于PCHD方程建立中间变换器的数学模型，包括：

步骤S2-1,针对公式（1），取中间变换器的被控量电感电流 i _L和输出电压 u _o为状态变量

，应用状态空间平均法，获得中间变换器的状态空间平均数学模型为：

（2）

由于变换器电感的电感量 L、输出电容的容量 C为定量，故将

定义为新的状态变量，将公式（2）变为：

（3）

步骤S2-2，将式（3）写为PCHD方程的标准形式，得到所述实例中间变换器基于PCHD方程的数学模型：

（4）

式中

；

步骤S3，根据所述基于PCHD方程的数学模型，建立控制器，对中间变换器进行控制，实现对宇航分布式电源系统级联稳定性的控制。包括：

步骤S3-1，为中间变换器初步建立基于PCHD方程的控制器。包括：

由于中间变换器的储能元件为电感、电容，对应存储的能量为

。定义能量存储函数

,则有

。将能量存储函数对时间求导，得到

,显然

表征能量随时间的变化速率，代入公式（4），可得到：

(5)

对系统因干扰造成的误差，定义为

，则误差能量函数

。将系统的期望值定义为

，显然在任意时刻，有

,则公式（5）可变为：

(6)

由于

，则公式（6）代表了误差能量函数随时间的变化速率。为加快误差能量的变化速率以期系统在受到干扰后能快速的恢复稳态，向系统中注入阻抗

,则公式（6）经整理可变为：

（7）

显然通过设定：

（8）

则公式（7）有

，代表误差能量

将逐渐收敛至0，系统会在一定时间内恢复至稳态。且通过调节注入的阻抗

，动态调节误差能量

收敛至0的速度。由此可见，依据公式（8）为所述中间变换器的建立控制器，使得分布式电源系统实现误差能量的快速收敛，提高系统的抗干扰能力及稳定性。

设定实施例所述中间变换器电感电流期望值为

，为中间变换器的输出电压期望值

，按照公式（4）和公式（8）建立基于PCHD方程的控制器：

（9）

步骤S3-2，基于分布式电源系统建立最终的控制器。

由于中间变换器所需的电感电流由源变换器的输出电容提供，中间变换器的电感电流期望值需跟踪源变换器的输出电容的电压值，对源变换器的输出电压以及中间变换器的电感电流采用伏秒平衡法则，获得中间变换器的电感电流期望值：

（10）

其中，

为源变换器与中间变换级联后振荡频率，该值与中间变换器的开关频率

有关，基于分布式级联系统的Middlebrook判据，需保证

，取

，λ为源变换器电容电压纹波率，通常该值越小越好，但太小的λ意味着过大的源变换器输出电容，一般取λ=0.4，则可以得到中间变换器电感电流期望值：

（11）

另一方面，中间变换器的输出电容存储的能量为中间变换器的输出能量，该能量决定了负载变换器的能量供给，因此，使中间变换器的输出能量设定为跟踪负载变换器的能量供给。得到中间变换器的输出电压期望值：

（12）

最后，将公式（11）、公式（12）代入公式（9），得到最终的控制器:

（13）

由公式（13）可以看出，由本发明所述控制方法建立的控制器，通过输出开关量 d ₁和 d ₂对中间变换器的开关器件进行开通与关断的控制，进而实现对中间变换器以及分布式系统的控制。由于被控变换器的开关量 d ₁和 d ₂由分布式系统中全部变换器的状态量共同决定，大大提高了所述系统对于扰动的响应速度与精度，保障宇航分布式电源系统的级联稳定性。

本发明实施例提供了一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的实现装置，如图5所示，包括：

第二采样模块，用于获取源变换器的输出电压 V _m；

控制器模块，用于实现基于PCHD模型建立的控制器，包括：

期望值计算单元，用于执行公式（11）和公式（12），根据所获取的源变换器的输出电压 V _m，得到中间变换器电感电流的期望值 i _L ^*，根据所获取的负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b,得到分布式电源系统所需提供给负载的能量，进而中间变换器输出电压的期望值 u _o ^*；

系统阻抗注入单元，用于为系统注入阻抗 r _a1、 r _a2；

控制处理单元，用于根据所述 i _L、 i _L ^*、 u _o、 u _o ^*、 r _a1、 r _a2，依据公式（9）计算出所述开关量 d ₁和 d ₂；

本发明实例通过图6示意性表示基于所述控制方法及实现装置的一种宇航分布式电源系统的结构。所述第一、第二、第三采样模块均可通过常用的电流采样电路、电压采样电路实现，所述控制器模块可通过数字电路依据所述公式（9）、所述公式（11）、所述公式（12）进行编程实现所述控制方法，通过基本的AD/DA变换实现采样模块的模拟信号及控制器的数字信号转化。

通过上述控制方法和实施装置，能够更快的响应宇航分布式电源系统各环节的扰动，实现宇航分布式电源系统级联稳定性的控制。本发明实例实现的效果如图7所示，中间变换器输出电压 u _o能迅速跟踪源变换器输出电压 V _m的变化，同时，负载变换器所需电流 I _o的变化对航天器母线电压 V _in的影响较小，表明本发明所述宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法及实现装置对于系统扰动有较强的鲁棒性，实现效果较好。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims

一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法，其特征在于，包括：

获取中间变换器的电感电流 i _L和中间变换器的输出电压 u _o;

获取源变换器的输出电压 V _m；

获取负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b;

根据中间变换器的状态空间平均模型，建立中间变换器基于PCHD（能量耗散哈密顿）方程的数学模型，对所述变换器建立控制器。所述中间变换器的输入为 i _L和 u _o，所述控制器的输出为开关量 d ₁和 d ₂;

所述根据中间变换器和PCHD方程建立所述控制器，包括：

对所述中间变换器进行工作模态分析，建立状态空间平均模型：

L为所述中间变换器电感的电感量， C为所述中间变换器输出电容的电容量， R为所述中间变换器的负载等效电阻值。

由于变换器能量存储器件为电感和电容 C，以能量存储的角度定义
，对状态空间平均模型作变换，得到基于PCHD方程的数学模型：

式中
；

为使得由外部扰动所造成的系统误差能量迅速收敛至0，为所述PCHD方程模型注入阻抗R _a,得到所述控制器的控制律:

根据所获取的源变换器的输出电压 V _m，得到中间变换器电感电流的期望值 i _L ^*，根据所获取的负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b,得到分布式电源系统所需提供给负载的能量，进而中间变换器输出电压的期望值 u _o ^*；

根据所述控制律与所述电流、电压期望值，建立控制器，所述控制器的输出：

i _L和 u _o为所述中间变换器的电感电流和输出电压在某一时刻的状态值，开关量 d ₁和 d ₂为所述控制器的输出，r _a1,r _a2为控制器为分布式电源系统注入的阻抗， i _L ^*和 u _o ^*为所述中间变换器的电感电流的期望值与中间变换器输出电压的期望值。
一种宇航分布式电源系统级联稳定性控制方法的实现装置，其特征在于，包括：

第一采样模块，用于获取中间变换器的电感电流 i _L和中间变换器的输出电压 u _o；

第二采样模块，用于获取源变换器的输出电压 V _m；

第三采样模块，用于获取负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 I _b;

控制器模块，用于实现中间变换器PCHD模型建立的控制律，包括：

期望值计算单元，用于根据所获取的源变换器的输出电压 V _m，得到中间变换器电感电流的期望值 i _L ^*，根据所获取的负载变换器的输入电压 V _b、输入电流 i _b,得到分布式电源系统所需提供给负载的能量，进而中间变换器输出电压的期望值 u _o ^*；

系统阻抗注入单元，用于为系统注入阻抗r _a1、r _a2；

控制处理单元，用于根据所述 i _L、 i _L ^*、 u _o、 u _o ^*、r _a1、r _a2，计算出所述开关量 d ₁和 d ₂：

驱动单元，用于将所述开关量 d ₁和 d ₂转化为PWM开关信号，驱动所述中间变换器的开关管执行开通或关断动作。