畢超1，閆奎2，葉沙琳2，洪峰1

　　(1.南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

        摘要：提出一種以三端口模塊（ThreePort Converters，TPC）為基本單元構(gòu)成的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)及其功率控制方法。該系統(tǒng)以TPC為基本單元，通過將各TPC的輸入端口并聯(lián)連接，實現(xiàn)儲能裝置和負(fù)載分散配置。以兩個TPC組成的本衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)為例，分析所有可能的工作模式，并提出有效的系統(tǒng)功率控制策略，以實現(xiàn)在各種工作狀態(tài)下平滑、穩(wěn)定地切換。

　　關(guān)鍵詞：三端口變換器；衛(wèi)星電源；分布式架構(gòu)；儲能電池分散配置；負(fù)載分散配置

　　中圖分類號：V442文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.022

　　引用格式：畢超，閆奎，葉沙琳，等. 一種基于三端口模塊的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)研究［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（6）：72-76.

0引言

　　衛(wèi)星電源系統(tǒng)作為獨立的可再生能源的獨立供電系統(tǒng)，一般會配有儲能電池，從而形成了輸入、輸出和作為能量緩沖單元的三個端口的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展，對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的要求也越來越高。傳統(tǒng)衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用多個兩端口變換器構(gòu)成，經(jīng)過幾級變換，效率低下，且體積笨重，成本過高，難以適應(yīng)未來衛(wèi)星供電系統(tǒng)的要求。而集成三端口變換器可同時實現(xiàn)輸入源、儲能裝置和負(fù)載三個端口的功率管理和能量控制，具有高變換效率、高集成度和低體積成本的優(yōu)點，近年來在衛(wèi)星電源供電系統(tǒng)研究中得到越來越多的關(guān)注。

　　另一方面，現(xiàn)有衛(wèi)星電源系統(tǒng)儲能元件大多是集中配置的電池組，蓄電池組是直接接入母線，結(jié)構(gòu)簡單，充放電效率高，沒有設(shè)置充放電電路，其充分利用能源［1］；而并聯(lián)的電池組從安全性、壽命等因數(shù)出發(fā)，在其他類型的架構(gòu)中，則會增加針對電池組的充、放電電路［2］，這樣就增加系統(tǒng)重量?？梢?，儲能元件可靠控制與簡化系統(tǒng)、減輕重量之間存在矛盾性。本文針對該問題提出一種將蓄電池和負(fù)載均分散配置的衛(wèi)星電源系統(tǒng)架構(gòu)，旨在簡化系統(tǒng)，并且在不增加系統(tǒng)重量的同時，儲能元件也能有效控制。以TPC模塊為基本單元構(gòu)成本衛(wèi)星電源系統(tǒng)，TPC作為一個節(jié)點進(jìn)行研究，可以降低研發(fā)成本，提高系統(tǒng)冗余度和穩(wěn)定性。本分布式衛(wèi)星電源系統(tǒng)還有利于就近消化電力、減少集中輸電的線路損耗、節(jié)省輸配電投入；故障發(fā)生時，利于更快速的局部解列，提高系統(tǒng)可靠性。

　　近幾年以三端口變換器構(gòu)成的衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研究剛剛起步［312］，相關(guān)研究提出了三端口三端并聯(lián)的系統(tǒng)以及三端口兩端并聯(lián)的系統(tǒng)，如分布式供電系統(tǒng)［13］、分布式負(fù)載系統(tǒng)［14］和分布式儲能系統(tǒng)［15］。而本文提出輸入源單端并聯(lián)的系統(tǒng)，如圖1所示，讓兩個端口都做到獨立。本文從系統(tǒng)架構(gòu)、工作模式、控制方法等方面對本衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了兼顧實現(xiàn)輸入最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）、穩(wěn)定輸出及蓄電池充放電控制等要求的多目標(biāo)優(yōu)化功率控制和能量管理策略以及脈寬調(diào)制等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。通過本文的研究，促進(jìn)衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)的生成和基本框架的完善。

1衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)

　　1.1非隔離三端口變換器模塊

　　非隔離三端口變換器適用于不需要電氣隔離的場合，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、無變壓器、體積小、重量輕和設(shè)計緊湊。本衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用如圖2所示的三端口變換器作為基本構(gòu)成模塊，該TPC由一個雙向buckboost和一個單向buck變換器組成，并通過添加少許功率器件，實現(xiàn)了輸入到輸出、輸入到蓄電池和蓄電池到輸出三條功率流路徑，且三條功率流路徑均為一級變換，效率高、部件利用率高、功率密度高，有利于衛(wèi)星電源系統(tǒng)的體積、重量和成本的降低。

　　1.2系統(tǒng)架構(gòu)

　　為簡便分析，采用兩個如圖2所示的TPC模塊構(gòu)成本衛(wèi)星電源系統(tǒng)，如圖3所示。令pin1(pin2)、pb1(pb2)和po1(po2)分別為兩個節(jié)點(一個節(jié)點即為一三端口變換器，分別用虛線框處)輸入端功率、蓄電池端功率和輸出端功率。兩個節(jié)點各端口間的功率應(yīng)滿足如下關(guān)系：

　　pin1=po1+pb1

　　pin2=po2+pb2(1)

　　令pin、po和pb分別為本電源系統(tǒng)的總輸入功率、總輸出功率和蓄電池功率，則有：

　　pin=pin1+pin2

　　po=po1+po2

　　pb=pb1+pb2(2)

　　1.3系統(tǒng)工作狀態(tài)和模式分析

　　為滿足衛(wèi)星在不同情況下的供電需求，需對衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行有效的能量管理。為此首先需研究本衛(wèi)星電源系統(tǒng)所有的工作狀態(tài)，討論其工作模式，而后才能對此提出行之有效的功率控制策略，以保證衛(wèi)星電源在各種情況下都能為負(fù)載提供穩(wěn)定的能量。

　　衛(wèi)星在軌運行時，會出現(xiàn)光照期和陰影期。在光照期間，當(dāng)太陽能電池充足時，給負(fù)載供電的同時將多余能量存儲在蓄電池中；當(dāng)太陽能電池能量不足時，由作為能量緩沖單元的蓄電池補充不足的能量。在陰影期，則完全由蓄電池向負(fù)載供電。

　　接下來詳細(xì)分析圖3所示兩節(jié)點輸入源單端并聯(lián)分布式系統(tǒng)。先假設(shè)po1>po2,則有：

　?。?）光照期，此時分為兩種情況：

　?、偬柲茈姵啬芰砍渥悖琾in>po，此時系統(tǒng)包含三種工作模態(tài)，系統(tǒng)中兩個雙向buckboost均工作在buck模式下，開關(guān)管S5、S25導(dǎo)通，S1、S21關(guān)斷。

　　(a)工作模態(tài)1：系統(tǒng)中蓄電池均未達(dá)到充電上限，則系統(tǒng)將多余的能量存儲在蓄電池中，給兩節(jié)點蓄電池繼續(xù)充電。將此模式定為MPPT雙輸出模式。

　　(b)工作模態(tài)2： 此時節(jié)點2蓄電池已充滿，而節(jié)點1未充滿，此時系統(tǒng)在控制輸入端MPPT和負(fù)載端穩(wěn)壓的同時，還要控制節(jié)點2蓄電池，避免過充已損壞電池。將此模式定為MPPT穩(wěn)雙輸出模式。

　　(c)工作模態(tài)3：此種模式下，系統(tǒng)中的蓄電池均達(dá)到充電電壓上限，則系統(tǒng)需在控制負(fù)載端穩(wěn)壓的同時，還要控制系統(tǒng)中蓄電池的充電狀態(tài)，避免過充已損壞電池。將此模式定為穩(wěn)雙輸出模式。

　?、谔柲茈姵啬芰坎蛔銜r，pin<po，此時包含兩種工作模態(tài)。

　　(a)工作模態(tài)4：pin>po1，此種模態(tài)下，輸入能量只夠節(jié)點1負(fù)載能量需求，剩余能量不足節(jié)點2負(fù)載需求，需要蓄電池釋放能量來補給供電。此時節(jié)點1雙向buckboost變換器不工作，節(jié)點2雙向buckboost變換器工作在boost模式下，開關(guān)管S5、S25和S21關(guān)斷，S1開通。將此種模式定為MPPT雙輸入模式。

　　(b)工作模態(tài)5：pin<po1，pin+pb1>po1，pb2>po2；在這種模式下，需要蓄電池來補給供電，兩節(jié)點雙向buckboost均工作在boost狀態(tài)下，開關(guān)管S5、S25關(guān)斷，S1、S21開通，并且節(jié)點2單向buck變換器不工作。將此種模式定為MPPT雙輸入加單輸入模式。

　?。?）陰影期，Pin=0，此時分為兩種模態(tài)：

　　（a)工作模態(tài)6：pb1>po1，pb2>po2；系統(tǒng)中單向buck變換器均不工作，兩節(jié)點中負(fù)載由該節(jié)點蓄電池單獨供電。將此種模式定為單輸入模式。

　　(b)工作模態(tài)7：該pb1>po1，pb2<po2；此狀態(tài)下節(jié)點2蓄電池的能量不足以提供給節(jié)點2負(fù)載，此時讓節(jié)點1蓄電池將多余能量補給到節(jié)點2，以實現(xiàn)節(jié)點2負(fù)載端所需能量。將此種模態(tài)定為補給供電模態(tài)。

　　各模態(tài)下的系統(tǒng)工作功率流路徑如圖4所示，電路中虛線表示該部分不工作，實線表示各部件處于工作狀態(tài)。圖47種工作模式

　　2功率控制策略

　　由上面的工作模態(tài)分析可知，為了實現(xiàn)輸入最大功率點跟蹤、穩(wěn)定輸出及有效控制蓄電池的充放電過程，保護(hù)蓄電池不受損傷等多目標(biāo)的要求，必須通過合理的功率控制策略來實現(xiàn)本衛(wèi)星電源系統(tǒng)在各種狀態(tài)下都能穩(wěn)定工作。本文以圖3所示的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)為例，來闡述有效的功率控制策略。

　　圖5為本衛(wèi)星電源的功率控制策略框圖，圖中IVR、BVR1、BVR2、OVR1和OVR2分別表示輸入電壓調(diào)節(jié)器、兩節(jié)點蓄電池電壓調(diào)節(jié)器和兩節(jié)點輸出電壓調(diào)節(jié)器，其中uIVR、uOVR1、uOVR2、uBVR1和uBVR2分別表示各調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果（若想控制蓄電池充電電流，只需再加入電流調(diào)節(jié)器即可，可得兩路控制信號uBCR1和uBCR2，為便于討論，這里沒有引入），pin與po和po1相比較得到兩個控制信號uP1、uP2。上述7種控制信號被一起送入到邏輯控制工作模式選擇器中，邏輯電路根據(jù)這7個控制信號將整個系統(tǒng)分為7個工作模態(tài)，通過輸出合適的開關(guān)組合狀態(tài)來確保本衛(wèi)星電源系統(tǒng)在各種情況下都能穩(wěn)定地工作。

　　當(dāng)uP1=1時，(1）如果uBVR1和uBVR2均未達(dá)到最大值，用uIVR控制開關(guān)管S4，uOVR1控制S5，S1關(guān)斷，S2與S5互補導(dǎo)通；uOVR2控制S24，uBVR2控制S25。(2）如果uBVR2達(dá)到最大值，還是用uIVR控制開關(guān)管S4，uOVR1控制S5，S1關(guān)斷，S2與S5互補導(dǎo)通；uOVR1控制S24，uBVR2控制S25。(3）如果uBVR1和uBVR2均達(dá)到最大值，用uOVR1控制S4，uBVR1控制S5，S1關(guān)斷，S2與S5互補導(dǎo)通；用uOVR2控制S24，uBVR2控制S25，S21關(guān)斷，S22與S25互補導(dǎo)通。當(dāng)uP1=0，uP2=1時，用uOVR1控制S2，S1閉合，S5關(guān)斷；用uIVR控制S24，uOVR2控制S22，S25關(guān)斷，S21恒通。當(dāng)uP2=0時，用uIVR控制S4，uOVR1控制S2，S5關(guān)斷，S1恒通；uOVR2控制S22，S24和S25關(guān)斷，S21恒通。當(dāng)uin=0，ub1>ub1min，ub2>ub2min時，用uOVR1、uOVR2控制S2和S22，S4、S24、S5和S25關(guān)斷，S1和S21恒通。當(dāng)ub1>ub1min，ub2<ub2min時，S26恒通，用uOVR1控制S2，用uOVR2控制S24。

3仿真波形結(jié)果

　　為驗證該方案的可行性，對系統(tǒng)進(jìn)行了Saber仿真，仿真條件如表1所示，仿真中輸入源采用“電壓源+電阻”模擬太陽能電池板輸出特性。當(dāng)太陽能電池能量充足時，有工作模態(tài)1、2和3，主要區(qū)別在于控制的是輸入源電壓還是蓄電池端電壓，以模態(tài)1為例，波形其仿真波形如圖6所示。控制節(jié)點1的蓄電池電壓，對其進(jìn)行恒壓充電，太陽能電池通過節(jié)點2模塊實現(xiàn)MPPT的同時將多余能量給節(jié)點2蓄電池充電。

　　當(dāng)太陽能電池不足時，有工作模態(tài)4和5，以模態(tài)5為例，其仿真波形如圖7所示，節(jié)點2單向buck變換器不工作，節(jié)點1單向buck變換器工作在MPPT狀態(tài)下，不足能量由蓄電池通過雙向buckboost變換器補充。

　　當(dāng)太陽能電池不提供能量時，負(fù)載能量全部由蓄電池提供，有工作模態(tài)6和7，其仿真波形如圖8和圖9所示。

　　上述仿真結(jié)果表明，采用所提出的功率控制策略，圖3所示衛(wèi)星分布式電源系統(tǒng)均可以在各工作狀態(tài)中穩(wěn)定運行，驗證了所提出基于模塊化三端口的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)的可行性和本功率控制策略的有效性。

4結(jié)論

　　為了簡化衛(wèi)星電源系統(tǒng)，減輕系統(tǒng)重量，并且能夠確保衛(wèi)星供電系統(tǒng)穩(wěn)定工作，本文提出了基于三端口模塊的衛(wèi)星電源分布式系統(tǒng)架構(gòu)及其功率控制策略。理論分析和仿真結(jié)果表明：（1）采用三端口模塊為基本單元構(gòu)建本衛(wèi)星電源系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)可靠性，當(dāng)故障發(fā)生時，有利于更快速的局部解列；（2）采用儲能電池分散配置，有利于就近消化電力，減少集中輸電的的線路損耗、節(jié)省輸配電投入；（3）節(jié)點之間儲能電池能量能夠相互饋電，提高了系統(tǒng)可靠性；（4）在上述功率控制策略下，系統(tǒng)在各種模態(tài)下均能穩(wěn)定工作，并能時刻保證各節(jié)點負(fù)載端能量需求。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 王濤. 微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計［D］. 天津: 天津大學(xué)，2012.

　?。?］ 董文博. 微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的智能化設(shè)計和充電技術(shù)研究［D］. 北京: 清華大學(xué)，2006.

　?。?］ 吳紅飛. 基于功率流分析與重構(gòu)的直流變換器的拓?fù)溲苌碚摵头椒ǎ跠］. 南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

　?。?］ Qian Zhijun, ABDELRAHMAN O, ALATRASH H, et al. Modeling and control of threeport DCDC convert interface for satellite applications［J］. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(3): 637-649.

　?。?］ KATO K, ITOH J. An investigation of high efficiency operation conditions for a threeport energy source system using an indirect matrix converter［C］. IEEE ECCE2011，2011: 230-237.

　?。?］ 楊海峰. 獨立太陽能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的多端口雙向DCDC 變換器研究［D］. 呼和浩特:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

　?。?］ Hu Haibing，HARB S，F(xiàn)ang Xiang，et al. A threeport flyback for PV microinverter applications with powerpulsation decoupling capability［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(9): 3953-3964.

　　［8］ 支剛. 三端口雙向直流變換器的控制策略研究［D］. 北京:北京交通大學(xué)，2010.

　?。?］ 姚雨迎，鄢婉娟. 衛(wèi)星三端口DCDC變換器技術(shù)綜述［J］. 航天器工程，2014，23(5): 116-120.

　?。?0］ Wang Lei，Wang Zhan，Li Hui．Asymmetrical duty cycle control and decoupled power flow design of a threeport bidirectional DCDC converter for fuel cell vehicle application［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(2)：891-904．

　?。?1］ 李芳，游小杰，李艷．航天用非隔離集成三端口變換器的建模與控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2014，29(1)：291-300．

　　［12］ Wang Zhan，Li Hui．An integrated threeport bidirectional DCDC converter for PV application on a DC distribution system［J］．IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(10)：4612-4624．

　　［13］ 張君君，吳紅飛，葛紅娟，等. 一種基于三端口變換器的航天器分布式供電系統(tǒng)［J］．中國電機工程學(xué)報，2015，35(24)：6459-6466．

　　［14］ 張君君，吳紅飛，葛紅娟，等. 面向分布式負(fù)載的模塊化三端口功率系統(tǒng)［J］．電氣工程學(xué)報，2015，10(4)：91-98．

　?。?5］ 曹鋒. 模塊化三端口變換器研究［D］. 南京：南京航空航天大學(xué)，2014.