卫星大力矩飞轮电机双向逆变电源研究

摘要

在卫星运行过程中，对发生事件的热点地区监控需要卫星姿态的快速调整。卫星姿态的快速调整需要飞轮速度快速转变，卫星电源系统需要提供较大的瞬时功率，但卫星空间体积较小，电池容量有限，传统卫星电源系统是无法满足大力矩飞轮加速的要求。超级电容具有功率密度高和瞬时功率大的优点，弥补了空间电池的上述缺点，在文中的传统卫星电源系统中加入超级电容后可满足负荷功率变化较大需求。本文通过仿真，研究传统卫星电源系统依次加入大力矩飞轮和超级电容后的影响，并进行对基于超级电容的双向DC/DC变换器软硬件设计。
　　首先，本文使用MATLAB软件建立卫星电源管理仿真系统，研究传统卫星电源系统加入大力矩飞轮后对系统运行产生的影响。第一，建立模拟光伏发电组件、锂电池组件和一般交流负荷组成的传统卫星电源系统模型，分析系统加入双向流动大功率力矩飞轮后的系统直流母线电压变化，判断系统是否能稳定运行；第二，分析电源系统加入超级电容对系统性能改善。第三，使用不同初始容量的锂电池和超级电容系统进行仿真，结果显示当超级电容容量较高、锂电池容量较低时，系统比其他初始状态运行更为稳定，利用该结果确定了功率分配的具体参数，并且当连接超级电容组件的双向DC/DC变换器具有较快的PID调节速度时，电源系统能稳定运行。
　　其次，上述系统仿真结果分析可知连接超级电容的双向DC/DC变换器调节速率，对电源系统的稳定运行起到至关重要作用，因此硬件系统设计主要以3kW双向DC/DC变换器和超级电容均压电路硬件设计为主，并介绍关键部分的硬件设计和软件流程，以及CAN串口通信规约。最终双向DC/DC变换器与超级电容组件加在一起的重量只有3Kg左右。
　　最后，本文介绍电源系统的实验设备和实验内容，并记录超级电容不同放电功率下的数据；绘制相应的放电曲线和超级电容端电压曲线，曲线结果显示双向DC/DC变换器具有高精度、高效率、瞬时功率大及重量轻的特点；利用快速的PID调节与实时通信控制变换器的输出功率，使卫星电源系统稳定连续运行。该设计解决了电源系统中瞬时功率变化大的问题，以上研究在工程应用中具实际意义。

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第1章 概论

1.1研究背景及意义

1.2国内外发展现状

1.3论文主要内容

第2章 卫星电源管理系统建模与控制

2.1超级电容单元

2.2锂电池单元

2.3光伏发电单元

2.4双向DC/DC变换器

2.5飞轮力矩电机

2.6能量管理分析

2.7卫星电源仿真系统

2.8仿真流程与仿真结果分析

2.9本章总结

第3章 卫星电源系统硬件与软件设计

3.1超级电容与双向DC/DC变换器设计难点

3.2难点解决方案

3.3双向DC/DC变换器电路设计

3.4双向DC/DC变换器软件设计

3.5本章总结

第4章 卫星电源系统测试与误差分析

4.1系统相关测试软件与测试操作步骤

4.2电源系统测试结果分析

4.3本章总结

第5章 总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

附录