空间电源系统并网供电技术研究

摘要

随着航天技术的发展，航天器的载荷和功能不断增加，其电源系统的容量已从10-2至10-1kW量级逐渐提升到1kW甚至10kW量级，母线电压也从传统的28V和42V逐渐提升到100V甚至更高。随着空间站等应用需求的涌现，多个航天器在轨对接和组网构建大型复杂航天器系统必不可少。多个航天器在轨对接组网构成系统后，各航天器的电源系统也进行“组网”——并网供电，可以实现功率的扩展及能量的统筹管理和综合利用，实现故障下能量的补充供应，提高整个系统的可靠性和鲁棒性。
　　航天器电源系统因其特殊结构和特殊应用需求，它的并网供电技术和地面光伏电源并网技术有很大不同。已有文献和研究表明，航天器电源系统的并网供电技术，目前存在并网母线稳定性不高、系统扩展性不强、无高压电源系统间并网、功率损耗及重量代价大、系统控制复杂等不足。为此，结合中国航天技术迅猛发展的要求，本文对国际航天器尚无先例的航天器间高压-高压并网供电问题，进行了系统的研究。提出了新的并网供电系统方案。该系统方案能较好的实现并网控制器和电源控制器(Power Control Unit，PCU)间融合控制，有利于并网系统稳定。本文对构成该系统方案的关键部件并网控制器和PCU技术进行了深入研究，提出了全新的并网控制器设计方案和采用新母线调节体制的PCU设计方案。
　　分析了现有航天器低压并网供电技术的不足后，本文首先提出了变流限压式高压并网供电系统方案，该方案具备大功率高压并网、变换损耗小、可靠性高、扩展性强等特点。对并网系统母线控制策略、母线瞬态特性进行了深入研究，分析和仿真结果表明，变流限压式高压并网供电系统方案能够更好的实现并网控制器和PCU的输出特性融合，相对于恒压控制模式并网，没有电流震荡现象，母线瞬态特性得到改善，有利于整个系统的母线稳定。开展了空间特殊环境对航天器电源系统发电功率影响研究，提出了并网系统能量管理策略，分析结果表明，该策略可以实现并网系统能量可调、可控传输，从而统筹、优化整个系统的能量使用。开展了并网供电系统拓扑结构拓展研究，分析结果表明，通过对并网基本拓扑的模块化组合可实现并网供电系统的灵活升级，以满足更复杂的应用场景。
　　在此基础上，开展了支撑高压并网供电系统方案的关键部件之一——并网控制器的研究。在分析比较现有航天电源变换器拓扑结构的基础上，提出采用输入并联输出串联(IPOS)四交错双管正激拓扑的并网控制器设计结构。该并网控制器结构解决了现有并网供电技术功率不可调、无高压-高压航天器并网、并网功率低等问题。为适应航天电源高可靠、降低器件应力、增加关键器件可获得性、减少设备体积等需求，进一步提出了一种改进型双管正激变换器的并网控制器电路。该变换器电路相对传统双管正激变换器省去了整流副边滤波电感和续流二极管，分析了该拓扑的工作模式和关键参数设计，分析和实验结果表明，该拓扑减少了磁性元件的使用，提高了变换器的功率密度，并且改善了整流二极管的寄生振荡、反向恢复等问题，具有更好的动态特性，更好的适应航天电源使用需求。研究了所提出并网控制器的PWM控制、恒流/恒压/变流等关键控制电路设计方案，并研制了原型样机对并网控制器的基本功能进行了测试验证，实验结果表明，并网控制器交错控制时序正确，负载阶跃、模式切换功能正常，负载动态响应好，满足变流限压并网供电控制要求。
　　电源控制器PCU是高压并网供电系统的另一个关键部件。PCU和并网控制器融合是实现高压并网供电系统稳定控制的关键，PCU母线调节与控制方案对于并网系统控制至关重要。在比较研究了现有航天器上的各种不同PCU方案后，本文提出了一种混合型全调节母线控制技术。基于该控制技术的方案相对于传统不调节和半调节母线控制方案，具备母线电压稳定性高的优点;相对于全调节母线控制方案，兼具S3R(Sequential Switching Shunt Regulator)系统“具备独立充电控制器”和S4R(Sequential Switching Shunt Series Regulator)系统“两域控制”的优点;同时该方案还具备太阳电池阵供电模块和充电模块独立配置的特点，更适用于低轨航天器频繁充电的应用场合，有利于提高系统的寿命和可靠性。对构成PCU的几个关键部件——放电调节器、充电控制器、分流调节器和主误差放大器(MEA)开展了系统性的研究。分析和实验结果表明，本文采用基于Weinberg拓扑的放电调节器结构、基于Superbuck拓扑的充电控制器结构和基于限频顺序开关分流技术的分流调节器等构成的PCU，各个组成部件稳定裕度高，动态特性好，输出阻抗低。研制了PCU原型样机开展了实验验证。实验结果表明，PCU母线电压控制正常，不同工作区间正确切换，满足混合型全调节母线控制方案要求。
　　为检验设计方案的正确性，研制了并网供电实验平台开展系统实验，设计了多种测试工况对并网供电系统基本功能、性能进行测试。测试结果表明，由并网控制器和PCU组成的并网供电系统在不同工况下并网供电功能正常，负载响应特性好，不同控制区间切换功能正常，变流限压式并网供电系统方案设计正确。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国际空间站多功率通道并网供电技术

1．2．2 国际空间站舱间恒压变换器并网供电技术

1．2．3 载人飞船与对接目标恒压变换器并网供电技术

1．2．4 采用公共母线的并网供电技术

1．3 不同并网供电技术分析

1．3．1 多功率通道并网供电技术特点分析

1．3．2 恒压变换器并网供电技术特点分析

1．3．3 采用公共母线并网供电技术特点分析

1．4 本文的研究内容

2 航天器并网供电系统方案研究

2．1 变流限压式高压并网供电系统方案的提出

2．2 并网系统母线融合控制策略研究

2．3 母线瞬态特性的改善及并网系统仿真

2．4 并网系统能量管理及控制策略研究

2．4．1 空间特殊环境对航天器发电功率影响研究

2．4．2 并网供电系统能量管理技术研究

2．5 并网系统拓扑结构拓展研究

2．6 小结

3 并网系统组成之一并网控制器技术研究

3．1 基于IPOS拓扑结构的并网控制器方案

3．1．1 航天电源常用功率电源拓扑分析

3．1．2 双管正激变换器拓扑的组合

3．1．3 IPOS拓扑工作原理及分析

3．2 IPOS拓扑结构优化研究

3．2．1 双管正激变换器拓扑推衍

3．2．2 新型双管正激变换器的提出及原理分析

3．2．3 新型双管正激变换器关键参数选择分析

3．2．4 新型双管正激变换器原理验证

3．2．5 改进型IPOS拓扑与原拓扑对比

3．3 并网控制器控制方案研究

3．3．1 PWM同步控制

3．3．2 恒流、恒压及变流控制

3．4 并网控制器实验

3．5 小结

4 并网系统组成之二电源控制器技术研究

4．1 PCU母线调节与控制技术研究

4．1．1 不调节、半调节及全调节母线控制技术分析

4．1．2 混合型全调节母线控制技术的提出

4．2 大功率放电调节器BDR技术研究

4．2．1 基于Weinberg拓扑的放电调节器

4．2．2 变换器模态分析

4．2．3 建模及稳定性分析

4．2．4 实验验证

4．3 独立充电控制器BCR技术研究

4．3．1 基于Superbuck拓扑的充电控制器

4．3．2 变换器模态分析

4．3．3 建模及稳定性分析

4．3．4 实验验证

4．4 分流调节器SR技术研究

4．4．1 分流调节器结构及工作原理

4．4．2 小信号建模及阻抗特性分析

4．5 主误差放大器MEA技术研究

4．5．1 MEA结构及工作原理

4．5．2 实验验证

4．6 PCU实验验证

4．7 小结

5 并网供电系统实验

5．1 并网供电实验平台

5．2 稳态负载工况下并网系统功能验证

5．3 负载阶跃变化下并网系统功能验证

5．4 光照调节变化时并网系统功能验证

5．5 轻负载下并网供电限压功能验证

5．6 并网限流曲线调整功能验证

5．7 并网供电效率及准确度验证

5．8 小结

6．1 全文工作总结

6．2 有待进一步研究的内容

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集