畢超1，閆奎2，葉沙琳2，洪峰1

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

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

　　關鍵詞：三端口變換器；衛星電源；分布式架構；儲能電池分散配置；負載分散配置

　　中圖分類號：V442文獻標識碼：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星電源分布式系統架構研究［J］.微型機與應用，2017,36（6）：72-76.

0引言

　　衛星電源系統作為獨立的可再生能源的獨立供電系統，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結構。隨著衛星技術的不斷發展，對衛星電源系統的要求也越來越高。傳統衛星電源系統采用多個兩端口變換器構成，經過幾級變換，效率低下，且體積笨重，成本過高，難以適應未來衛星供電系統的要求。而集成三端口變換器可同時實現輸入源、儲能裝置和負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點，近年來在衛星電源供電系統研究中得到越來越多的關注。

　　另一方面，現有衛星電源系統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，結構簡單，充放電效率高，沒有設置充放電電路，其充分利用能源［1］；而并聯的電池組從安全性、壽命等因數出發，在其他類型的架構中，則會增加針對電池組的充、放電電路［2］，這樣就增加系統重量。可見，儲能元件可靠控制與簡化系統、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載均分散配置的衛星電源系統架構，旨在簡化系統，并且在不增加系統重量的同時，儲能元件也能有效控制。以TPC模塊為基本單元構成本衛星電源系統，TPC作為一個節點進行研究，可以降低研發成本，提高系統冗余度和穩定性。本分布式衛星電源系統還有利于就近消化電力、減少集中輸電的線路損耗、節省輸配電投入；故障發生時，利于更快速的局部解列，提高系統可靠性。

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

1衛星電源分布式系統

　　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，拓撲結構簡單、無變壓器、體積小、重量輕和設計緊湊。本衛星電源系統采用如圖2所示的三端口變換器作為基本構成模塊，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，有利于衛星電源系統的體積、重量和成本的降低。

　　1.2系統架構

　　為簡便分析，采用兩個如圖2所示的TPC模塊構成本衛星電源系統，如圖3所示。令pin1(pin2)、pb1(pb2)和po1(po2)分別為兩個節點(一個節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。兩個節點各端口間的功率應滿足如下關系：

　　pin1=po1+pb1

　　pin2=po2+pb2(1)

　　令pin、po和pb分別為本電源系統的總輸入功率、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系統工作狀態和模式分析

　　為滿足衛星在不同情況下的供電需求，需對衛星電源系統進行有效的能量管理。為此首先需研究本衛星電源系統所有的工作狀態，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，以保證衛星電源在各種情況下都能為負載提供穩定的能量。

　　衛星在軌運行時，會出現光照期和陰影期。在光照期間，當太陽能電池充足時，給負載供電的同時將多余能量存儲在蓄電池中；當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載供電。

　　接下來詳細分析圖3所示兩節點輸入源單端并聯分布式系統。先假設po1>po2,則有：

　?。?）光照期，此時分為兩種情況：

　?、偬柲茈姵啬芰砍渥?，pin>po，此時系統包含三種工作模態，系統中兩個雙向buckboost均工作在buck模式下，開關管S5、S25導通，S1、S21關斷。

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

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

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

　?、谔柲茈姵啬芰坎蛔銜r，pin<po，此時包含兩種工作模態。

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

　　(b)工作模態5：pin<po1，pin+pb1>po1，pb2>po2；在這種模式下，需要蓄電池來補給供電，兩節點雙向buckboost均工作在boost狀態下，開關管S5、S25關斷，S1、S21開通，并且節點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：

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

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

　　各模態下的系統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。圖47種工作模式

　　2功率控制策略

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

　　圖5為本衛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節器、兩節點蓄電池電壓調節器和兩節點輸出電壓調節器，其中uIVR、uOVR1、uOVR2、uBVR1和uBVR2分別表示各調節器的輸出結果（若想控制蓄電池充電電流，只需再加入電流調節器即可，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，邏輯電路根據這7個控制信號將整個系統分為7個工作模態，通過輸出合適的開關組合狀態來確保本衛星電源系統在各種情況下都能穩定地工作。

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

3仿真波形結果

　　為驗證該方案的可行性，對系統進行了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。當太陽能電池能量充足時，有工作模態1、2和3，主要區別在于控制的是輸入源電壓還是蓄電池端電壓，以模態1為例，波形其仿真波形如圖6所示?？刂乒濣c1的蓄電池電壓，對其進行恒壓充電，太陽能電池通過節點2模塊實現MPPT的同時將多余能量給節點2蓄電池充電。

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

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

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

4結論

　　為了簡化衛星電源系統，減輕系統重量，并且能夠確保衛星供電系統穩定工作，本文提出了基于三端口模塊的衛星電源分布式系統架構及其功率控制策略。理論分析和仿真結果表明：（1）采用三端口模塊為基本單元構建本衛星電源系統，提高了系統可靠性，當故障發生時，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、節省輸配電投入；（3）節點之間儲能電池能量能夠相互饋電，提高了系統可靠性；（4）在上述功率控制策略下，系統在各種模態下均能穩定工作，并能時刻保證各節點負載端能量需求。

　　參考文獻

　?。?］ 王濤. 微小衛星電源系統設計［D］. 天津: 天津大學，2012.

　?。?］ 董文博. 微小衛星電源系統的智能化設計和充電技術研究［D］. 北京: 清華大學，2006.

　?。?］ 吳紅飛. 基于功率流分析與重構的直流變換器的拓撲衍生理論和方法［D］. 南京：南京航空航天大學，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.

　　［5］ 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.

　　［6］ 楊海峰. 獨立太陽能燃料電池聯合發電系統的多端口雙向DCDC 變換器研究［D］. 呼和浩特:內蒙古工業大學，2009.

　?。?］ Hu Haibing，HARB S，Fang 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.

　?。?］ 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，2010.

　?。?］ 姚雨迎，鄢婉娟. 衛星三端口DCDC變換器技術綜述［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．

　　［11］ 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設計［J］．電工技術學報，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．

　?。?3］ 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［J］．中國電機工程學報，2015，35(24)：6459-6466．

　　［14］ 張君君，吳紅飛，葛紅娟，等. 面向分布式負載的模塊化三端口功率系統［J］．電氣工程學報，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，2014.