一種衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲和能量管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星電源系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲和能量管理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星電源系統(tǒng)提供衛(wèi)星上所有用電設(shè)備的供電，衛(wèi)星電源系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力決定著衛(wèi)星的運行狀態(tài)以及衛(wèi)星復(fù)雜功能的實現(xiàn)。
[0003]傳統(tǒng)衛(wèi)星電源系統(tǒng)將多組太陽能電池板串并聯(lián)，通過PCU等電子電力設(shè)備實現(xiàn)集中供電，并利用多個二次電源將串并聯(lián)的多組太陽能電池板的母線電壓變換為各負載所需的各等級電壓。該電源系統(tǒng)的電源數(shù)量多，故障隔離、保護設(shè)計復(fù)雜并且在不增加額外電力電子設(shè)備的情況下，無法同時驅(qū)動不同電壓等級和功率等級的負載。另外，現(xiàn)存衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲需要單獨為儲能模塊設(shè)立一套智能電池能量管理系統(tǒng)(如充電控制器和放電控制器)，以提高系統(tǒng)的效率，但該設(shè)置方式增加了電源系統(tǒng)的重量，在機動性要求高的航天器應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)衛(wèi)星電源系統(tǒng)重量大，太陽能利用率較小，具有一定局限性。此外，衛(wèi)星系統(tǒng)存在較長時間的孤網(wǎng)運行狀態(tài)，孤網(wǎng)電源系統(tǒng)在運行時無法維護，因此在不采用其它外設(shè)進行故障切出的情況下，一旦某個太陽能電池板出現(xiàn)故障或集中供電的電力電子設(shè)備出現(xiàn)損毀，會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失去工作能力，嚴重時導(dǎo)致衛(wèi)星系統(tǒng)失去供電。因此，為保障衛(wèi)星光伏供電系統(tǒng)的可靠性，傳統(tǒng)方案需要附加外設(shè)和復(fù)雜的控制算法進行故障切出。
[0004]近年來，為了提高傳統(tǒng)衛(wèi)星電源拓撲控制方法的可靠性，針對衛(wèi)星電源系統(tǒng)的控制模塊進行了很多改進。但是這些方法主要通過增加復(fù)雜的保護裝置以及專門的協(xié)調(diào)控制模塊來提高系統(tǒng)的可靠性，存在系統(tǒng)龐大、控制復(fù)雜的缺點，并沒有從根本上解決傳統(tǒng)衛(wèi)星電源拓撲的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲，能夠同時驅(qū)動不同電壓等級和功率等級的不同負載，實現(xiàn)發(fā)電、儲能與不同電壓等級和功率等級負載的協(xié)調(diào)管理，提高了系統(tǒng)集成度和空間效益，并能有效實現(xiàn)故障模塊的切出，提高了系統(tǒng)可靠性，可以廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星供電系統(tǒng)等孤網(wǎng)高頻控制的場合。
[0006]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0007]提供一種衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲，包括一高頻變壓器、m個電源模塊、η個儲能模塊和k個負載模塊，所述高頻變壓器具有多個原副邊，所述多個原副邊的個數(shù)為m+n+k，其中m、n和k均為正整數(shù)，所述電源模塊、儲能模塊和負載模塊均各自通過連接端子分別與所述高頻變壓器的對應(yīng)的原副邊相連。
[0008]進一步的，所述電源模塊為光伏電源模塊，包括光伏組件、BOOST電路和Η橋逆變器，所述光伏組件、BOOST電路與Η橋逆變器依順序連接，所述Η橋逆變器通過連接端子與所述高頻變壓器的對應(yīng)的原邊相連。
[0009]進一步的，所述光伏組件為光伏太陽能電池板模塊，所述光伏太陽能電池板模塊由單塊太陽能電池板構(gòu)成，或者由多塊太陽能電池板通過串聯(lián)或并聯(lián)形成光伏陣列。
[0010]進一步的，所述儲能模塊為蓄電池儲能模塊，包括蓄電池和Η橋變流器，所述蓄電池與Η橋變流器依順序連接，所述Η橋變流器通過連接端子與所述高頻變壓器的對應(yīng)的副邊相連。
[0011]進一步的，所述負載模塊包括負載、耦合電容和Η橋變流器，所述負載、耦合電容與Η橋變流器依順序連接，所述Η橋變流器通過連接端子與所述高頻變壓器的對應(yīng)的副邊相連。
[0012]進一步的，所述Η橋逆變器包括兩個并聯(lián)的橋臂，每個所述橋臂由兩個功率開關(guān)器件組成。
[0013]進一步的，所述高頻變壓器的鐵芯采用微晶材料或超微晶材料。
[0014]本發(fā)明還提供一種衛(wèi)星電源系統(tǒng)的能量管理方法，所述衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用如上所述的電路拓撲，所述電源模塊包括光伏組件、BOOST電路和Η橋逆變器，所述光伏組件、BOOST電路與Η橋逆變器依順序連接;所述儲能模塊包括蓄電池和Η橋變流器，所述蓄電池與Η橋變流器依順序連接;所述負載模塊包括負載、耦合電容和Η橋變流器，所述負載、耦合電容與Η橋變流器依順序連接;所述電源模塊通過Η橋逆變器的連接端子與所述高頻變壓器對應(yīng)的原邊相連，所述儲能模塊和負載模塊均通過各自Η橋變流器的連接端子與所述高頻變壓器對應(yīng)的副邊相連；
[0015]所述高頻變壓器以方波移相的方式工作，當光照不足時，所述BOOST電路控制所述光伏組件工作在MPPT模式，以所述蓄電池側(cè)Η橋變流器的電壓VbaJt為方波移相參考電壓Vref，所述光伏組件側(cè)Η橋逆變器以方波移相參考電壓Vref來穩(wěn)定光伏組件的母線電壓Vbus;所述負載通過負載側(cè)的Η橋變流器控制負載電壓Vlciad，所述蓄電池通過蓄電池側(cè)的Η橋變流器控制蓄電池電壓Vbat，以維持相應(yīng)的電壓穩(wěn)定；
[0016]當光照充足時，所述BOOST電路控制所述光伏組件側(cè)的Η橋逆變器的輸入直流電壓穩(wěn)定在光伏組件母線的設(shè)計電壓，將此時光伏組件的母線電壓Vbus作為方波移相參考電壓Vref;所述光伏組件側(cè)Η橋逆變器以方波移相參考電壓來控制方波移相;所述負載通過負載側(cè)的Η橋變流器控制負載電壓vlciad，以維持電壓穩(wěn)定;所述蓄電池通過蓄電池側(cè)的Η橋變流器控制蓄電池電壓Vbat，以實現(xiàn)蓄電池的恒流或者恒壓充電。
[0017]進一步的，所述蓄電池的恒流或者恒壓充電是利用電流或者電壓閉環(huán)，通過方波移相的方式保證蓄電池恒流或者恒壓充電。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點:
[0019]本發(fā)明拓撲簡單且可以同時驅(qū)動不同電壓等級和功率等級的不同負載，各負載之間相互獨立，系統(tǒng)既可以集中供給單個負載，也具備供給多個不同負載的能力;采用高頻變壓器，可以實現(xiàn)模塊化以及各模塊之間的隔離，通過對高頻變壓器的磁通控制可以實現(xiàn)對各模塊的協(xié)調(diào)調(diào)度，可以實現(xiàn)發(fā)電、儲能與不同電壓等級和功率等級負載的協(xié)調(diào)管理，提高了系統(tǒng)集成度和空間效益;本發(fā)明可以實現(xiàn)故障切出，即可以在某個負載或者儲能單元出現(xiàn)故障時，可以實現(xiàn)有效切除，同時系統(tǒng)其它模塊的供電并不會受到影響，依然具備部分供電能力，從而提升了供電系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲的電源模塊示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲的儲能模塊示意圖；
[0023]圖4為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲的負載模塊示意圖；
[0024]圖5為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲的BOOST電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲的Η橋逆變器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖7為本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的能量管理流程圖。
【具體實施方式】
[0027]下面就結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步介紹。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明衛(wèi)星電源系統(tǒng)的電路拓撲包括，一高頻變壓器、m個電源模塊、η個儲能模塊和k個負載模塊，以高頻變壓器為核心，通過高頻變壓器的磁通控制實現(xiàn)各模塊的控制要求。該高頻變壓器有多個原副邊，是連接m個電源模塊、η個儲能模塊以及k個不同電壓等級和功率等級負載模塊的樞紐，因此該高頻變壓器的原副邊個數(shù)為m+n+k個，其中m、n、k均取值正整數(shù)。所述電源模塊位于變壓器的原邊，儲能模塊和負載模塊位于變壓器的副邊。不同電源模塊之間、不同儲能模塊和不同負載模塊之間采用兩兩隔離的方式設(shè)置。每個模塊通過各自的連接端子X1、X2分別與相應(yīng)的變壓器的原副邊相連。其中，所述高頻變壓器的鐵芯優(yōu)選采用微晶材料或超微晶材料。
[0029]如圖2所示，本發(fā)明中電源模塊優(yōu)選采用光伏電源模塊(由光伏太陽能電池板及其控制模塊構(gòu)成)，在空間有光照時為系統(tǒng)提供電能，當應(yīng)用于其它系統(tǒng)時，電源模塊可以替換為其它電源及其控制模塊。所述光伏電源模塊包括光伏組件、BOOST電路和Η橋逆變器，所述光伏組件、BOOST電路與Η橋逆變器依順序通過串聯(lián)或并聯(lián)連接，所述Η橋逆變器通過連接端子與所述高頻變壓器的對應(yīng)的原邊相連，所述Η橋逆變器用于將輸入的直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷狠敵觥?br>[0030]優(yōu)選的，所述光伏組件