（电力电子与电力传动专业论文）小卫星电源系统的控制策略及仿真研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ( e p s ) i sak e ys u b - s y s t e mo fs m a l ls a t e l l i t e i tt a k e so nt h ei m p o r t a n t t a s kw h i c hs u p p l i e sp o w e rf o ro t h e rs u b - s y s t e m so fs m a l ls a t e l l i t ea n de f f e c t i v el o a d s t h e q u a l i t yo f s u p p l y i n gp o w e rf r o mt h ee p s i n f l u e n c e st h ew o r ks t a t eo f s m a l ls a t e l l i t es t r a i g h t l y i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fc o m p a r i n gt h ed i r e c te n e r g yt r a n s f e r ( d e t ) m o d ew i t ht h ep e a k p o w e rt r a e k i n g ( p p nm o d e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h es e r i e s - c o n f i g u r a t i o np p l rm o d ew h i c h d e p e n d s0 1 1c h a n g i n gt h em o d e so f o p e r a t i o ni ss t u d i e d as e r i e s - c o n f i g u r a t i o np p t b a s e do np i c s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra n dt h ea l g o r i t h mf o rm a x i m u mp o w e rp o i n tn a c k i n g f m e r t ) a r e d e s i g n e d m e a n w h i l e , o i lt h eb a s i so fe n e r g yt r a n s f e r r i n gc h a r t , t h ea l l o c a t i o no ft h ee p s i nt h e s o l a ra r r a ya n dt h el i t h i u m - i o nb a t t e r yp a c ka l ec a l c u l a t e d , a n dt h eg e n e r a lp r o c e s so f c a l c u l a t i n g t h eo u t p u tp o w e ro f t h es o l a ra r r a yi nt h es e r i e s - c o n f i g u r a t i o np p ta r c 瓤i m m a r i z e d 。 ac o s i m u l a t i o nw a si m p l e m e n t e db e t w e e nt h ew h o l em o d e lo ft h ee p si sm o d e l e di nv t b s o f t w a r ea n dt h ep o w e rc e n t r e iu n i tm o d e l sa r ed e s i g n e du n d e rs i m u l i n ke n v i r o n m e n t , w h i c h i n c l u d e sp e a kp o w e rt r a c k e r , c h a r g ec o n t r o l l e ra n dm o d ec h a n g ec o n t r o l l e ra n ds oo n s o m e r e s u l t so ft h em a x i n m u md e p t h - o f - d i s c h a r g e ( d o d ) ，s i n g l eo r b i ta n ds e v e r a lo r b i t se n e r g y b a l a n c eo ft h eo n - o r b i ts m a l ls a t e l l i t ee p sa 坞o b t a i n e df r o mt h ec o s i m u l a t i o n t h e s er e s u l t s a l e 画v e nt ov e r i 匆t h em f i o n a l i t i e so f t h ea l l o c a t i o nc a l c u l a t i o na h e a da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f t h es e r i e s - c o n f i g u r a t i o np 盯m o d e a n dw h i c hi sag o o dg u i d ef o ro p t i m i z i n gt h ea l l o c a t i o n c a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：s m a l ls a t e l l i t ee p s 。p p t ，c h a n g em o d eo fo p e r a t i o n ，l i t h i u m i o nb a t t e r y p a c k ，c o - s i m u l a t i o n ，s e v e r a lo r b i t se n e r g yb a l a n c e 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 尘卫星垫鎏丕统鲍鱼劐筮喳厘篮襄匠窥 学位论文作者签名：兰哗爿l日期：埘碑，月节日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：鲤出叁 作者指导教师签名 日期：抄占年，月节日 日期：j 一0年“月，日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 纵观卫星的发展历史，9 0 年代开始出现大的转折点。卫星的发展兵分两路，一路是继 续发展大功率、长寿命、多用途的大卫星，一路是小卫星技术的开剔“。大卫星一如既往 地以成熟的卫星技术支撑超大卫星平台工作，小卫星则试验并灵活应用当代新技术，逐步 实现大卫星的部分或全部功能。国内外3 0 多所大学更是整合各自的学科优势，积极研制 和发射了近百颗小卫星，如清华大学的n s 1 卫星和英国萨瑞( s u r r e y ) 大学的u o s a 1 2 。 小卫星电源系统研究为我校“十一五”开展小卫星研究而自提的预先研究项目。 本文在国内现有小卫星电源系统基本结构的基础上，吸收国内外小卫星研制的新成 果，研究了峰值功率跟踪方式的工作模式转换控制策略，并进行太阳电池阵和锂离子蓄电 池组配置的计算；采用联合仿真方法，对小卫星电源系统在轨运行的单圈和多圈能量平衡、 最大放电深度进行仿真分析，验证峰值功率跟踪方式的串联结构的控制策略的可靠性，并 对太阳电池阵和锤离子蓄电池组的配置方案进行评估和指导。 1 1 课题的背景及意义 小卫星即小而轻的卫星，但至今尚没有出现在重量和体积上对小卫星的严格界定。阿 里安航天公司、萨瑞大学、美国航天航空局( n a s a ) 、日本将小卫星质量上限分别定义 为8 0 0 k g 、1 0 0 0 k g 、5 0 0 k g 和1 5 0 k g ；我国大部分航天专家倾向于以数量级来定义各类卫星； 质量小于1 0 0 0 k g 为小卫星，小于1 0 0 k g 为微小卫星，小于l o k g 为纳卫星，小于l k g 为皮 卫星，小于o 1 k g 为飞卫星川。 以质量来划分既不科学也不严格，因此国际上提出了功能密度的概念。功能密度是指 卫星每千克重量所能提供的功能。例如，每千克太阳电池提供1 0 0w 功率，就比每千克太 阳电池提供2 0 w 功率提高了4 倍功能密度。我们把功能密度有显著提高而重量小于5 0 0 1 0 0 0 k g 的卫星叫做现代小卫星【l 】。这仍然是一个相对6 0 年代简单小卫星的概念，笼统来说， 8 0 年代以后发展的小卫星称之为现代小卫星，在未特别说明的情况下，我们将小卫星、微 小卫星、皮卫星、飞卫星统称为小卫星。 目前很多大中型卫星和部分大卫星可由几百千克的小卫星完全代替，其主要优势体现 在质量轻、体积小、能耗低、新技术含量高、功能密度高；研制成本低、研发周期短、机 动性强、发射与使用方式灵活等方面。 世界上已有数十个国家和地区涉足小卫星研制领域，美国、俄罗斯、中国、法国、日 本、英国、德国和意大利等国家都有自己的小卫星平台或星座。印度、韩国、泰国、新加 坡、以色列、瑞典、丹麦、巴西、西班牙、南非和中国台湾地区等国家和地区都以研制小 卫星为切入点，带动本国或地区航天技术的发展1 2 1 。国内外很多大学参与研制小卫星，国 内哈尔滨工业大学的探索l 号( t s - 1 ) ，清华大学的航天清华l 号、开拓系列( k t - i p s 、 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 0 r 1 p s 2 ) 、纳星l 号( n s 1 ) 都已发射；萨瑞大学的u o s a t “大学卫星”系列，华盛顿 大学等大学研制的i o n - f 卫星系列，另外还有n a s a 的大学卫星计划和全世界2 0 多个大 学等团体参与研制的新一代皮卫星c u b e s a t 项目。 这些小卫星主要应用于通信、对地观测、导航定位与空间科学试验等方面。在军事领 域，大型卫星虽然在侦察、预警、通信、导航、气象等功能及可靠性、生存能力等方面都 有所增强，应用的范围也越来越广泛，但由于这些卫星及其应用系统均是为支持战略任务 而设计的，而且成本高、研制周期长，不完全适用于局部战争和地区冲突的战术要求。因 此人们逐步把目光投向了小卫星。例如，美国在海湾战争( 1 9 9 1 年) 和对南空袭期间，紧 急发射了具有存储、转发和多址通信功能的低轨小卫星m a c s a t ，用于交换给养指令及与 美国总部进行后勤信息的联络等嘲。 我校立足于研制军用小卫星，于2 0 0 5 年开始进行各个分系统的论证工作。小卫星电 源系统是小卫星的关键分系统之一，是星上产生、存储、变换、调节和分配电能的分系统， 简称电源系统( e p s ) ，它担负着为小卫星的其它分系统和有效载荷供电的重要任务。e p s 供电质量的优劣直接影响卫星整星的工作状态，其性能、工作寿命、重量和价格对卫星总 体设计有重大的影响【4 】。本文所进行的小卫星电源系统的研究工作正是在该背景下展开的。 1 2 小卫星e p s 的研究现状 小卫星电源系统一般采用太阳电池阵蓄电池组联合电源，其结构相对简单、复杂活动 部件少、工作寿命长、技术成熟、工作可靠、功率范围大，9 0 以上的卫星都采用此电源 系统，是国内外已发射或计划发射的小卫星的首选。它由太阳电池阵、蓄电池组和电源控 制装置组成。光照期由太阳电池阵将太阳光能直接转换成电能，向负载供电并给蓄电池组 充电，地影期则由蓄电池组提供负载功率。电源控制装置处理太阳电池阵的输出功率、实 施母线电压调节、对蓄电池组进行充放电控制、故障诊断与隔离、系统重构和测控管理， 保证e p s 安全可靠地工作1 4 j 。 小卫星e p s 在小体积、轻质量和较大功率输出等要求下，如何提高系统的实际功率输 出性能是其研究的主要方向之一。这包括根据小卫星的实际要求，选择合适的电源配置方 案；采用仿真来指导太阳电池阵和蓄电池组的配置，优化e p s 结构及控制策略等内容。本 文所做的工作就是针对这两个方面。 1 2 1 小卫星e p s 配置的研究现状洲s j l 6 | t i l s l e p s 的配置方案是e p s 设计中最灵活多变的部分，对于不同的卫星应当针对其轨道、 功率、电压要求等特点选择不同的配置方案，才能使e p s 的传输效率、重量达到最佳化。 它包括母线配置、太阳电池阵配置、蓄电池组配置、功率调节器等方面的内容。 从小卫星公用平台思想来考虑，供电母线配置为单母线、全调压方式，母线电压采用 2 8 v 。太阳电池阵的配置指太阳电池阵的数量及构形设计；按e p s 的功率需求及卫星姿态 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 控制方式，选择体装式、展开式或定向式等安装方式；蓄电池组配置指根据功率需求和功 率调节方式，选择蓄电池类型、确定蓄电池数量、制定充放电制度等。为简化太阳电池阵 设计与布线，减小太阳阵的面积，便于能源统一调配，不为蓄电池组设置专门的充电阵。 功率调节方式是小卫星e p s 配置的重点，它决定了e p s 的结构、控制策略和功率输出 等各方面特性，常用的功率调节方式有直接能量传输d e t ( d i r e c te n e r g yt r a n s f e r ) 方式和 峰值功率跟踪p p t ( p e a kp o w e rt r a c k i n g ) 方式。 一、d e t 方式 d e t 方式的太阳电池阵的输出功率直接馈送给负载，太阳电池阵与负载直接并联。采 用分流器调节太阳电池阵的输出功率，使母线电压维持在预先设定的范围内，它将超过负 载需要的功率消耗掉，是耗散型的调节方式。 d e t 方式中应用最广的是三域( s 3 r ) 控制，如我国前哨一号( q s 1 ) 和创新一号( c x - 1 ) 卫星的e p s ，它通过对母线电压的检测，统一控制e p s 的工作模式，实现e p s 母线调节功 能。三域控制的核心部分是主误差放大器( m e a ) 。m e a 信号对应母线电压的相应范围， 母线电压随负载要求或太阳阵输出功率变化。如图1 1 所示，母线电压相对应的m e a 信号 决定e p s 工作在以下三种工作模式： s r ， ab c d e 弧 胁一 图i i 三域控制的m e a 信号与工作模式的关系 ( 1 ) b d r 模式：m e a 信号高于b d r 控制区一定范围时，进入b d r 控制区( o b 段) 。 所有分流开关管均截止，充电调节器( b c r ) 串联的关断控制开关管断开，蓄电池放电， 放电调节器( b d r ) 调节母线电压。 ( 2 ) b c r 模式：在光照期，太阳电池阵输出功率大于负载要求时，m e a 信号开始增 大，进入b c r 控制区( c d 段) ，此时所有分流级都不分流。太阳电池阵输出无法满足较 大充电功率要求，系统根据m e a 信号大小控制实际的充电功率，b c r 调节母线电压。 ( 3 ) s r 模式：当太阳阵输出除满足负载和充电功率外，还有富裕，m e a 信号进入 s r 控制区( e 段) 。蓄电池充电，充电制度由b c r 决定。通过分流级的变化，调节太阳 电池阵各分阵的输出功率，将母线电压稳定在规定的范围内。 三域控制的基本工作模式是按照调节母线电压的模块来划分，各工作模式之间还存在 一些过渡环节，称之为“死区”，如b c 、d e 段。这是不属于任何模式的m e a 信号范围， 此时，所有由m e a 控制的开关管均不处于开关转换状态。 三域控制以母线电压为控制参量，依靠m e a 统一指挥e p s 的工作模式。控制原则是 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 负载优于蓄电池组充电，蓄电池组充电优于太阳电池阵分流，只有多余的能量才能通过分 流调节模块分流。这样，可最大限度地利用太阳电池阵的电能，通过控制调节，使电源系 统输出在光照和地影期均处于全调节状态，保证了一次电源母线输出的稳定。 二、p p r 方式 p i t 方式是非耗散性的，它通过调节太阳电池阵的工作点来满足负载的需要，并在负 载需要的情况下，自动跟踪太阳电池阵的峰值功率点，把太阳电池阵能输出的全部功率都 发挥出来。p p t 方式在民用光伏发电系统中发展迅猛，由于卫星运行的稳定性要求和空间 环境影响，削弱了p p t 方式的部分优势，限制了其在卫星电源领域的应用，但它一直是 n a s a 的重点研究方向之一。 国内除实践一号、航天清华一号等几个卫星以外，绝大多数卫星都是d e t 方式，国外 情况也基本如此。国外采用p p t 方式最典型的是n a s a 的多任务模块化平台的e p s ，它已 用于s m m 、l a n d s a t 一4 、l a n d s a t 5 和t o p e x 等多颗卫星嘲。 相对于传统的d e t 方式的三域( s 3 r ) 控制而言，p p t 方式在结构和控制策略等方面 都不成熟，本文在借鉴d e t 方式的成熟理论及经验的基础上研究p p t 方式的相关问题。 1 2 2 小卫星e p s 仿真的研究现状 在e p s 方案设计阶段，面对众多的制约因素，对方案进行全面的定量分析有一定难度。 特别对于设计方案中的某些制约因素多、计算难度大的参数，设计人员只能根据自己的经 验估算。这就迫切需要采用仿真技术来辅助e p s 的设计工作，并对设计方案进行评估 9 1 。 小卫星e p s 经常涉及新技术试验，由于飞行数据少，设计参数精度不够等原因，往往采取 保守设计，留有较大的功率裕度，采取冗余设计等来保证可靠性。依靠仿真技术可以优化 设计方案，凸显小卫星的优势。另外，仿真还可以为e p s 提供演示验证，推动新技术在小 卫星研制中的应用。 国内外都对卫星e p s 仿真进行了相关的研究，下面分别进行介绍和分析； 一、国内卫星e p s 仿真的研究现状i s l l g l l 加i l u l 北京空问飞行器总体设计部以分流调节器、b c r 、b d r 和太阳电池阵的等效电路为基 础，利用p s i m 软件建立以母线为核心的的交流小信号模型，推出e p s 在不同工作模式下， 母线动态阻抗、稳定性、瞬态响应和纹波和稳定性的分析方法。利用c 语言编写太阳电池 阵在轨的光照条件计算模型、太阳电池阵的直流性能计算模型和蓄电池组模型，实现对美 国阿拉巴马大学的s e d s a t - i 卫星e p s 的仿真。 航天五院5 0 1 总体设计部编制仿真软件，对某现有长寿命航天器的e p s 在轨工作情况 进行实时仿真和能量平衡分析。软件综合了制约电源分系统设计的很多因素，从而保证软 件的通用性，适应航天器的多样性。太阳电池阵模型，主要是针对不同航天器的轨道状况， 计算出太阳电池阵在轨的供电和充电功率。蓄电池组分充电模型和放电模型，结合蓄电池 的固有特性，进行蓄电池组的荷电状态( s o c ) 等参数的充放电计算。负载采取用户预先 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 设置的方式，计算在轨时蓄电池的放电、充电状况，判断蓄电池是否有过放、过充，是否 会经常出现光照期容量无法充满，导致地影期蓄电池剩余容量不够的情况，以此判断整个 系统的能量是否平衡。 上海航天8 0 5 所开发了一款空间光伏e p s ( 太阳电池蓄电池组联合电源系统) 优化设 计仿真分析软件包，软件集成了太阳电池片设计、e p s 配置方案设计、e p s 仿真等分析模 块，可以满足不同层次的e p s 设计、仿真运行和分析，用户不仅可以完成空同光伏e p s 不同方面的分析设计任务，最终完成整个e p s 的设计及仿真分析，也可以对已设计好的 e p s 进行仿真分析。评估其可靠性和能量平衡，及早发现设计的缺陷和不足。该软件包充 分考虑空间辐射环境、冷热交变、工作温度、太阳光中紫外辐照、电池片的组合损失、太 阳光强的偏差、太阳角等各种“影响因子”对太阳电池阵输出电能的影响；采用拟合方法 建立镉镍蓄电池的充放电方程；利用轨道参数、蓄电池容量及工作温度、负载曲线等条件 进行多圈能量平衡分析。它己应用于某近地卫星进行太阳能帆板的在轨输出特性、储能电 池在轨充放电特性、e p s 控制装置的控制特性分析、仿真和评估。 中科院空间科学与应用研究中心基于s i m u l i n k 软件和s t k 软件工具包所提供的轨道 及卫星参数，着重考虑天文卫星运行过程中姿态变化、负载变化等对e p s 的影响，对卫星 的具体能量变化进行计算，并构建了一个e p s 能量平衡的实时仿真系统。软件采用模块化 结构，建立了轨道、姿态参数模块，负载模块，太阳电池阵模块，蓄电池充放电系统模块。 该软件已用于硬x 射线调制望远镜( m 0 “t ) 卫星e p s 分析设计及能源平衡情况仿真。 二、国外卫星e p s 仿真研究现状1 1 3 l 【1 4 1 1 1 5 1 1 1 6 h 1 卫【l s i l l l 丹麦奥尔堡( a a l b o r g ) 大学研制a a uc u b e s a t 卫星时，使用s i m u l i n k 仿真峰值功率 跟踪算法和e p s 控制策略，该仿真以二次函数模拟太阳电池阵、以直流电源模拟蓄电池组， 指导峰值功率跟踪器的占空比变化幅度等参数的设定。 洛克希德冯丁( l o c k h e e dm a r t i n ) 公司利用p s p i c e 仿真哈勃空间望远镜( h s t ) 的 e p s 。通过p s p i c e 的模拟行为模型( a b m ) 和硬件电路模型建立太阳电池阵、氢镍蓄电池 组、电源控制装置、充电电流控制器( 软件和硬件) 和直流功率负载等e p s 各部件模型， 仿真分析e p s 在轨运行状况。 b o e i n g 公司开发的e a s y 5 被用于c o b e 探测器的e p s 仿真。利用e a s y 5 电力驱动 系统等专业库和编写的宏部件，建立太阳电池阵( d c 模型) 、蓄电池组、负载( 时变阻 性) 、电缆滤波器及分流调节器等模块的模型。该仿真搭建了一个简单的中心控制单元 c c u 来调节母线电压和控制蓄电池组的充电电流，这与三域控制的结构一致。 m a r t i n 、道格拉斯( d o u g l a s ) 和n a s a 用微软公司的e x c e l 软件进行航天器e p s 的仿 真。e x c e i 具有很强的数据计算分析和丰富的图形显示功能，而微软的可视化b a s i c 语言 ( v b a ) 可以调用e x c e l 的命令与函数，创建自定义的用户界面，适合处理复杂的非线性 元件的计算。m a r t i n 开发的卫星e p s 规模评估与瞬态分析工具包，将太阳电池阵、蓄电池 组和负载等模块的工作特性表示成电流，电压曲线，并确定各模块的参数对工作特性曲线的 影响，通过各模块参数组成的数据链建立e p s 的仿真系统，并已应用到l m 7 0 0 0 、m i l s t a r 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 等航天器的e p s 中d o u g l a s 基于e x c e l 开发了对航天器发射及运行初期e p s 的能量平衡 进行仿真分析的工具，它用工作表描述各模块的特性以及各模块之间的联系，通过主工作 表不断调用子工作表来完成整个系统的仿真。通过仿真t o m s e p 小卫星的e p s 在卫星发 射至太阳帆板打开、轨道调整大功率推进、发射机打开三种状况下蓄电池组的s o c ，来验 证e p s 的设计是否满足卫星运行初期的功率需求。另外d o u g l a s 借助t r w 公司的航天器 系统工程的核心代码，得到卫星运行的实时负载功率分布图，这比预先设置的方式更准确。 韩国k y u n d a i 公司利用a n a l o g y 公司的s a b e r 软件建立太阳电池阵和滤波器的等效电 路模型、分流调节器的传递函数模型，仿真通讯卫星的分流母线调节功能。美国航空公司 也曾用s a b e r 模拟g p sb l o c ki 取卫星的太阳电池阵，通过改变太阳电池阵的开路电压、短 路电流、温度系数、串联电阻、并联电阻、串，并联数等参数，分析比较太阳电池阵部分光 照时，不同串、并联数的工作性能，以此优化太阳电池阵的配置。 南非泰伦博斯开普( s t e l l e n b o s c h ) 大学利用加拿大的p s i m 软件分析s u n s a t 小卫星的 e p s 的功率需求。依靠p s “建立峰值功率调节器和母线调节器等模块的小信号模型，仿 真太阳电池阵和蓄电池组在各种工作模式下的电气和热控制是否满足设计要求。 n a s a 的l e w i s 研究中心能源和推进实验室应用s p a c e 软件系统对空间电源进行分 析，这个软件在设计阶段可用来确定电源结构、组成部件规格以及e p s 在轨运行时提供的 总能源；在操作阶段用来分析不同分系统整体运行情况，是目前应用比较成熟的空间电源 设计和分析评估软件，该软件被应用于国际空间站的e p s 仿真。 三、小卫星e p s 仿真的研究现状分析 小卫星e p s 仿真技术的发展与系统仿真技术密切相关，其研究方向主要包括仿真工具 与建模方法； 卫星e p s 的仿真没有通用的商业软件。实力雄厚的研究机构，根据自己的需要开发专 用仿真软件，如n a s a 、5 0 1 所、8 0 5 所和中科院等机构研制的仿真系统。这类仿真系统开 发周期较长，系统较庞大，要求开发者有较深厚的软件工程知识；建立仿真系统的主要工 作在各个模块的建模方面，要求有大量的飞行试验数据做支撑，开发者必须熟悉卫星e p s 的系统描述；它实用性较好，一般都经受了在轨运行航天器e p s 数据的验证，但流通范围 较小，只在内部使用，而且应用对象相对固定。 p s p i e e 、e a s y 5 、p s i m 和s a b e r 等商用软件建模方法很简单，都提供了一套典型的元 器件库，只需要编辑各元器件就可以组成电源系统的电路图。s i m u l i n k 一般用于控制系统 建模仿真，但它进行电路仿真不太方便，需要自行分析电路网络结构，再构造出相应的数 学模型，当电路结构复杂时此工作相当繁琐。 e p s 仿真一般采用模块化建模，主要分为太阳电池阵、蓄电池组、负载、分流调节器 ( 或峰值功率跟踪器) 和直流变换器等几个部分。太阳电池阵采用直流等效电路模型或相 对应的表达式，蓄电池组的模型有等效电路和拟合曲线两种方式，负载以数据表格或函数 形式给出。分流调节器和峰值功率跟踪器等e p s 的控制部分，一般都进行简化处理。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 四、存在的问题及解决方法 小卫星e p s 的仿真不是普通的电路级仿真，它不是e p s 主电路的电性能分析，而是涉 及光电、电气、热学、电化学、航天和控制等多学科领域的系统仿真，要考虑系统结构、 电路拓扑、运行环境、轨道约束和光照条件等因素对e p s 的作用和影响。它没有舍弃基本 电路的建模和分析，而是把小卫星e p s 作为一个整体进行模块化建模。但仿真时各模块( 如 电路与控制系统模块) 之简必须建立直接的耦合联系，然后对整个e p s 进行统一的调试。 s p i c e 等软件只能用运算放大器等模拟器件实现较简单的硬件算法，不能直接实现单片 机、d s p 等软件算法模型。它们在进行e p s 的建模仿真时，控制系统的模型采取模拟控制 信号的方法实现，这种方法必须充分理解控制信号的特性。对于较复杂的软件算法控制， 其模型不够准确，无法进行系统级的运行调试，不能进行系统的整体性能分析。 从另一个角度看，不能把所有问题都归结于仿真软件，现在还没有万能的仿真软件来 解决所有问题，因此可以从仿真方法的层面解决多领域系统的建模仿真问题。 在机械运动力学领域，也遇到类似问题，a d a m s 建立机械结构模型的能力很强，但 不能建立复杂控制模型，s i m u l i n k 很难建立复杂的机械模型。通行做法是用a d a m s 建立 机械结构的虚拟模型，利用s i m u | i n k 和a d a m s 之间的接口，将a d a m s 生成的模型引入 到s i m u l i n k 的控制模型中一起仿真闭。这种方法有利于系统的联合调试和分析，为多领域 系统的建模仿真分析提供了一个很好的方法一多领域联合仿真( c o s i m u l a t i o n ) 。 多领域联合仿真方法( 简称联合仿真) 将面向不同学科领域的仿真工具结合起来，共 同构成一个统一的仿真系统进行针对整个系统的仿真这种方法充分体现了仿真对象不 同分系统阊的联系，相对于单领域仿真方法更具有系统性和合理性，仿真结采的置信度也 更高。本文对小卫星e p s 的仿真就是采用联合仿真方法。 1 3 本文的主要工作及内容安排 一、本文所做的主要工作 ( 一) 在理解d e t 方式的三域控制的基础上，总结出小卫星e p s 的控制策略的基本 内容；以串联p p t 结构为背景，总结了p p t 方式的四种基本工作模式：用有限状态机理论 中的状态转移图来表示工作模式转换，并将转换过程优化成两个模式之间的转换；对以锂 离子蓄电池组为储能装置时的工作模式转换进行较详细的分析； ( 二) 分析国内外小卫星e p s 仿真的研究现状，指出小卫星e p s 仿真中出现的控制 系统建模不足的问题；针对等效电路与控制系统建模的矛盾，总结出将能量域和控制系统 代表的信号流部分分开建模、然后通过软件接口联合仿真的解决方法；选择v t b 和 s i m u l i n k 作为联合仿真的软件，总结了它们联合仿真的基本步骤； ( - - ) 根据某假定小卫星的轨道参数和功率要求，从串联p p t 结构的能量传递图出 发，进行太阳电池阵和锂离子蓄电池组的配置计算，总结出串联p it 结构太阳电池阵和蓄 电池组配置计算的一般步骤及太阳电池阵输出功率计算的一般方法； 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 四) 在s i m u l i n k 中建立小卫星e p s 电源控制装置的模型，包括利用s - f u n c t i o n 建 立的m p p t 算法模块和工作模式转换算法模块，利用p i 调节器的c c - c v 充电控制模块， 这些模型与在v t b 中搭建的串联p p t 结构e p s 的总体模型联合仿真运行； ( 五) 分析小卫星e p s 在轨运行的单圈和多圈能量平衡、最大放电深度检验的仿真 结果，验证串联p p t 结构e p s 的稳定性、以工作模式转换为主要内容的控制策略的可靠性， 并对太阳电池阵和蓄电池组的配置进行检验和评估。 二，各章内容安捧 第一章，绪论。阐明了本课题的背景和意义，介绍了小卫星e p s 配置中的功率调节方 式，综述了国内外在卫星e p s 仿真领域的研究现状，分析了小卫星e p s 仿真中存在的等效 电路与控制系统建模之问的矛盾问题。 第二章，小卫星e p s 的基本知识。主要介绍太阳电池阵、蓄电池组和电源控制装置等 小卫星e p s 主要组成部分的功能和特性；对d e t 和p p t 两种功率调节方式下太阳电池阵 功率输出特性进行对比分析。 第三章，为本文研究的理论基础，对小卫星e p s 的控制策略的相关内容进行研究。以 串联p p t 结构为背景，用有限状态机理论中的状态转移图来表示工作模式转换，并从e p s 稳定运行、统一控制的角度，将其优化为两个工作模式的转换；对以锂离子蓄电池组为储 能装置时的工作模式转换进行了较详细的研究。总结m p p t 算法的阻抗匹配的实质，并基 于p - d 曲线总结了扰动观察m p p t 算法的基本流程。为验证串联p p t 结构的控制策略，设 计了基于p i c 单片机的串联p p t 结构的硬件实现方案。 第四章，仿真分析的主要参数计算，是第三章理论的应用。以串联p p t 结构能量传递 图为基础，进行太阳电池阵和锂离子蓄电池组的配置计算，并总结了串联p p t 结构配置计 算的一般步骤及太阳电池阵输出功率计算的基本方法。 第五章，建立了小卫星e p s 的仿真系统并分析仿真输出结果，对控制策略及配置计算 的合理性进行验证。本章研究了多领域联合仿真方法在小卫星e p s 仿真中的应用，总结了 v t b 与s i m u l i n k 联合仿真运行的基本步骤；以串联p p t 结构及其控制策略为基础，在 s i m u l i n k 中用s - f u n c t i o n 建立了电源控制装置的m p p t 算法和工作模式转换算法等模型， 与在v t b 中建立的小卫星e p s 仿真模型联合仿真运行。对小卫星e p s 的单圈能量平衡、 多圈能量平衡和最大放电深度检验仿真输出结果进行详细分析，验证串联p p t 结构的工作 模式转换控制策略的可靠性，并验证太阳电池阵和蓄电池组配置计算的合理性。 第六章，全文总结。对工作模式转换的控制策略的相关问题进行总结，指出本文所采 用的联合仿真方法和小卫星配置计算方法的难点和不足，提出今后的研究展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章小卫星电源系统的基本结构 小卫星e p s 一般采用太阳电池阵蓄电池组电源系统，主要由太阳电池阵、蓄电池组 和电源控制装置组成。太阳电池的输出特性比较复杂，要分析其受工作温度等因素的影响。 空间应用的锂离子蓄电池的还处于试验阶段，充电时必须严格控制充电电压。电源控制装 置的主体是开关变换电路，重点是控制这些开关电路的工作状态，从而控制整个e p s 。 2 1 太阳电池阵 太阳电池阵是由若干太阳电池组件或太阳电池板按一定的机械和电气方式组装在一 起，有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。一般含有太阳电池电路、基板、连接架、 压紧及展开机构等1 4 1 。本文只讨论太阳电池电路部分。 2 1 1 空间太阳电池 太阳电池是一种能量转换的半导体器件。它依靠半导体光伏效应，将太阳能直接转化 为电能，又称光伏电池。在宇宙空间环境中，环境条件非常恶劣，温度起伏大，且存在着 大量的高能粒子，造成电池性能下降，因此空间太阳电池必须具备性能稳定和耐辐照等基 本特性。由于发射和运行成本的问题，希望尽可能提高功能密度，效率成为太阳电池必须 考虑的问题。目前。空间应用主要有硅( s i ) 和砷化镓( g a a s ) 太阳电池两种。 s i 太阳电池有常规硅太阳电池，背场( b s f ) 、背反射( b s r ) 和背场背反射( b s f r ) 太阳电池等几种。上海空间电源研究所( 8 1 l 所) 研制的硅太阳电池已从6 0 年代转换效率 为1 0 的常规硅太阳电池，发展到7 0 年代1 2 效率的b s r 太阳电池、1 3 5 效率的b s f 太阳电池和9 0 年代末1 5 效率的b s f r 太阳电池【2 l 】。 g a a s 太阳电池是一种m v 族化合物半导体太阳电池，为了增加g a a s 太阳电池的强 度、降低电池的成本，一般研究以g e 衬底的g a a s 太阳电池。与s i 太阳电池相比：光 电转换效率高s i 太阳电池理论效率为2 3 ，而单结和多结g a a s 太阳电池分别为2 7 和5 0 ；可制成薄膜和超薄型太阳电池，质量可大幅减小；耐高温性能好；抗辐 射性能好；可制成效率更高的多结叠层太阳电池阎。 优良的性价比和成熟技术使得硅太阳电池仍然是目前小卫星e p s 的首选，但随着c r a a s 太阳电池飞行数据的完善、成本的降低，越来越多的小卫星开始使用g a a s 电池。此外， 多晶硅薄膜太阳电池和c i g s 薄膜太阳电池因其具有极高的重量比功率和极好的耐辐照 性，也有可能得到广泛的空间应用。 2 1 2 太阳电池阵的直流模型 太阳电池阵由若干太阳电池片串联、并联而成，其输出特性决定于单片电池的输出特 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 性。对太阳电池建模有两种常用的方法。第一种是实验数据法，通过一系列的实验获得太 阳电池的性能数据。在使用时，把与所需工作环境相近的试验数据调出。这种方法是非解 析的，它很准确，但实验过程复杂烦琐。第二种是等效电路模型法，根据太阳电池阵的等 效电路，求出其数学模型，这种方法可通过计算机直接计算太阳电池阵的输出特性，较试 验数据法简单，但是精度不如试验数据法高。 实验数据法的灵活性差。因为太阳电池的输出性能受光强、温度、粒子辐照、紫外辐 照等因素影响很大，在地面进行完全实验的工作量太大。而采用等效电路模型法则很灵活， 它能计算出太阳电池阵在不同条件下的i - v 曲线嘲。本文选用等效电路模型法。 图2 1 所示为标准太阳电池直流等效电路模型。根据此等效电路，可以得到太阳电池 的输出电压和输出电流满足方程： 孰s z i b 矿l 1 图2 1 太阳电池直流等效电路模型 l 寸l h 驾笋h 半 泣- ， 式中a 为曲线拟合常数，其值在1 - 5 之间；冠为电池串联电阻；j k 为电池并联电阻； l 为二极管反向饱和电流密度( 1 1 0 l i 5 x1 0 。1 1 a m 2 ) ；l 为光导电流；e 为电子电荷 ( 1 6 x 1 0 1 9 c ) ；k 为玻耳兹曼常数( 1 3 8 x 1 0 2 3 j k ) ；t 为电池绝对温度( k ) ；l 为电池 输出电流；圪为电池输出电压。 2 1 3 太阳电池阵的光伏特性 一、i - v 特性 i - v 特性是指在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出电压和电流之间的关 系，它包含太阳电池绝大多数特性。 太阳电池的特性是受多种因素制约，本文主要考虑在不同的光照和温度下的i v 特性， 无特别说明时，其它因素假定为理想条件。太阳电池空间测试的标准条件为日照强度 1 3 5 3 w m 2 ，太阳电池温度2 5 ，大气质量a m 0 。大气质量( 蝴) ，描述的是太阳辐射 能通过大气层时引起的能量衰减程度与穿过大气路程之间的关系，在空间常用a m 0 ，地面 上常用a m i 5 ，两个太阳常数下的i v 特性差距较大，本文主要研究空间应用。 图2 2 所示为某太阳电池在上述标准和定义下的l - v 特性曲线，虚线为与i - v 曲线相 对应的p - v ( 功率电压) 曲线。对图中的参数的定义如下： 短路电流l ： 给定温度、光照强度下所能输出的最大电流； 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 开路电压吃；给定温度、光照强度下所能输出的最大电压； 最大功率点电流k ：给定温度、光照强度下最大功率点的电流； 最大功率点电压：给定温度、光照强度下最大功率点的电压； 最大功率点功率只：给定温度、光照强度下所能输出的最大功率，只= i s c i l n p 输 出 电 流 、 ，t | f ， 7 f 旷 n!o0l 10i 图2 2 太阳电池的w 特性曲线 从太阳电池的i - v 曲线中能够很直观的看出电池的输出电流和电压的对应关系，同时 也表明太阳电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率；它是一种 非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内恒定，最终在一个足够高的电压之后， 电流迅速下降至零；输出电流即使在短路状态下也不会无穷大而是一个有限值；太阳电池 只有工作在最大功率点上时利用效率才最高田】。 在理想情况下，由n 个太阳电池( 或组件) 按n s 个串联及n p 个并联构成一个组件( 或 阵列) 时，组件( 或阵列) 的电压和单个电池( 或单个组件) 相比提高了n s 倍，其电流较单个电 池( 或单个组件) 增大了n p 倍，效率仍保持不变，其特性曲线亦仅作相应的增长( 单个电池 或组件的特性仍保持不变) 嗍。 二、工作环境对i v 特性的影响 太阳电池阵的输出特性受光强、温度、辐照等因素的影响，因此吃、l 等参数也随 之而变化。 ( 1 ) 太阳光强变化的影响 光强对太阳电池性能的影响主要表现在两个方面【4 】：光强的高低直接决定太阳电池的 输出电压高低：其次是影响太阳电池的工作温度。光强对i v 特性曲线的形状改变不大，太 阳电池的输出电流随光强的变化而上下平移，而太阳电池的输出电压随光强变化并不大。 一般来说，太阳电池短路电流的变化与光强成正比，而开路电压与光强变化呈对数变化。 如图2 3 所示，从上往下，太阳光照分别为1 3 5 3 w m 2 、1 3 0 0 w m 2 ，1 2 0 0 w m 2 、1 1 0 0 w m 2 、 1 0 0 0 w m 2 的i - v 特性曲线( 2 9 8 k ，a m 0 ) 。 ( 2 ) 温度变化的影响 7 温度变化对太阳电池的影响用电流温度系数( a k ) 和电压温度系数( v i k ) 来表 示，前者为正值，后者为负值。因此工作温度升高，短路电流增大和开路电压降低，这里 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 不是指环境温度，环境温度与工作温度的改变没有必然的联系。如图2 4 所示，从右往左， 太阳电池的工作温度分别为2 7 3 k 、2 8 0 k 、2 9 0 k 、2 9 8 k 、3 1 0 k 、3 2 0 k 的i v 特性曲 线(