CN110854840A - 基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法 - Google Patents

基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法，多个航天器采用基于公共母线的并网拓扑结构进行并网供电；包括：S1.所述航天器获取其自身的电网实际功率，并根据所述电网实际功率自主判断其电网的功率状态；S2.若所述航天器的电网功率富裕，则将多余的电能输送至所述公共母线上，若所述航天器的电网功率不足，则接收所述公共母线上传输的电能。适用于多个航天器间并网供电总体设计。通过本发明，可以更加灵活、可靠的实现多个航天器间功率并网，可扩展性高，能够满足大型、复杂航天器在轨组网的要求。

Description

基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法
技术领域
本发明涉及一种航天器***总体设计领域，尤其涉及一种基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法。
背景技术
随着航天技术的发展，航天器的载荷和功能不断增加，每个独立航天器均具备自身的电源***，能够支持独立飞行时用电。每个航天器不同工作模式下负载需求不同，对电源***配置需求也不同。当多个航天器在轨对接和组网构建大型复杂航天器***时必不可少。目前受制于任务需求和航天器规模，仅有两个航天器间通过单个功率变换器实现能量并网传输的案例。这种方式可扩展性较差，传输的功率量级较小，当在轨并网航天器数目超过两艘时，只能采用“两两并网”的方式，设备配置多，功率损耗代价大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法，优化多个航天器在轨并网时的电能利用效率。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法，多个航天器采用基于公共母线的并网拓扑结构进行并网供电；包括：
S1.所述航天器获取其自身的电网实际功率，并根据所述电网实际功率自主判断其电网的功率状态；
S2.若所述航天器的电网功率富裕，则将多余的电能输送至所述公共母线上，若所述航天器的电网功率不足，则接收所述公共母线上传输的电能。
根据本发明的一个方面，所述航天器中电网母线分别通过输入功率变换器和输出功率变换器与所述公共母线相连接；
所述航天器中电网通过所述输入功率变换器接收所述公共母线上传输的电能；
所述航天器中电网通过所述输出功率变换器向所述公共母线输送多余电能。
根据本发明的一个方面，所述输入功率变换器接收所述公共母线上传输的电能后，以恒流方式向所述航天器的电网输送。
根据本发明的一个方面，每个所述航天器上的所述输入功率变换器和所述输出功率变换器均与能源管理中心相连接；
所述能源管理中心用于统计、分析各所述航天器电网的功率缺口量或功率富裕量，并控制每个所述输入功率变换器和所述输出功率变换器的开启、关断和传输的功率量级。
根据本发明的一个方面，多个所述航天器的电网功率富裕时，与所述公共母线相连的各所述输出功率变换器的输出电压是相等的。
根据本发明的一个方面，多个所述输出功率变换器工作于主从模式，其中一个所述输出功率变换器为主模块，其余为从模块；
作为主模块的所述输出功率变换器采用电压、电流双闭环控制，外环为电压闭环，用于实现所述公共母线的电压调节，内环为电流闭环；
作为从模块的所述输出功率变换器采用电流闭环控制。
根据本发明的一个方面，单个所述航天器中的所述输出功率变换器和输入功率变换器可分别设置为一个或多个并联；
当单个所述航天器中的所述输出功率变换器或输入功率变换器分别设置为多个并联时，则当所述航天器功率缺口量或功率富裕量超过设定阈值，则所述输出功率变换器或所述输入功率变换器并联工作。
根据本发明的一种方案，适用于多个航天器间并网供电总体设计。通过本发明，可以更加灵活、可靠的实现多个航天器间功率并网，可扩展性高，能够满足大型、复杂航天器在轨组网的要求。
根据本发明的一种方案，多个航天器在轨期间，各个航天器的独立电源***通过并网供电，形成大型电源***，实现能量的互相补给，将功率富裕的航天器多余的能量传输到功率不足的航天器，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***的可靠性和鲁棒性。
根据本发明的一种方案，通过功率变换器能量变换和传输实现不同航天器间母线并网，既可以实现功率(电压、电流)的按需变换、可控传输，又可以实现母线间的可靠隔离，不仅提高了航天器间并网供电的能源利用率，还有效提高了并网航天器的安全性。
根据本发明的一种方案，可以满足不小于3个的航天器之间的并网供电，通过航天器与公共母线相连，使得航天器间的电网连接或断开更加方便，航天器之间的电网冲击小，保证了整个航天器群的安全性。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的步骤框图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于公共母线的多航天器并网供电***拓扑结构图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的多输出功率变换器并联输出拓扑结构图；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的多输出功率变换器并联输出控制框图；
图5示意性表示根据本发明的一种实施方式的并网供电***拓展结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法，多个航天器采用基于公共母线的并网拓扑结构进行并网供电。
本发明的方法包括：
S1.航天器获取其自身的电网实际功率，并根据电网实际功率自主判断其电网的功率状态；
S2.若航天器的电网功率富裕，则将多余的电能输送至公共母线上，若航天器的电网功率不足，则接收公共母线上传输的电能。
如图2所示，根据本发明的一种实施方式，航天器中电网母线分别通过输入功率变换器和输出功率变换器与所述公共母线相连接。在本实施方式中，航天器中电网通过输入功率变换器接收公共母线上传输的电能；航天器中电网通过输出功率变换器向公共母线输送多余电能。通过上述设置，每个航天器的电网的母线通过功率变换器接到一条公共母线上，任一航天器当功率不足时可以接收来自其他某一个或某几个航天器的功率功率。任一航天器在功率富裕时，也可以将功率输送到公共母线上，向其他飞行器供电。
例如：参见图2，当航天器A功率不足时，航天器B/C/…N功率均有富裕时，航天器B/C/…N通过输出功率变换器B_O、C_O…N_O将各自功率母线进行变换后统一输送到并网公共母线，航天器A通过输入功率变换器A_I将并网公共母线的功率进行变换后，与航天器A母线并网，联合为航天器A负载供电。
又如：参见图2，当航天器A、B功率不足时，航天器C/…M功率均有富裕，航天器M+1/…N功率仅能自给自足时，航天器C/…M通过输出功率变换器C_O、C+1_O…M_O将各自功率母线进行变换后统一输送到并网公共母线，航天器A、B分别通过输入功率变换器A_I、B_I将并网公共母线的功率进行变换后，分别与航天器A、B母线并网，为航天器A、B负载供电；而航天器M+1/…N输入功率变换器M+1_I…N_I和输出功率变换器M+1_O…N_O均不开启，维持自身供电状态。
根据本发明的一种实施方式，输入功率变换器接收公共母线上传输的电能后，以恒流方式向航天器的电网输送。在本实施方式中，参见图2所示，以航天器A为例。输入功率变换器A_I接收来自并网公共母线的功率后，恒流输出，与航天器A电源***一次母线汇集后为用电设备供电；母线电压完全由航天器A电源***自身决定，输入功率变换器A_I输出恒定的电流，不参与电源***母线电压控制。通过采用恒流方式进行电能输送的优点在于输入功率变换器恒流输出，与受电的航天器电源***一次母线汇集后为用电设备供电；母线电压完全由受电航天器电源***闭环调节自身决定，功率变换器输出恒定的电流，不参与电源***母线电压控制。避免了两个控制***互相竞争可能产生的母线电压振荡。
如图2所示，根据本发明的一种实施方式，每个所述航天器上的所述输入功率变换器和所述输出功率变换器均与能源管理中心相连接。在本实施方式中，能源管理中心用于统计、分析各航天器电网的功率缺口量或功率富裕量，并控制每个输入功率变换器和输出功率变换器的开启、关断和传输的功率量级。
结合图2和图3所示，根据本发明的一种实施方式，多个航天器的电网功率富裕时，与公共母线相连的各输出功率变换器的输出电压是相等的。在本实施方式中，当多个航天器向公共母线输送电能时，存在多个输出功率变换器B_O、C_O…N_O并联统一输送到并网功率母线的模式。在本实施方式中，输出功率变换器B_O、C_O…N_O实现将多个母线电压进行变换后，输出直接接到公共母线上，输出电压VBO_O、VCO_O…VNO_O均相等，为公共母线电压Vbus_COM，Vbus_COM预先设定为一个已知值。每个输出功率变换器输出功率PBO、PCO…PNO由能源管理中心根据各自航天器的功率富裕量计算得出，可为不同值。各个输出功率变换器功率关系如下公式所示：
Vbus_B·IBO_I·ηB＝PB_IN·ηB＝PBO＝VBO_O·IBO_O (1)
Vbus_C·ICO_I·ηC＝PC_IN·ηC＝PCO＝VCO_O·ICO_O (2)
……
Vbus_N·INO_I·ηN＝PN_IN·ηN＝PNO＝VNO_O·INO_O (3)
VBO_O＝VCO_O＝......＝VNO_O＝Vbus_COM (4)
其中：Vbus_B、Vbus_C……Vbus_N为各个航天器电网母线电压；IBO_I、ICO_I……INO_I为各个功率变换器输入电流；ηB、ηB……ηN为各个功率变换器转换效率；PB_IN、PC_IN……PN_IN为各个功率变换器输入功率；PBO、PCO……PNO为各个功率变换器输出功率；VBO_O、VCO_O……VNO_O为各个功率变换器输出电压；IBO_O、ICO_O……INO_O为各个功率变换器输出电流；Vbus_COM为公共母线电压。
如图2所示，根据本发明的一种实施方式，多个输出功率变换器工作于主从模式，其中一个所述输出功率变换器为主模块，其余为从模块。在本实施方式中，作为主模块的输出功率变换器采用电压、电流双闭环控制，外环为电压闭环，用于实现公共母线的电压调节，内环为电流闭环；作为从模块的输出功率变换器采用电流闭环控制。在本实施方式中，功率变换器B_O、C_O…N_O工作于主从模式，以一个模块为主模块(以B模块为例)，采用电压、电流双闭环控制，外环为电压闭环，用来实现公共母线电压Vbus_COM调节，内环为电流闭环。其他模块C、D…N均为从模块，从模块只有电流闭环。控制远离如图4所示。其中：GBV为从模块电压调节增益；GBI、GCI…GNI为模块电流调节增益；Vref为公共母线电压参考信号；Vcom_f为公共母线电压采样信号；IB_f、IC_f…IN_f为各能源管理中心分配的各模块输出电流值；IB_Lf、IC_Lf…IN_Lf为各模块电感电流采样信号；VRAMP_B、VRAMP_C…VRAMP_N为各模块PWM信号。通过上述设置，1)主模块负责维持并网公共母线稳定，其余从模块均为电流源，不参与并网母线电压控制，彼此不竞争，易于实现并网***稳定；2)各个模块的输出电流可以由能源管理中心结合功率富裕情况进行分别给定，实现整个***能源最优利用。
根据本发明的一种实施方式，单个所述航天器中的输出功率变换器和输入功率变换器可分别设置为一个或多个并联。在本实施方式中，当单个所述航天器中的输出功率变换器和输入功率变换器分别设置为多个并联时，则当航天器功率缺口量或功率富裕量超过设定阈值，则输出功率变换器或输入功率变换器并联工作。在本实施方式中，输入功率变换器A_I、B_I….N_I、输出功率变换器A_O、B_O….N_O可以通用化设计，功率配置参数一致。当某个航天器功率缺口/富裕功率较大时，可以将多台输入功率变换器或输出功率变换器并联使用，直接并联，无需额外控制，参见图5所示。
如图5所示，根据本发明的一种实施方式，当某个航天器M在轨并网接入时，可以通过功率变换器直接接入并网公共母线，融入整个并网***。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于公共母线的航天器并网拓扑结构的并网供电方法，其特征在于，多个航天器采用基于公共母线的并网拓扑结构进行并网供电；包括：
S1.所述航天器获取其自身的电网实际功率，并根据所述电网实际功率自主判断其电网的功率状态；
S2.若所述航天器的电网功率富裕，则将多余的电能输送至所述公共母线上，若所述航天器的电网功率不足，则接收所述公共母线上传输的电能。
2.根据权利要求1所述的并网供电方法，其特征在于，所述航天器中电网母线分别通过输入功率变换器和输出功率变换器与所述公共母线相连接；
所述航天器中电网通过所述输入功率变换器接收所述公共母线上传输的电能；
所述航天器中电网通过所述输出功率变换器向所述公共母线输送多余电能。
3.根据权利要求2所述的并网供电方法，其特征在于，所述输入功率变换器接收所述公共母线上传输的电能后，以恒流方式向所述航天器的电网输送。
4.根据权利要求3所述的并网供电方法，其特征在于，每个所述航天器上的所述输入功率变换器和所述输出功率变换器均与能源管理中心相连接；
所述能源管理中心用于统计、分析各所述航天器电网的功率缺口量或功率富裕量，并控制每个所述输入功率变换器和所述输出功率变换器的开启、关断和传输的功率量级。
5.根据权利要求4所述的并网供电方法，其特征在于，多个所述航天器的电网功率富裕时，与所述公共母线相连的各所述输出功率变换器的输出电压是相等的。
6.根据权利要求5所述的并网供电方法，其特征在于，多个所述输出功率变换器工作于主从模式，其中一个所述输出功率变换器为主模块，其余为从模块；
作为主模块的所述输出功率变换器采用电压、电流双闭环控制，外环为电压闭环，用于实现所述公共母线的电压调节，内环为电流闭环；
作为从模块的所述输出功率变换器采用电流闭环控制。
7.根据权利要求6所述的并网供电方法，其特征在于，单个所述航天器中的所述输出功率变换器和输入功率变换器可分别设置为一个或多个并联；
当单个所述航天器中的所述输出功率变换器和输入功率变换器分别设置为多个并联时，则当所述航天器功率缺口量或功率富裕量超过设定阈值，则所述输出功率变换器或所述输入功率变换器并联工作。
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