CN112865242B - 卫星电源***多能源互联供电能量控制***及方法 - Google Patents

卫星电源***多能源互联供电能量控制***及方法 Download PDF

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Abstract

一种卫星电源***多能源互联供电能量控制***及方法，包括：用于母线供电多能源互联供电装置、用于一体化管理各供电装置子模块的功率分配与充/放电控制的多能源互联能量管理装置和用于对多能源互联供电装置子模块进行低温冷启动预热与高温散热控制的卫星电源热管理装置。本发明能够可有效提高卫星电源***中各产能/储能供电子***部件的运行寿命与安全性。

Description

卫星电源***多能源互联供电能量控制***及方法
技术领域
本发明涉及的是一种卫星供电领域的技术，具体是一种卫星电源***多能源互联供电能量控制***及方法。
背景技术
卫星电源***面临着极端温度、真空散热、强辐射等诸多极端环境挑战，并且在地影期仅能依靠蓄电池组与燃料电池组进行供电。因此，地球同步轨道卫星电源***对供电***的可靠性以及配电***的高效性有着极高要求，以保障卫星长期在轨运行需求。然而，现有卫星电源***中各子模块的管理与控制是独立进行，基于多能源互联供电的能量管理技术在卫星电源***上的应用尚处于空白状态。
发明内容
本发明针对在轨卫星电源***利用多能源供电的实际应用，提出一种卫星电源***多能源互联供电能量控制***及方法，能够可有效提高卫星电源***中各产能/储能供电子***部件的运行寿命与安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种卫星电源***多能源互联供电能量控制***，包括：用于母线供电多能源互联供电装置、用于一体化管理各供电装置子模块的功率分配与充/放电控制的多能源互联能量管理装置和用于对多能源互联供电装置子模块进行低温冷启动预热与高温散热控制的卫星电源热管理装置。
所述的多能源互联供电装置包括：分别与多能源互联能量管理装置相连以实现功率协同分配的太阳能光伏电池阵列、分流调节器、氢氧燃料电池堆与其放电调节器、镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组以及两个锂离子电池组对应的充/放电调节器和直流母线，其中：太阳能光伏电池阵列、镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组与氢氧燃料电池堆构成的多能源互联供电装置的产能/储能子模块，太阳能光伏电池阵列在光照期时并联在直流母线上，产生的部分电能为镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组补充充电，当其产生的电能溢出时通过并联在直流母线上的分流调节器耗散，在地影期时其与直流母线断开；镍钴锰酸锂能量型电池组在光照期时通过太阳能光伏阵列充电，地影期时输出功率以维持直流母线电压；钛酸锂功率型电池组在光照期且负载短时功率需求高于光伏阵列输出功率时输出补充功率，地影期时与镍钴锰酸锂能量型电池组共同为直流母线供电；氢氧燃料电池堆通过放电调节器与直流母线相连，在地影期且卫星负载需求长时间高功率时其与锂离子电池组共同为直流母线供电，并为锂离子电池组补充充电。
所述的分流调节器基于顺序开关分流调节技术(S4R)耗散卫星在光照期时太阳能光伏电池阵列溢出的多余能量。
所述的充/放电调节器基于双向DC/DC转换器与闭环PI控制原理，用于控制镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的输入/输出功率以及充/放电安全保护。
所述的氢氧燃料电池堆的放电调节器基于单向Buck架构DC/DC转换器，用于调节燃料电池堆的输出功率。
所述的多能源互联能量管理装置包括：与供电装置产能/储能子模块相连的四个传感器测量模块、与各充/放调节器、分流调节器相连的四个分布式控制模块以及协同各分布式控制模块的多能源互联能量综合管理模块，其中：太阳能光伏电池阵列、镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组与氢氧燃料电池堆的传感器测量模块将采集的各产能/储能子模块信号进行噪声滤波与预处理并反馈至各分布式控制模块；分流调节器、镍钴锰酸锂能量型电池组充/放电调节器、钛酸锂功率型电池组充/放电调节器、氢氧燃料电池堆放电调节器的分布式控制模块采用脉冲宽度调制(PWM)控制各充/放电调节器以实现对母线电压与各产能/储能子模块输出功率的闭环控制，同时其基于测量信号估计各产能/储能模块的状态参数，并将状态参数反馈至多能源互联能量综合管理模块；多能源互联能量综合管理模块基于两套模糊逻辑算法与规则约束实现各分布式控制模块的协同管控，并根据模糊算法推理出卫星电源热管理装置的温度控制范围。
所述的状态参数包括：燃料电池堆工作效率、两个锂离子电池组的荷电状态(SoC)。
所述的卫星电源热管理装置在光照期与地影期对卫星电源***整体温度进行监控，具体包括：镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组以及氢氧燃料电池的热管理模块，其中：镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的热管理模块在光照期时充电前预热，并在地影期对两个电池进行冷启动预热并将镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的运行温度维持在－20℃～50℃之间；氢氧燃料电池的热管理模块对燃料电池的冷启动进行预热。
技术效果
本发明整体解决现有卫星电源管理***与方法无法实现多能源互联协同供电的缺陷、地球同步轨道卫星电源***的多能源互联供电的协同管控复杂性问题、卫星电源***中多能源互联的功率协同调配问题以及卫星电源***子模块电热状态的联合管控问题。
与现有技术相比，本发明通过将分布式控制技术与分级监督管理技术的融合运用、建立基于协同控制规则与模糊逻辑算法的多能源互联供电能量综合管理方法，有效提高在轨卫星电源***的使用寿命与可靠性，体现多能源特性互补的优势，提高电源***的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：太阳能光伏阵列1、分流调节器2、钛酸锂电池组充/放电调节器3、钛酸锂功率型电池组4、卫星热管理装置5、多能源互联供电能量管理装置6、镍钴锰酸锂电池组充/放电调节器7、镍钴锰酸锂能量型电池组8、燃料电池堆放电调节器9、氢氧燃料电池堆10、卫星用电负载11、功率控制信号12、直流母线13、温度控制信号14；
图2为多能源互联供电能量管控策略示意图；
图中：包含两套模糊逻辑算法，分别地影期内镍钴锰酸锂电池组与钛酸锂电池组对直流母线负载供电的功率分配，以及地影期内当钛酸锂电池组SoC低于20％时镍钴锰酸锂电池组与燃料电池堆对钛酸锂电池组充电的功率分配；第一套模糊逻辑算法共有三个输入量，即负载需求功率与两个锂离子电池组的SoC，输出量为两个锂离子电池组的输出功率分配比率；第二套模糊逻辑算法有四个输入量，即负载需求功率、钛酸锂电池组充电需求功率、镍钴锰酸锂电池组SoC、燃料电池堆工作效率，四个输入量经过归一化与模糊化处理后，由推理机根据预设的模糊规则计算相应的模糊输出，再经过解模糊化与反归一化处理，得到优化的燃料电池堆对钛酸锂电池组充电的功率占比。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种卫星电源***多能源互联供电能量控制***，包括：太阳能光伏电池阵列1、钛酸锂功率型电池组4、镍钴锰酸锂能量型电池组8以及氢氧燃料电池堆10构成的产能/储能供电***子模块；分流调节器2、一号充/放电调节器3、二号充/放电调节器7、放电调节器9构成的多能源互联配电模块，其中：钛酸锂功率型电池组4与镍钴锰酸锂能量型电池组8分别通过充/放电调节器3与充/放电调节器7与直流母线13相连，氢氧燃料电池堆通过放电调节器9与直流母线13相连；多能源互联供电能量管理装置6各分布式调节器2、3、7、9的功率输出控制以维持直流母线13的电压；卫星热管理装置5接收由多能源互联供电能量管理装置6发送的温度控制信号，对钛酸锂功率型电池组4、镍钴锰酸锂能量型电池组8以及氢氧燃料电池堆10进行热管理。
本实施例涉及上述***的控制方法，包括以下两个环节循环交替实现，具体为：
①在光照期内：太阳能光伏电池阵列1直接并联在直流母线13为卫星用电负载11供电，同时太阳能光伏电池阵列1对钛酸锂功率型电池组4、镍钴锰酸锂电池组8充电；当太阳能光伏电池阵列1的输出电能溢出，则经过分流调节器2耗散；当卫星用电负载11的需求功率高于太阳能光伏电池阵列1的输出功率，则钛酸锂功率型电池组4进行补充供电以维持直流母线13的电压，镍钴锰酸锂能量型电池组8与氢氧燃料电池堆10作为地影期的蓄电储能模块不对直流母线13供电。
②在地影期内：太阳能光伏电池阵列1以及分流调节器2与直流母线13断开；镍钴锰酸锂能量型电池组8与钛酸锂功率型电池组4优先为直流母线13供电；氢氧燃料电池堆10补充供电。
所述的多能源互联能量综合管理模块基于两套模糊逻辑算法与规则约束实现各分布式控制模块的协同管控，其中：
所述的规则约束包括：
规则一：在光照期内，所述的太阳能光伏阵列全功率输出，并优先给镍钴锰酸锂能量型电池组充电；当镍钴锰酸锂能量型电池组SoC达到90％时，太阳能光伏阵列单独对钛酸锂功率型电池组充电，直至两个锂离子电池组SoC均达到90％时再一同充满；太阳能光伏阵列溢出的电能经分流调节器耗散。
规则二：在光照期内，当镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的温度低于0℃时禁止充电以保护电池，通过卫星热管理装置将两个电池组加热至10℃方可充电，充电温度维持在10℃～25℃之间。
规则三：在光照期内，所述的镍钴锰酸锂能量型电池组与燃料电池堆不为直流母线供电，当卫星用电负载呈现短时高功率需求时，由钛酸锂功率型电池组为卫星负载补充供电以维持母线电压。
规则四：在地影期内，由镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组优先为负载供电，根据两个锂离子电池组的状态参数基于模糊逻辑算法确定各自功率输出比率，而当两个锂离子电池组由于温度约束无法及时供电时，由燃料电池堆优先为卫星负载供电以维持直流母线电压。
规则五：在地影期内，当钛酸锂功率型电池组SoC低于20％时，由燃料电池堆与镍钴锰酸锂能量型电池组为其充电，充电功率分配由模糊逻辑算法决定以保证燃料电池堆运行于高效率区间，待其SoC恢复80％时关闭燃料电池堆。
规则六：在地影期内，所述的镍钴锰酸锂能量型电池组与与钛酸锂功率型电池组的运行温度控制在－20℃～50℃之间，当两个锂离子电池组的温度低于－20℃时禁止放电以避免电池组过放电，需预热至0℃以上后方可再次放电，预热期间由燃料电池堆为卫星用电负载供电。
根据以上协同控制规则，设计两个功率分配智能算法。本发明选择基于模糊逻辑原理设计算法，以便于利用由DSP芯片组成的硬件电路实现高效控制。
如图2所示，所述的两套模糊逻辑算法包括：第一套模糊逻辑算法计算地影期内镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的输出功率分配，共有三个输入量：卫星用电负载需求功率、镍钴锰酸锂能量型电池组SoC、钛酸锂功率型电池组SoC，输出量为两个锂离子电池组的功率分配比率。第二套模糊逻辑算法计算地影期内当钛酸锂电池组SoC低于20％时镍钴锰酸锂电池组与燃料电池堆对钛酸锂电池组充电的功率分配，共有四个输入量：负载需求功率、钛酸锂电池组充电需求功率、镍钴锰酸锂电池组SoC、燃料电池堆工作效率，输出量为优化后的燃料电池堆对钛酸锂电池组充电的功率占比。两套算法均受所述的规则四、规则五与规则六的约束。
前述的模糊逻辑算法将原理：输入量经过归一化与模糊化处理后，由推理机根据预设的模糊规则计算相应的模糊输出，再经过解模糊化与反归一化处理，最终输出精确结果。
在模糊逻辑算法中：各输入、输出变量的论域为：
卫星用电负载需求功率：NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB
镍钴锰酸锂能量型电池组SoC：LE、ME、HE
钛酸锂功率型电池组SoC：LE、ME、HE
钛酸锂电池组充电需求功率：LE、ME、HE
燃料电池堆工作效率：LE、ME、HE
镍钴锰酸锂电池组功率占比：NB、NS、ZE、PS、PB
燃料电池堆对钛酸锂电池组的供电占比：NB、NS、ZE、PS、PB
模糊逻辑规则采用“IF-THEN”形式，即:
模糊算法1#的控制规则：
Fuzzy Rule 11:IF(卫星用电负载需求功率is NB,and镍钴锰酸锂能量型电池组SoC is HE,and钛酸锂功率型电池组SoC is LE)THEN(镍钴锰酸锂电池组功率占比is PB)
Fuzzy Rule 2:IF(卫星用电负载需求功率is NM,and镍钴锰酸锂能量型电池组SoC is HE,and钛酸锂功率型电池组SoC is LE)THEN(镍钴锰酸锂电池组功率占比is PB)
……
Fuzzy Rule 63:IF(卫星用电负载需求功率is PB,and镍钴锰酸锂能量型电池组SoC is LE,and钛酸锂功率型电池组SoC is HE)THEN(镍钴锰酸锂电池组功率占比is NB)
上述描写的模糊逻辑算法规则共63条，各个模糊语句之间为或的关系。
模糊算法2#的控制规则：
Fuzzy Rule 1：IF(卫星用电负载需求功率is NB,and钛酸锂电池组充电需求功率is LE,and镍钴锰酸锂能量型电池组SoC is HE,燃料电池堆工作效率is LE)THEN(燃料电池堆堆钛酸锂电池组的供电占比is NB)
……
Fuzzy Rule 189：IF(卫星用电负载需求功率is PB,and钛酸锂电池组充电需求功率is HE,and镍钴锰酸锂能量型电池组SoC is LE,燃料电池堆工作效率is LE)THEN(燃料电池堆堆钛酸锂电池组的供电占比is PB)
上述描写的模糊逻辑算法规则共189条，各个模糊语句之间为或的关系。
在模糊逻辑算法中：隶属度函数均采用三角形与梯形结合的形式。
在模糊逻辑算法中：采用重心法实现模糊输出的解模糊化。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征在于，包括：用于母线供电多能源互联供电装置、用于一体化管理各供电装置子模块的功率分配与充/放电控制的多能源互联能量管理装置和用于对多能源互联供电装置子模块进行低温冷启动预热与高温散热控制的卫星电源热管理装置；
所述的多能源互联供电装置包括：分别与多能源互联能量管理装置相连以实现功率协同分配的太阳能光伏电池阵列、分流调节器、氢氧燃料电池堆与其放电调节器、镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组以及两个锂离子电池组对应的充/放电调节器和直流母线；
所述的多能源互联能量管理装置包括：与供电装置产能/储能子模块相连的四个传感器测量模块、与各充/放调节器、分流调节器相连的四个分布式控制模块以及协同各分布式控制模块的多能源互联能量综合管理模块；
所述的卫星电源热管理装置在光照期与地影期对卫星电源***整体温度进行监控，具体包括：镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组以及氢氧燃料电池的热管理模块；
所述的多能源互联能量综合管理模块基于两套模糊逻辑算法与规则约束实现各分布式控制模块的协同管控，并根据模糊算法推理出卫星电源热管理装置的温度控制范围；
所述的太阳能光伏电池阵列、镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组与氢氧燃料电池堆构成的多能源互联供电装置的产能/储能子模块，太阳能光伏电池阵列在光照期时并联在直流母线上，产生的部分电能为镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组补充充电，当其产生的电能溢出时通过并联在直流母线上的分流调节器耗散，在地影期时其与直流母线断开；镍钴锰酸锂能量型电池组在光照期时通过太阳能光伏阵列充电，地影期时输出功率以维持直流母线电压；钛酸锂功率型电池组在光照期且负载短时功率需求高于光伏阵列输出功率时输出补充功率，地影期时与镍钴锰酸锂能量型电池组共同为直流母线供电；氢氧燃料电池堆通过放电调节器与直流母线相连，在地影期且卫星负载需求长时间高功率时其与锂离子电池组共同为直流母线供电，并为锂离子电池组补充充电；
所述的两套模糊逻辑算法包括：第一套模糊逻辑算法计算地影期内镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的输出功率分配，共有三个输入量：卫星用电负载需求功率、镍钴锰酸锂能量型电池组SoC、钛酸锂功率型电池组SoC，输出量为两个锂离子电池组的功率分配比率，第二套模糊逻辑算法计算地影期内当钛酸锂电池组SoC低于20%时镍钴锰酸锂电池组与燃料电池堆对钛酸锂电池组充电的功率分配，共有四个输入量：负载需求功率、钛酸锂电池组充电需求功率、镍钴锰酸锂电池组SoC、燃料电池堆工作效率，输出量为优化后的燃料电池堆对钛酸锂电池组充电的功率占比。
2.根据权利要求1所述的卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征是，所述的分流调节器基于顺序开关分流调节技术(S4R)耗散卫星在光照期时太阳能光伏电池阵列溢出的多余能量。
3.根据权利要求1所述的卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征是，所述的充/放电调节器基于双向DC/DC转换器与闭环PI控制原理，用于控制镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的输入/输出功率以及充/放电安全保护。
4.根据权利要求1所述的卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征是，所述的氢氧燃料电池堆的放电调节器基于单向Buck架构DC/DC转换器，用于调节燃料电池堆的输出功率。
5.根据权利要求1所述的卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征是，所述的太阳能光伏电池阵列、镍钴锰酸锂能量型电池组、钛酸锂功率型电池组与氢氧燃料电池堆的传感器测量模块将采集的各产能/储能子模块信号进行噪声滤波与预处理并反馈至各分布式控制模块；分流调节器、镍钴锰酸锂能量型电池组充/放电调节器、钛酸锂功率型电池组充/放电调节器、氢氧燃料电池堆放电调节器的分布式控制模块采用脉冲宽度调制控制各充/放电调节器以实现对母线电压与各产能/储能子模块输出功率的闭环控制，同时其基于测量信号估计各产能/储能模块的状态参数，并将状态参数反馈至多能源互联能量综合管理模块；
所述的状态参数包括：燃料电池堆工作效率、两个锂离子电池组的荷电状态(SoC)。
6.根据权利要求5所述的卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征是，所述的规则约束包括：
规则一：在光照期内，所述的太阳能光伏阵列全功率输出，并优先给镍钴锰酸锂能量型电池组充电；当镍钴锰酸锂能量型电池组SoC达到90%时，太阳能光伏阵列单独对钛酸锂功率型电池组充电，直至两个锂离子电池组SoC均达到90%时再一同充满；太阳能光伏阵列溢出的电能经分流调节器耗散；
规则二：在光照期内，当镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的温度低于0℃时禁止充电以保护电池，通过卫星热管理装置将两个电池组加热至10℃方可充电，充电温度维持在10℃~25℃之间；
规则三：在光照期内，所述的镍钴锰酸锂能量型电池组与燃料电池堆不为直流母线供电，当卫星用电负载呈现短时高功率需求时，由钛酸锂功率型电池组为卫星负载补充供电以维持母线电压；
规则四：在地影期内，由镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组优先为负载供电，根据两个锂离子电池组的状态参数基于模糊逻辑算法确定各自功率输出比率，而当两个锂离子电池组由于温度约束无法及时供电时，由燃料电池堆优先为卫星负载供电以维持直流母线电压；
规则五：在地影期内，当钛酸锂功率型电池组SoC低于20%时，由燃料电池堆与镍钴锰酸锂能量型电池组为其充电，充电功率分配由模糊逻辑算法决定以保证燃料电池堆运行于高效率区间，待其SoC恢复80%时关闭燃料电池堆；
规则六：在地影期内，所述的镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的运行温度控制在－20℃~50℃之间，当两个锂离子电池组的温度低于－20℃时禁止放电以避免电池组过放电，需预热至0℃以上后方可再次放电，预热期间由燃料电池堆为卫星用电负载供电。
7.根据权利要求1所述的卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征是，所述的镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的热管理模块在光照期时充电前预热，并在地影期对两个电池进行冷启动预热并将镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组的运行温度维持在－20℃~50℃之间；氢氧燃料电池的热管理模块对燃料电池的冷启动进行预热。
8.一种卫星电源***多能源互联供电能量控制方法，应用于权利要求1-7中任一所述卫星电源***多能源互联供电能量控制***，其特征在于，包括以下两个环节循环交替实现，具体为：
①在光照期内：太阳能光伏电池阵列直接并联在直流母线为卫星用电负载供电，同时太阳能光伏电池阵列对钛酸锂功率型电池组、镍钴锰酸锂电池组充电；当太阳能光伏电池阵列的输出电能溢出，则经过分流调节器耗散；当卫星用电负载的需求功率高于太阳能光伏电池阵列的输出功率，则钛酸锂功率型电池组进行补充供电以维持直流母线的电压，镍钴锰酸锂能量型电池组与氢氧燃料电池堆作为地影期的蓄电储能模块不对直流母线供电；
②在地影期内：太阳能光伏电池阵列以及分流调节器与直流母线断开；镍钴锰酸锂能量型电池组与钛酸锂功率型电池组优先为直流母线供电；氢氧燃料电池堆补充供电。
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