衛(wèi)星電源控制系統(tǒng)結構和降壓變換器仿真研究

樸海國

摘 要： 對衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制結構進行介紹，比較了傳統(tǒng)電源功率控制結構和改進結構的特點，并簡要說明其控制方法，研究衛(wèi)星電源系統(tǒng)中直流母線與負載間的降壓變換器參數(shù)和控制策略設計過程，給出參數(shù)計算方法，通過Matlab軟件仿真驗證了所采用方法的正確性。

關鍵詞： 衛(wèi)星電源； S3R； S4R； 降壓變換器

中圖分類號： TN967.6?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0102?02

Simulation research on control structure of satellite power system and buck converter

PIAO Hai?guo

（Shanghai Institute of Space Power?sources， Shanghai 200245， China）

Abstract： The control structure of the satellite power system is introduced. The characteristics of traditional power control structure and the improved one are compared. The control methods of them are described briefly. The design process of buck converter parameters and control strategy between the DC bus and load in the satellite power system is studied. A parameters calculating method is given. The correctness of the method was verified with Matlab simulation software.

Keywords： satellite power supply； S3R； S4R； buck converter

0 引 言

近年來我國航天技術迅速發(fā)展，空間飛行器總類繁多，功能越來越全面，覆蓋民用、軍事的各個方面，目前空間飛行器主要指地球衛(wèi)星和空間站等。由于其功能的擴展對供電系統(tǒng)的要求也越來越高，主要包括容量上、供電穩(wěn)定性和抗負載擾動等幾個方面。現(xiàn)有空間電源主要包含化學電源（如熱電池、鋰電池、鋅銀電池、氫鎳電池、鎘鎳電池等）、太陽電池陣?蓄電池組聯(lián)合電源和核電源，其中以太陽電池陣?蓄電池組電源為空間電源的主力。

由于在空間中太陽光照強度、負載功率、蓄電池充電功率等的變化，均會導致衛(wèi)星電源系統(tǒng)直流母線電壓發(fā)生大幅度變化。傳統(tǒng)的衛(wèi)星總線拓撲采用S3R（sequential switching shunt regulator）分流調節(jié)方式，通過控制太陽電池陣的輸出分流消耗或向負載供電，從而保證電源在衛(wèi)星在軌運行期間保持電能供應和負載消耗的平衡，向負載提供穩(wěn)定工作電壓。S3R在 1977 年第三屆 ESA 空間能源會議上提出，地球同步軌道通訊衛(wèi)星電源系統(tǒng)一般都采用此類調節(jié)技術[1]。但是，由于S3R拓撲中采用獨立的充、放電模塊，導致其體積和總量較大；同時，由于其充電控制器和放電控制器均直接與電源母線相聯(lián)，若衛(wèi)星采用 28 V等低母線電壓體系時，S3R蓄電池組的充電電壓會受到較大限制。對此提出改進的S4R（sequential switching shunt series regulator）控制系統(tǒng)，如圖1所示[2]。

圖1 基于S4R技術的電源管理框圖

圖中串聯(lián)調節(jié)系統(tǒng)由多個獨立模塊組成，均包含一個分流調節(jié)器（SR）和一個蓄電池組充電控制器（BCR），并與一個太陽能電池陣單元相連。太陽電池分陣在光照充足的情況下，既能對母線負載供電，又能為蓄電池組充電。這種控制方式可最大限度地利用太陽電池陣輸出功率，效率可高達99%。整個系統(tǒng)由電源控制協(xié)調各模塊工作，基本原理是太陽電池陣輸出首先滿足衛(wèi)星負載的需求，其次再對蓄電池充電，在蓄電池和負載需求均得到滿足后，多余的能量從分流電路以熱的形式消耗掉。

1 Buck變換器設計

在空間飛行器中，直流母線電壓需要滿足蓄電池充電和各種負載工作的需要，同時要考慮線路損耗等因素，因此直流母線電壓較高，通常取100 V；負載側供電需要高效率DC/DC變換器，作為空間電源系統(tǒng)的核心。由于負載工作電壓較低，通常采用降壓（Buck）變換。其結構如圖2所示。

圖2 Buck變換器主電路拓撲結構

假設開關管[T1]在0～[t1]期間導通時，電感[L1]中的電流線性增加，電流上升增量為：

[ΔI1+=0t1Us-U0L1dt=Us-U0L1DonTs] （1）

當開關管截止時，電感中的電流線性下降，電流減少量為：

[ΔI1-=t1t2U0L1dt=U0L1（1-Don）Ts] （2）

若電感中電流臨界連續(xù)，則[ΔI1+=ΔI1-=2I0，]此時電感值應為：

[L1=R2（1-Don）Ts] （3）

負載通常需要電流連續(xù)，因此Buck變換器中電感取值應大于[L1]并留有一定余量。變換器中電容的選取與紋波電壓大小有關，流經(jīng)電容的電流[IC=I1-I0，]對電容充電產(chǎn)生的紋波電壓為[3]：

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取電壓紋波為輸出電壓的1%，由此可計算出電容最小取值。

開關管控制采用電壓閉環(huán)的PI控制，PI調節(jié)器輸出參考信號與三角波比較生成觸發(fā)脈，沖控制開關管T1工作，控制原理如圖3所示。圖中[v*dc]為直流電壓給定值，[vdc]為電壓反饋值。

圖3 直流電壓控制原理

2 仿真及分析

根據(jù)上述原理設計空間電源中的降壓變換器，輸入電壓為100 V，輸出電壓為28 V，則開關管占空比為[Don=][28100=0.28；]阻性負載為20 Ω，開關頻率為10 kHz，輸出電壓紋波為1%，計算得到電流臨界連續(xù)時電感值為[Lmin=]0.72 mH；考慮負載等效電阻值的波動，實際電感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；電容最小值[Cmin=]50 μF，為提高輸出波形質量，實際電容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流電壓給定值為28 V，PI調節(jié)器參數(shù)為比例系數(shù)[Kp=]2.5，[Ki=]35。設置[t=]0.15 s時，負載由20 Ω突增到10 Ω，即負載增大一倍，得到仿真結果如圖4所示。穩(wěn)態(tài)時能夠跟蹤給定值；負載增加后，由于電流增加，因此直流電壓紋波略微增大，但都遠遠小于設計值1%。

圖4 突加負載時直流電壓相應曲線

3 結 論

利用Buck變換器實現(xiàn)了空間電源直流母線到負載的降壓變換，控制部分采用基于PI調節(jié)器的單閉環(huán)控制方法，根據(jù)電壓、電流關系設計了濾波電感和直流電容的取值范圍，利用仿真驗證所設計的Buck變換器能夠實現(xiàn)所需的電壓變換，具有較好的動、靜態(tài)性能。

參考文獻

[1] 馬鑫，張東來，徐殿國.S3R & S4R控制策略分析及仿真[J].測控技術，2007，26（6）：45?47.

[2] CAPELA P P. Comparative performance evaluation between the S4R and the S3R regulated bus topologies [C]// 2001 IEEE 32nd Annual Conference on Power Electronics Specialists. [S.l.]： PESC， 2001（4）： 1963?1969.

[3] 林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4] 李艷，張菁.采用LC濾波的大功率本安Buck開關變換器[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（12）：137?138.

[5] 孟淵，王衛(wèi)國.新型開關電源控制方法研究[J].現(xiàn)代電子技術，2014，37（6）：143?146.

[6] 楊玲玲，丁馳竹，夏淵.基于ARM的激光電源控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（20）：159?162.

[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取電壓紋波為輸出電壓的1%，由此可計算出電容最小取值。

開關管控制采用電壓閉環(huán)的PI控制，PI調節(jié)器輸出參考信號與三角波比較生成觸發(fā)脈，沖控制開關管T1工作，控制原理如圖3所示。圖中[v*dc]為直流電壓給定值，[vdc]為電壓反饋值。

圖3 直流電壓控制原理

2 仿真及分析

根據(jù)上述原理設計空間電源中的降壓變換器，輸入電壓為100 V，輸出電壓為28 V，則開關管占空比為[Don=][28100=0.28；]阻性負載為20 Ω，開關頻率為10 kHz，輸出電壓紋波為1%，計算得到電流臨界連續(xù)時電感值為[Lmin=]0.72 mH；考慮負載等效電阻值的波動，實際電感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；電容最小值[Cmin=]50 μF，為提高輸出波形質量，實際電容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流電壓給定值為28 V，PI調節(jié)器參數(shù)為比例系數(shù)[Kp=]2.5，[Ki=]35。設置[t=]0.15 s時，負載由20 Ω突增到10 Ω，即負載增大一倍，得到仿真結果如圖4所示。穩(wěn)態(tài)時能夠跟蹤給定值；負載增加后，由于電流增加，因此直流電壓紋波略微增大，但都遠遠小于設計值1%。

圖4 突加負載時直流電壓相應曲線

3 結 論

利用Buck變換器實現(xiàn)了空間電源直流母線到負載的降壓變換，控制部分采用基于PI調節(jié)器的單閉環(huán)控制方法，根據(jù)電壓、電流關系設計了濾波電感和直流電容的取值范圍，利用仿真驗證所設計的Buck變換器能夠實現(xiàn)所需的電壓變換，具有較好的動、靜態(tài)性能。

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[ΔU0=U08L1C（1-Don）T2s] （4）

通常取電壓紋波為輸出電壓的1%，由此可計算出電容最小取值。

開關管控制采用電壓閉環(huán)的PI控制，PI調節(jié)器輸出參考信號與三角波比較生成觸發(fā)脈，沖控制開關管T1工作，控制原理如圖3所示。圖中[v*dc]為直流電壓給定值，[vdc]為電壓反饋值。

圖3 直流電壓控制原理

2 仿真及分析

根據(jù)上述原理設計空間電源中的降壓變換器，輸入電壓為100 V，輸出電壓為28 V，則開關管占空比為[Don=][28100=0.28；]阻性負載為20 Ω，開關頻率為10 kHz，輸出電壓紋波為1%，計算得到電流臨界連續(xù)時電感值為[Lmin=]0.72 mH；考慮負載等效電阻值的波動，實際電感取2.5倍[Lmin，][L1=]1.8 mH；電容最小值[Cmin=]50 μF，為提高輸出波形質量，實際電容[C1]取500 μF。

利用Matlab搭建仿真模型，直流電壓給定值為28 V，PI調節(jié)器參數(shù)為比例系數(shù)[Kp=]2.5，[Ki=]35。設置[t=]0.15 s時，負載由20 Ω突增到10 Ω，即負載增大一倍，得到仿真結果如圖4所示。穩(wěn)態(tài)時能夠跟蹤給定值；負載增加后，由于電流增加，因此直流電壓紋波略微增大，但都遠遠小于設計值1%。

圖4 突加負載時直流電壓相應曲線

3 結 論

利用Buck變換器實現(xiàn)了空間電源直流母線到負載的降壓變換，控制部分采用基于PI調節(jié)器的單閉環(huán)控制方法，根據(jù)電壓、電流關系設計了濾波電感和直流電容的取值范圍，利用仿真驗證所設計的Buck變換器能夠實現(xiàn)所需的電壓變換，具有較好的動、靜態(tài)性能。

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