空間太陽能發(fā)電站拓撲架構及能量管理控制策略

邵 陽，武建文，陳明軒,2，侯欣賓，朱立穎

(1. 北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191；2. 北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176; 3. 中國空間技術研究院，北京 100094；4. 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引 言

隨著世界環(huán)境問題的日益凸顯及傳統(tǒng)化石能源的日漸枯竭，清潔環(huán)保、分布廣泛的太陽能得到了各國的普遍重視。空間太陽能電站(Space solar power station, SSPS)，是指在地球軌道上將太陽能進行有效收集、轉化并傳輸到地面，進而轉化為電能供地面使用的系統(tǒng)[1]。與地面光伏發(fā)電相比，空間太陽能電站光線穩(wěn)定，不受季節(jié)、晝夜變化等影響，不會因大氣削減，接收能量密度高，約為1353 W/m2，是地面平均光照功率的7～12倍[2]。因此空間太陽能非常適合大規(guī)模開發(fā)和利用，在未來的電網調度、軍事無線供電、氣象研究等領域具有重大潛在應用。目前國際上對于SSPS的研究處于研發(fā)初級階段，一些發(fā)達國家和地區(qū)如美國[3-5]、日本[6-7]、歐盟[8]等已在此領域積極開展了設計和研究。與此同時，國內的中國空間技術研究院[9]、西安電子科技大學[10]、清華大學[11]、重慶大學[12]等對于SSPS的實施路線、OMEGA型SSPS聚光系統(tǒng)、綜合傳輸與聯(lián)合調度技術、空間無線傳輸、固態(tài)微波源等技術開展了研究。

文獻[13]針對John C.Mankins設計的SSPS-ALPHA方案的不足提出了一種SSPS-OMEGA新型聚光系統(tǒng)設計方案。文獻[15]對國際典型的空間太陽能電站概念方案進行了分析并創(chuàng)新性的提出了多旋轉關節(jié)SSPS方案。文獻[16]針對多旋轉導電關節(jié)SSPS提出環(huán)形拓撲架構，并比較了MPPT算法、穩(wěn)壓控制、下垂穩(wěn)壓控制多種組合算法，解決了SSPS母線電壓無法穩(wěn)定的問題，但未考慮服務系統(tǒng)及儲能的影響。

SSPS系統(tǒng)質量預計可達萬噸級別，是國際空間站的100倍之多。由于空間發(fā)電站的結構與地面直流微電網相似，可借鑒地面微電網的能量管理及控制模式進行研究分析。但是出于體積、重量、功能等考慮，SSPS系統(tǒng)不能在母線側配置足夠容量的儲能裝置。因此，光伏發(fā)電站的功率變換器，既需要有處于維持直流母線電壓穩(wěn)定的電壓源工作模式，也需要有處于維持功率平衡、跟蹤功率指令的電流源工作模式。因此如何設計合理的SSPS系統(tǒng)電力傳輸拓撲架構、解決能量管理控制問題是推動空間技術跨越式發(fā)展的難點與核心技術。

當前國內外針對空間太陽能電站的研究，多集中在單一的發(fā)電側或傳輸側關鍵技術，對整體系統(tǒng)的拓撲架構、運行工況以及統(tǒng)一能量管理研究較少。因此，本文針對目前SSPS的軌道運行特點、太陽電池陣的技術特性、服務設備的布局及電力傳輸與供電管理需求，首先設計了分布式+集中式的系統(tǒng)拓撲架構，實現(xiàn)了各輸出模塊獨立可靠、靈活可控，并根據此架構的能量流動關系，對SSPS的工作模式進行劃分；然后提出了分層能源管理控制策略，從系統(tǒng)級、拓撲級及器件級三個層面對系統(tǒng)能量管理及控制策略進行分析；最后針對不同工作模式，搭建系統(tǒng)仿真模型并對結果進行分析，驗證了拓撲架構的合理性及控制策略的有效性。

1 SSPS系統(tǒng)拓撲架構及工作模式

1.1 SSPS系統(tǒng)拓撲架構設計

SSPS系統(tǒng)拓撲結構采用分布式+集中式電力傳輸與管理方式。分布式是指太陽電池陣由24個1兆瓦級別的太陽能電池分陣組成，每個分陣又由南北兩側方陣通過導電旋轉關節(jié)構成一個獨立旋轉體。集中式是指24個太陽能電池分陣均通過主結構陣區(qū)的傳輸母線傳輸到發(fā)射天線陣區(qū)，進行能量的統(tǒng)一管理分配。具體拓撲架構如圖1所示。

空間太陽能發(fā)電站系統(tǒng)分為三大陣區(qū)：太陽能電池陣區(qū)、主結構電力傳輸區(qū)及發(fā)射天線陣區(qū)。

1)太陽電池陣區(qū)的主要功能是將電池子陣的電力通過導電旋轉關節(jié)進行調節(jié)匯流，傳輸到主結構區(qū)的匯流母線。同時，部分電池子陣用于本陣區(qū)的相關服務系統(tǒng)設備的供電，并通過蓄電池存儲部分電力用于系統(tǒng)在陰影區(qū)時的服務系統(tǒng)設備供電。

2)主結構電力傳輸區(qū)主要將太陽電池分陣輸出的電能通過主母線傳輸到微波發(fā)射陣區(qū)，并分配部分電能用于主結構區(qū)的相關服務系統(tǒng)設備(包括電推力器)及蓄電池的供電。在陰影區(qū)時刻，由主結構區(qū)的蓄電池為服務系統(tǒng)設備供電。

3)發(fā)射天線陣區(qū)的主要功能是將主結構電力傳輸區(qū)輸送的電能進行分配和調節(jié)，傳輸到微波發(fā)射天線模塊的供電端，并分配一部分電力用于本區(qū)的相關服務系統(tǒng)設備的供電(包括電推力器)。同樣，通過蓄電池儲存的部分電力在陰影區(qū)時為本區(qū)服務系統(tǒng)設備供電。

相比于單純的分布式或集中式拓撲方式，這種分布式+集中式的拓撲結構更加獨立可靠，任何一個分陣出現(xiàn)故障只會降低相應傳輸功率，而不會影響整個供電母線工作。與此同時，分布式+集中式的拓撲結構只需經過短距離的輸出即可實現(xiàn)電力調節(jié)和供電，減小了電力損耗，且南北電池分陣可進行功率的冗余重構，實現(xiàn)了拓撲架構的靈活可控。

1.2 SSPS系統(tǒng)工作模式劃分

根據上節(jié)中各陣區(qū)的功能及能量傳輸關系，考慮太陽能電池陣的發(fā)電量與磁控管的消耗功率，合理地對SSPS系統(tǒng)進行工作模式劃分，使SSPS系統(tǒng)的功率處于動態(tài)平衡。本節(jié)將空間站太陽能發(fā)電站系統(tǒng)工作模式劃分為三類：最大功率點跟蹤(MPPT)模式、跟蹤功率指令模式、陰影區(qū)過渡模式。

圖1 空間太陽能發(fā)電站電力拓撲結構圖Fig.1 Space solar power station power topology diagram

1)由光伏電池的發(fā)電特性可知，太陽能電池分陣的輸出呈非線性特點，且受到光照強度和溫度等因素的影響，通過控制算法對功率變換器進行調節(jié)，使光伏電池陣工作在MPPT模式，最大限度的輸出功率至磁控管，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

2)當空間太陽能發(fā)電系統(tǒng)中負載端發(fā)生變化時，為滿足SSPS系統(tǒng)的能量流動處于動態(tài)平衡，能量管理調度中心對發(fā)電功率指令做出相應調整，太陽能電池陣進入跟蹤功率指令工作模式。

3)當空間發(fā)電站系統(tǒng)進入陰影區(qū)后，太陽能電池陣無功率輸出，進入待機狀態(tài)。SSPS系統(tǒng)無法為磁控管提供電能。此時，由蓄電池對相關服務系統(tǒng)設備進行供電，并維持母線電壓穩(wěn)定，此時儲能單元處于放電狀態(tài)。

根據SSPS系統(tǒng)三種工作模式的劃分，分布式能源管理控制中心的控制流程圖如圖2所示。

2 SSPS能量管理及控制策略

針對提出的分布式+集中式空間太陽能電站拓撲結構，文中采用分層能源管理策略，將系統(tǒng)的管理控制分為：系統(tǒng)級、拓撲級、器件級三層，具體管理策略結構如圖3所示。

圖2 能源管理控制中心流程圖Fig.2 Energy management control center flow chart

圖3 SSPS分層控制策略結構圖Fig.3 SSPS hierarchical control strategy structure

2.1 系統(tǒng)級綜合能源管理

在空間太陽能發(fā)電站中，由系統(tǒng)級的綜合能源管理器決定所有模塊單元和負載的統(tǒng)一分配與調度。針對分層式能源管理策略，通過負載需求與發(fā)電能力特性的改變，達到電力的最佳分配，并充分考慮模塊電源的設置與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關系，實現(xiàn)對每個拓撲級的分布式能源管理器的調度。

綜合能源管理器接收24個太陽電池分陣中的分布式能源管理器上傳的電壓、電流、光照、溫度、蓄電池、SOC、開關量、功率指令等信息，然后根據負載情況調度分配功率指令下傳給24個太陽電池分陣，實現(xiàn)能源管理和控制。

2.2 拓撲級分布式能源管理

每一個太陽電池分陣構成一個獨立的單一分布式系統(tǒng)，太陽電池分陣能源管理由拓撲級的分布式能源管理器實現(xiàn)。它既接收來自于DC/DC變換器的電壓、電流、光照、溫度、輸出功率等信息，同時根據24 MW級別的能源綜合管理器下發(fā)的功率指令，做出控制決策，下發(fā)給DC/DC變換器，決定系統(tǒng)中各個電力電子變換器的工作狀態(tài)。

1 MW級別的太陽電池分陣結構示意圖如圖4所示，該太陽電池分陣中兩個500 kW的太陽能電池南、北兩側方陣通過導電旋轉關節(jié)、固態(tài)功率控制器SSPC、匯流單元匯流到5 kV主母線。該太陽電池分陣還包括相應服務系統(tǒng)設備、儲能單元、相應電力電子變換器以及分布式能源管理器。

2.3 器件級變換器管理

電力電子器件級的控制器主要包含光伏側的單向DC/DC變換器、蓄電池側的雙向DC/DC變換器以及服務系統(tǒng)降壓變換器。

光伏側的單向DC/DC變換器是一個Boost升壓電路，通過控制開關管的占空比，使光伏子陣工作在MPPT模式或恒壓模式。光伏側DC/DC控制原理如圖5所示。

其中MTTP的實現(xiàn)采用的是P&O擾動觀察法。首先假設太陽能電池分陣工作在某一給定工作點，然后對系統(tǒng)施加擾動，獲取此狀態(tài)下的功率輸出值，同時與給定工作點進行比較，若此次擾動使輸出功率增加，則繼續(xù)施加該方向的擾動，否則改變擾動方向，直到滿足結束條件，找到此環(huán)境條件下的最大功率點。

與此同時，為了維持系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定，將預留一部分太陽能電池陣做穩(wěn)壓控制，采用下垂控制策略，光伏側輸出電壓Uo和輸出電流io為控制器輸入，輸出電流io乘以下垂系數k后，與參考電壓Uref作比較，再與Uo作差，經過電壓外環(huán)PI控制器，然后與電感電流iL作差，經過電流內環(huán)PI控制器后，生成占空比d控制功率變換器，從而實現(xiàn)母線電壓的穩(wěn)定控制，具體控制原理如圖6所示。

儲能單元側的雙向DC/DC變換器由Boost電路和Buck電路結合組成，當SSPS系統(tǒng)在陰影區(qū)時，母線電壓跌落且蓄電池的荷電狀態(tài)SOC(用來反應電池的剩余容量狀況的物理量，其數值定義為電池剩余容量占電池總容量的比值)處于正常范圍內，此時雙向DC/DC變換器工作在Boost升壓模式，支撐母線電壓同時給服務系統(tǒng)設備供電；當蓄電池的荷電狀態(tài)SOC低于下限或太陽能電池陣在滿足磁控管和服務系統(tǒng)之余仍有多余電力時，雙向DC/DC變換器工作在Buck模式，蓄電池處于充電狀態(tài)。具體控制示意圖如圖7所示。

圖4 拓撲及分布式能源管理控制結構示意圖Fig.4 Topology and distributed energy management control structure diagram

太陽能陣區(qū)的服務系統(tǒng)側包含與小部分為其供電的太陽能子陣相連接的單向DC/DC變換器、與儲能單元相連接的雙向DC/DC變換器，還包括一些弱電負載，如控制系統(tǒng)的設備、熱控設備、信息管理設備等，這些弱電負載通過兩級Buck降壓變換器與發(fā)電單元相連接。這些變換器的控制方式與上述單向

圖5 光伏側DC/DC控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of DC/DC control on the photovoltaic side

圖6 下垂控制原理框圖Fig.6 Droop control block diagram

圖7 儲能側雙向DC/DC控制示意圖Fig.7 Schematic diagram of bidirectional DC/DC control on the energy storage side

DC/DC、雙向DC/DC相同，不再贅述。

主結構陣區(qū)和微波發(fā)射陣區(qū)的服務系統(tǒng)與太陽陣區(qū)的服務系統(tǒng)相比，除電推進部分外，結構大致相同。以主結構陣區(qū)的服務系統(tǒng)為例，結構圖如圖8所示。

圖8 主結構區(qū)服務系統(tǒng)結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of the service system structure of the main structure area

3 仿真校驗

基于前文提出的分布式+集中式SSPS系統(tǒng)拓撲架構、工作模式劃分及分層式能源管理控制策略，文中利用Simscape Power Systems工具箱在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建大功率空間太陽能發(fā)電站電能管理仿真系統(tǒng)框架，結構如圖9所示。

該仿真系統(tǒng)主要包括主功率環(huán)節(jié)及服務系統(tǒng)兩大部分。其中主功率環(huán)節(jié)的主要功能是完成功率的輸出和轉化，光伏電池陣升壓變換器完成MPPT及穩(wěn)壓控制；服務系統(tǒng)包含電推進及一些弱電負載(包括控制系統(tǒng)的設備、熱控設備、信息管理設備等)，并配備一定容量的儲能裝置，主要用于在陰影區(qū)太陽陣無法對日定向時為服務系統(tǒng)供電，維持系統(tǒng)的基本運行。

圖9 SSPS系統(tǒng)仿真架構圖Fig.9 SSPS system simulation architecture diagram

3.1 MPPT工作模式仿真

光伏子陣的輸出呈非線性，并且受到光照強度和溫度等因素的影響，因此可以通過調節(jié)系統(tǒng)的負載特性，保證系統(tǒng)在溫度或者光照強度改變時能夠始終以最大功率輸出。

MPPT狀態(tài)下光伏陣列應該輸出其當前環(huán)境對應的最大功率值。設置系統(tǒng)參數(光照強度、溫度、開路電壓、短路電流等)，對太陽陣區(qū)進行MPPT及穩(wěn)壓控制，光伏陣在不同環(huán)境下的實際輸出功率值應該與理論最大功率值相等，這也是該模式中仿真結果是否合理準確的判斷標準。

MPPT工作模式設置三組對照仿真試驗，3組試驗仿真參數如表1所示，Boost參數設置如表2所示。

表2 Boost電路仿真參數值Table 2 Boost circuit simulation parameter setting

仿真試驗1與試驗2的對照仿真結果如圖10、圖11、圖12所示。其中圖10為SSPS系統(tǒng)分別在光照強度為1000 W/m2、1100 W/m2時的理論最大輸出功率。仿真結果表明，隨著光照強度的增加，光伏陣的最大功率點隨之增大，符合不同光照強度下的光伏電池P-U特性曲線。

圖10 MPPT模式中改變光強系統(tǒng)最大輸出功率圖Fig.10 Theoretical maximum output power diagram of the system under changing light intensity in MPPT mode

圖11為SSPS系統(tǒng)分別在光照強度為1000 W/m2、1100 W/m2時的實際輸出功率。仿真結果與圖11對比可知，在各自條件下，光伏的輸出功率和最大功率設定值保持一致，實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。

圖11 MPPT模式中改變光強系統(tǒng)實際輸出功率圖Fig.11 Actual output power graph of the system under changing light intensity in MPPT mode

圖12為SSPS系統(tǒng)分別在光照強度為1000 W/m2、1100 W/m2時的母線電壓。仿真結果表明，系統(tǒng)母線電壓始終維持在5000 V，不受光照強度變化影響，系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

圖12 MPPT模式中改變光強系統(tǒng)母線電壓圖Fig.12 Bus voltage diagram of the system under changing light intensity in MPPT mode

仿真試驗1與試驗3的對照仿真結果如圖13、圖14、圖15所示。其中圖13為SSPS系統(tǒng)分別在溫度為25 ℃、50 ℃時的理論最大輸出功率。仿真結果表明，隨著溫度的增加，光伏陣的最大功率點隨之減小，符合不同溫度下的光伏電池P-U特性曲線。

圖13 MPPT模式中改變溫度系統(tǒng)最大輸出功率圖Fig.13 The theoretical maximum output power diagram of the system under changing temperature in MPPT mode

圖14為SSPS系統(tǒng)分別在溫度為25 ℃、50 ℃時的實際輸出功率。仿真結果與圖13對比可知，在各自條件下，光伏的輸出功率和最大功率設定值保持一致，實現(xiàn)了最大功率點跟蹤。

圖14 MPPT模式中改變溫度系統(tǒng)實際輸出功率圖Fig.14 Actual output power graph of the system under changing temperature in MPPT mode

圖15為SSPS系統(tǒng)分別在溫度為25 ℃、50 ℃時的母線電壓。仿真結果表明，系統(tǒng)母線電壓始終維持在5000 V，不受溫度變化影響，系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定。

圖15 MPPT模式中改變溫度系統(tǒng)母線電壓圖Fig.15 Bus voltage diagram of the system under changing temperature in MPPT mode

由三組仿真試驗對照結果可以看出，光伏的實際輸出功率和理論最大功率值保持一致，母線電壓維持在5000 V，證明MPPT仿真模型及控制算法的有效性。

3.2 跟蹤功率指令工作模式仿真

空間太陽能電站系統(tǒng)對給定的功率指令信號應該實現(xiàn)快速穩(wěn)定的跟蹤，同時維持母線電壓的穩(wěn)定。在本次仿真中，可以對前后功率指令的大小及指令變換時間參數進行設置。進行仿真后，實際輸出功率是否能快速有效地跟蹤給定的功率指令是本仿真是否合理準確的判斷標準。

跟蹤功率指令工作模式設置兩組對照仿真試驗，具體仿真參數如表3所示。

表3 跟蹤功率指令工作模式仿真參數設置Table 3 Tracking power command working mode simulation parameter setting

圖16為仿真試驗1和試驗2的功率指令仿真結果，圖17為試驗1和試驗2的實際功率輸出仿真結果，通過對比兩圖可知，實際輸出功率可實現(xiàn)對預設功率指令的快速跟蹤，且通過圖18可知，兩試驗的母線電壓始終維持在5000 V，從而檢驗了模型及控制策略的有效性。

圖16 跟蹤功率指令模式功率指令仿真結果圖Fig.16 Power command simulation result graph in tracking power command mode

圖17 跟蹤功率指令模式實際輸出仿真結果圖Fig.17 Actual power output simulation result graph in tracking power command mode

圖18 跟蹤功率指令模式母線電壓仿真結果圖Fig.18 Bus voltage simulation result graph in tracking power command mode

3.3 陰影區(qū)過渡工作模式仿真

陰影區(qū)過渡工作模式重點針對SSPS服務系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行仿真模擬。通過設置光照強度的變化，實現(xiàn)從光照區(qū)向陰影區(qū)轉換的過程，光照區(qū)下，服務系統(tǒng)主要由太陽陣負責能量供給，而陰影區(qū)時，服務系統(tǒng)相關設備由蓄電池單獨帶載。

本次仿真通過設置在0.3 s時刻，由正常光照強度為1000 W/m2過渡到陰影區(qū)光照強度為10 W/m2(實際中陰影區(qū)光照接近于0，此參數僅為仿真設置)的仿真結果，重點關注蓄電池的荷電狀態(tài)SOC由光照區(qū)向陰影區(qū)的變化過程、母線電壓的穩(wěn)定狀況，以及經過兩級Buck電路的降壓，服務系統(tǒng)弱電負載端的電壓情況。具體仿真參數如表4所示。

表4 陰影區(qū)過渡工作模式仿真參數設置Table 4 Shaded area transition working mode simulation parameter setting

圖19是陰影區(qū)過渡模式中輸出功率仿真結果，在0～0.3 s內，光伏電池陣正常產生電能，0.3～1 s，系統(tǒng)進入陰影區(qū)，太陽陣進入待機狀態(tài)，無電能發(fā)出。

圖19 陰影區(qū)過渡模式輸出功率仿真結果圖Fig.19 Output power simulation result graph in shadow zone transition mode

圖20是陰影區(qū)過渡模式中荷電狀態(tài)SOC仿真結果，在0～0.3 s內，SOC荷電狀態(tài)呈上升趨勢，蓄電池工作在儲能狀態(tài)；在0.3～1 s，SOC荷電狀態(tài)呈下降趨勢，此時蓄電池為服務系統(tǒng)提供電能，且維持母線電壓，為放電狀態(tài)。

圖20 陰影區(qū)過渡模式荷電狀態(tài)SOC仿真結果圖Fig.20 Simulation result of state of charge SOC in shadow zone transition mode

圖21是陰影區(qū)過渡模式中母線電壓仿真結果，正常光照時，由太陽陣維持母線電壓；陰影區(qū)時，由蓄電池維持母線電壓保持5000 V不跌落，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖22是陰影區(qū)過渡模式中弱電負載端電壓仿真結果，系統(tǒng)經過兩級的降壓變換器，實現(xiàn)從5000 V降為100 V，供服務系統(tǒng)弱電負載用電。由仿真結果可驗證該模式下仿真模型及控制策略的有效性。

4 結 論

針對超大功率空間太陽能電站系統(tǒng)，本文設計了空間太陽能電站拓撲架構，并開展了控制策略及仿真分析，得到的主要結論如下：

1) 設計了分布式+集中式的SSPS系統(tǒng)拓撲架構，使各傳輸模塊之間相互獨立可靠、靈活可控。此設計可為大功率空間發(fā)電系統(tǒng)研究提供參考，具有重要的工程意義。

2) 將SSPS系統(tǒng)工作模式劃分為：MPPT、跟蹤功率指令及陰影區(qū)過渡三大工作模式。

3) 提出了分層能量管理控制策略，考慮蓄電池及服務系統(tǒng)，通過P&O擾動觀察法及下垂控制實現(xiàn)最大功率點跟蹤和系統(tǒng)穩(wěn)壓，從系統(tǒng)級、拓撲級及器件級三個層面，對系統(tǒng)的能量管理與控制進行了分析。

4) 分別針對系統(tǒng)的三種工作模式搭建了仿真模型，進行了一系列的仿真試驗和對比分析，證明了拓撲架構的合理性及控制策略的有效性。

以上探討可為后續(xù)空間太陽能電站的進一步設計論證提供參考。