基于預測控制的衛星能量管理策略研究

蔣 碩，章 玄，趙旖旎，雒東陽，付 宇

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

隨著大功率電推進負載、通信載荷時分多址工作模式等大量使用，負載之間的耦合越來越復雜，航天器負載功率的變化越來越頻繁，從而對母線響應能力提出了更高的要求[1]。傳統衛星電源系統由太陽電池陣、蓄電池組、電源控制器組成。衛星一次母線由主誤差放大器(main error amplifier，MEA)統一進行三域控制。MEA 作為三域控制的外環，通常是一個線性PID 控制器。MEA 信號從低至高分為三域，即電池放電控制(battery discharge regulator，BDR)域、電池充電控制(battery charge regulator，BCR)域和光照(SUN)域，相應地，當MEA 信號位于某控制域中時，由對應的變換器控制母線電壓使之穩定[2]。當由于負載或者太陽電池陣輸入功率的變化，電源系統在SUN 域和BDR 域之間切換時，系統的暫態響應較大，尤其是當蓄電池充滿電后，BCR 域相當于形成了死區，導致母線電壓尖峰較大。TAS-B 在下一代電源控制器中提出采用兩域控制代替三域控制，即采用蓄電池充電管理(battery charge management,BCM)控制蓄電池充電，以MEA控制SUN 和BDR 實現母線穩定，這種方法減少了死區，同時也提升了系統跨域暫態響應的性能[3]，但是該方法無法改善域內控制的暫態響應。

為了提升DC/DC 控制器的暫態響應性能，有學者提出預測控制策略[4-5]。文獻[6]提出一種針對BUCK 電路的邊界控制方法，文獻[7]提出相應針對BOOST 電路的控制策略。但是這些控制策略很難直接應用在衛星電源系統中。

本文提出了一種適用于衛星電源系統的新型預測控制方法，它通過能量平衡原理來預測目標電流，這種方法在保證穩態特性的同時可以顯著提高母線動態響應性能。本文還分析了衛星電源系統的工作模式及能量流動。最后，通過系統級仿真驗證了本文提出算法的有效性。

1 基于預測控制的衛星能量管理策略

1.1 衛星電源系統拓撲

圖1 所示為典型的衛星電源系統拓撲，其由太陽電池陣、蓄電池組、電源控制器構成。其中，電源控制器由SUN 模塊(BOOST 電路)、BCR 模塊(BUCK 電路)、BDR 模塊組成(BOOST 電路)。

圖1 衛星電源系統拓撲

1.2 BUCK 電路的自然軌跡控制

如圖1 所示，充電調節器通常為BUCK 電路。對BUCK電路進行分析，當BCR 主開關管關斷時，滿足：

式中：Cbuck為BCR 輸入側電容值；Lbuck為BCR 主通路電感值；Ubat為蓄電池側電壓；Ubus為母線電壓；iL為電感電流；Iin為輸入電流。

當BCR 主開關管接通時，滿足：

由此可推導出BCR 的開關軌跡，滿足：

根據式(3)在相平面圖上畫出其軌跡，如圖2所示。當負載變化導致工作點從A 移動至B，圖2 藍色軌跡為最優時間軌跡，但并非最小電壓變化軌跡。因此在響應時間和電壓跌落之間需要折中，得到一個綜合最優曲線如圖2綠色軌跡所示。

圖2 BCR的開關軌跡

1.3 BOOST 電路的自然軌跡控制

如圖1 所示，SUN 模塊和BDR 模塊通常為BOOST 電路。對BOOST 電路進行分析，當BOOST 主開關管關斷時，滿足：

式中：Cboost為輸出側電容值；Lboost為主通路電感值；Uin為輸入側電壓；UC為輸出電容電壓；iL為電感電流；Io為輸出電流。

當BOOST 主開關管接通時，滿足：

由此可推導出BOOST 電路的開關軌跡，滿足：

根據式(6)在相平面圖上畫出其軌跡，如圖3 所示。當負載變化導致工作點從A 移動至B，圖2 藍色軌跡為最優時間軌跡，但并非最小電壓跌落軌跡。但轉折點越接近點C，電壓跌落越小，因此同樣在響應時間和電壓跌落之間需要折中，得到一個綜合最優曲線，如圖3 綠色軌跡所示。

圖3 BOOST電路的開關軌跡

1.4 系統控制策略

系統控制策略需考慮下列要求：一是滿足圖2、圖3 中綠色曲線要求，控制策略可使得響應時間和電壓跌落綜合最優；二是需適應BUCK 和BOOST 兩種電路的控制，以保證域間調節的一致性，從而獲得更優的跨域響應。

基于上述要求，本文提出一種基于能量平衡的統一控制方法，滿足：

當k>1 時為BUCK 電路控制，當0

圖4 BUCK電路控制軌跡(紅)

圖5 BOOST電路控制軌跡(紅)

對BUCK 變換器，系統當前儲能E與目標工作點B 的儲能EB滿足：

對BOOST 變換器，系統當前儲能E與目標工作點B 的儲能EB滿足：

因此，系統儲能狀態與電容電壓之間的關系是自主的。從式(7)可知，系統控制策略滿足：

電感電流可由式(10)計算得到，該控制策略如圖6 所示。BDR 內環控制指令由該邏輯進行預測控制得到，BCR 內環控制指令由預測控制與恒流控制指令取小得到，SUN 內環控制指令由預測控制邏輯與MPPT 控制取小得到。

圖6 預測控制邏輯圖

2 能量流分析

從系統架構和控制邏輯，分析衛星電源系統的工作模式和能量流，如圖7 所示。

圖7 5種模式下的能量流示意圖

不同模式下各模塊控制策略和控制對象如表1 所示。母線電壓采用電流預測控制(predictive current control，PCC)方法。根據預測控制的不同執行機構，可將系統的5 種工作模式劃分為3 域，分別為SUN 域(PCC 的執行機構為SUN 模塊)、BCR 域(PCC 的執行機構 為BCR 模塊)以及BDR 域(PCC 的 執行機構為BDR 模塊)。

表1 不同模式下的控制策略和控制對象一覽表

3 仿真驗證

通過MATLAB/Simulink 對本文提出的控制策略進行驗證。如表2 所示，母線電壓額定值為100 V，太陽翼的最大輸出電流為80 A，充電電流的上限為20 A，設置的仿真場景分別工作在3 個工作域中。

表2 仿真場景設置

通過仿真，不同場景下的母線電壓以及電感電流、電容電壓的相平面圖如圖8～10 所示。

圖8 預測控制與PI控制對比(SUN域)

圖9 預測控制與PI控制對比(BCR域)

圖10 預測控制與PI控制對比(BDR 域)

場景1 中，0.2 s 時，負載電流從30 A 階躍至40 A，蓄電池仍以最大充電電流充電，系統處于SUN 域。傳統PI 控制下，母線電壓跌落最低為99.37 V，母線電壓跌落時間為24 ms；在預測控制下，開關管接通一段時間，系統沿直線達到預測控制點處，接著通過預測控制開展開關控制，使得系統沿預測控制的橢圓到達穩態，母線電壓跌落最低為98.95 V，母線電壓跌落時間為12 ms。

場景2 中，0.2 s 時，負載電流從65 A 階躍至75 A，此時蓄電池充電電流指令由18.75 A 變化至6.25 A，均小于最大充電電流，系統處于BCR 域。傳統PI 控制下，母線電壓跌落最低為99.37 V，母線電壓跌落時間為0.2 ms；在預測控制下，開關管接通一段時間，系統工作點沿開關開通圓弧達到預測控制點處，接著通過預測控制開展開關控制，使得系統沿預測控制的橢圓到達穩態，母線電壓跌落最低為99.87 V，母線電壓跌落時間為0.1 ms。

場景3 中，0.2 s 時，負載電流從140 A 階躍至150 A，蓄電池放電電流由76.5 A 增加至90 A，系統處于BDR 域。傳統PI控制下，母線電壓跌落最低為97.82 V，母線電壓跌落時間為23 ms；在預測控制下，開關管接通一段時間，系統沿直線達到預測控制點處，接著通過預測控制開展開關控制，使得系統沿預測控制的橢圓到達穩態，母線電壓跌落最低為98.71 V，母線電壓跌落時間為10 ms。

4 結論

本文提出了一種新型電流預測控制方法可用于衛星電源系統中，基于能量平衡理論預測被控電流的變化，相比傳統PI 控制，在保證穩態性能的同時獲得了更加優越的動態響應能力。