航天器电源系统能量压缩及功率拓展方法研究

发布时间：2017-10-24 07:01

  本文关键词：航天器电源系统能量压缩及功率拓展方法研究

  更多相关文章： 能量压缩 功率拓展 三端口功率变换器 纯延时环节 磁集成 重复脉冲功率变换

【摘要】：航天器电源系统一般占整个航天器重量的30%以上。传统的基于S3R(Sequential Switching Shunt Regulator,顺序分流调节器)等架构的PCU(Power Conditioning Unit,电源控制器)功率密度较低,太阳能电池无法最大功率跟踪进一步增大电源系统配置。另外,传统S3R架构对太阳能电池寄生电容的适应性也较差。同时,大功率重复脉冲载荷的激光、通信等也为航天器电源系统带来新的问题:如果采用较为简单的电池母线不调节架构,会造成蓄电池寿命过低。如采用S3R等全调节母线架构则会导致整个太阳能电池和蓄电池必须按照峰值功率配备,造成了极大的浪费。随着卫星平台的大型化,航天器的电源系统必须具备模块化和功率可拓展化能力,甚至需要多个航天器的电源系统间的并网工作。因此研究航天器电源系统的能量压缩和功率拓展方法对航天器减重以及性能提升起到至关重要作用。本文所提出三端口功率拓扑和一体化架构将太阳能电池阵列功率调节、电池充电和放电等三类功率单元高度集成为一个功率单元,提升PCU自身功率密度。同时研究太阳能电池寄生电容高适应性的分流器和最大功率跟踪技术,降低太阳能电池阵列配置数量,实现电源系统的空间能量压缩。针对重复脉冲负载,在脉冲波谷时刻将能量进行压缩,并于脉冲峰值功率来临时,将压缩的能量瞬间释放,电源系统总功率配置接近平均功率,大大减少太阳能电池帆板和蓄电池重量,实现能量时间压缩。同时研究单个电源系统内部功率单元的模块化直接扩展以及多个电源系统之间的功率共享,实现系统级的功率拓展。具体研究内容如下:本文研究了基于三结砷化镓材料的PV(Photovoltaic,太阳能电池)的寄生电容对S3R架构PCU负面影响,其中包括寄生电容对S3R母线纹波、双段区间、相位裕度和输出阻抗的影响,并给出了在高压大功率和较高单阵电流应用条件下的解决方法。提出了一种新型的低开关损耗、高功率密度、太阳能电池供电延时短、同时结合了有源和无源限流的分流调节器。为了进一步的减少开关延时对母线性能的影响,将非线性比例微分控制加入到控制环路中,进一步提升S3R系统的稳定裕度、输出阻抗以及动态响应。为了降低发射成本,提高电源系统的功率密度,提出以PV端隔离三端口DC/DC变换器为核心的高集成度电源控制方法:所提出拓扑中所有主二极管和MOSFET均能实现ZCS(Zero Current Switching,零电流开关),从而大大提高了效率;利用半桥变压器的第四绕组形成的磁开关使得太阳能电池阵列PV的输入电流保持连续状态;基于负载端口的boost电路建立的能量平衡,提出了单模块及多模块整机功率扩展的控制方法。为进一步提高电源系统的功率密度,提出了应用于一体化电源控制核心的高功率密度非隔离三端口DC/DC变换器及其控制方法。由于PV端或电池端到负载端的功率变换采用单级转换,因此具有较高的效率。各端口的电流均是连续的,所以提升了整机的EMC(Electro Magnetic Compatibility,电磁兼容性)特性并降低端口滤波器体积和重量。提出了相应三域控制策略可同时实现MPPT,电池管理和母线电压调节。研究所提出非隔离三端口变换器中功率磁性元器件的磁集成方法,并将高边MOSFET驱动和三端口纹波抵消支路耦合到磁芯中,实现功率密度最大化和所有端口电流 零纹波‖;研究可适应重复脉冲负载的时间轴能量压缩方法,将连续功率转换为脉冲功率并具有很陡峭的边沿和可设定的脉冲电流峰值,避免了全调节母线的电源系统按照峰值功率设计所带来的设计浪费。最后,本文提出了一种简单、模块化、高稳定性和自主的多个S3R电源系统功率共享或分配的方法和 能源局域网‖的概念,最终实现多个PCU的功率自主共享,从而系统级的实现电源系统的功率拓展。
【关键词】：能量压缩 功率拓展 三端口功率变换器 纯延时环节 磁集成 重复脉冲功率变换
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V442
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-27
• 1.1 课题背景及研究意义13-17
• 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析17-25
• 1.2.1 DET全调节航天器电源控制架构研究现状17-21
• 1.2.2 MPPT全调节航天器电源控制架构研究现状21
• 1.2.3 一体化架构核心三端.变换器研究现状21-23
• 1.2.4 适应重复脉冲载荷的能量压缩技术研究现状23-25
• 1.3 本文主要研究内容25-27
• 第2章 消除太阳阵寄生电容影响的S3R控制器研究27-46
• 2.1 引言27
• 2.2 寄生电容带来的负面影响及解决方法27-35
• 2.2.1 寄生电容瞬间放电分析及限制方法28-31
• 2.2.2 寄生电容所带来的延时环节对母线特性影响分析31-32
• 2.2.3 MEA非线性PD控制对延时环节的补偿作用32-35
• 2.3 有源和无源分流调节器35-40
• 2.4 PSAR及其非线性控制实验结果40-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第3章 太阳阵端隔离一体化航天器电源系统研究46-67
• 3.1 引言46
• 3.2 PV端隔离高效率三端.变换器的提出46-47
• 3.3 TPC拓扑的衍生过程及工作原理分析47-55
• 3.3.1 TPC拓扑的衍生过程47-49
• 3.3.2 TPC拓扑的工作原理49-54
• 3.3.3 直流增益分析和参数设计原则54-55
• 3.4 基于TPC的一体化电源系统控制方法55-59
• 3.5 TPC实验结果59-66
• 3.6 本章小结66-67
• 第4章 非隔离高功率密度航天器电源系统研究67-86
• 4.1 引言67
• 4.2 B3C拓扑的衍生过程及工作原理分析67-74
• 4.2.1 B3C拓扑的衍生过程67-69
• 4.2.2 B3C拓扑的工作原理69-72
• 4.2.3 直流增益分析和参数设计原则72-74
• 4.3 基于B3C的一体化电源系统控制方法74-77
• 4.4 B3C实验结果77-85
• 4.5 本章小结85-86
• 第5章 基于磁的能量空间和时间压缩方法研究86-105
• 5.1 引言86
• 5.2 利用磁集成进一步提高B3C功率密度86-99
• 5.2.1 IMB3C的提出和工作原理87-89
• 5.2.2 IMB3C所有端.“零纹波”设计方法89-92
• 5.2.3 MOSFET驱动与IMB3C控制策略92
• 5.2.4 IMB3C实验结果92-99
• 5.3 适应重复脉冲负载的能量压缩变换器99-104
• 5.3.1 能量时间压缩整体架构研究99
• 5.3.2 重复脉冲功率发生过程研究99-102
• 5.3.3 能量压缩变换器实验结果102-104
• 5.4 本章小结104-105
• 第6章 多个航天器电源系统间功率拓展方法105-115
• 6.1 引言105
• 6.2 功率拓展方法的提出105-106
• 6.3 能源局域网‖工作原理106-110
• 6.3.1 BDDC的控制方式106-107
• 6.3.2 S3R的四域控制工作原理107-108
• 6.3.3 SBEA的定义和能量分配方式分析108-110
• 6.4 公共母线的稳定性分析110-111
• 6.5 功率拓展方法仿真与实验结果111-114
• 6.6 本章小结114-115
• 结论115-117
• 参考文献117-127
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果127-129
• 致谢129-130
• 个人简历130

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本文编号：1087591