空间电源系统小信号稳定性研究综述
发布时间：2021-02-12 03:13
在深入阐明空间电源系统组成及其存在的小信号稳定性问题基础上,全面归纳了基于阻抗比分析法和稳定禁区理论的一系列电源系统稳定性判据,总结对比了各判据优缺点并给出使用建议。系统回顾审视了国内外航天机构在空间电源系统稳定性领域的工程实践进展,重点分析了国内在稳定性工程实践和标准制定方面与国外存在的差距,总结提炼出了空间电源系统小信号稳定性研究的现状和发展趋势。着眼我国在研空间站电源系统和论证中的载人登月项目,给出启示与建议。首次较为全面地给出了空间电源系统稳定性领域理论研究、工程应用和标准制定方面的现状,对开展空间电源稳定性相关技术研究和攻关具有重要参考价值。
【文章来源】：西北工业大学学报. 2020,38(S1)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
“天宫”一号与“神舟”飞船组合体电源系统示意图
针对空间电源系统发生稳定性衰减甚至失稳的现象,一般从以下2个方面给出解释:一是系统内各变换器控制环路间相互耦合干扰导致系统稳定性下降;二是归因于恒功率负载(constant power load,CPL)所具有的负阻效应[8]。闭环负反馈调节下的DC/DC变换器,从输入端口探入,在其控制环路带宽范围内表现为恒定功率负载,该类负载的输入阻抗在任意时刻都是正的,但阻抗的动态增量是负的。如图3所示,当电压源接CPL时,假设系统稳定运行于A点,某时刻负载电流增大,CPL输入端电压u下跌,小于电压源端口电压,则CPL输入电流i进一步增大,使得系统逐渐远离原本稳定工作点而失去稳定性;反之亦然。因此,尽管每个子模块、变换器自身是稳定的,但基于大量变换器的子系统组成的整个电源系统,其控制带宽及稳定性,可能会发生大的变化和衰减。由此产生了空间电源系统的稳定性问题。2 研究进展和现状
空间电源系统一般由发电设备、储能设备和功率变换控制设备(power conditioning unit,PCU)组成[1]。发电设备通常为太阳电池阵(photovoltaic arrays,PV arrays);储能设备通常为蓄电池组;功率变换控制设备则由大量的直流/直流变换器(direct-current to direct-current converter,DC/DC converter)组成:分流调节单元(shunt regulator,SR)完成太阳电池阵能量传输和多余能量的分流耗散;充放电调节单元(battery charger,BCR;battery discharger,BDR)实现蓄电池组的充放电;负载变换器和并网控制器则分别实现负载稳压供电及不同功率通道间的并网。由图1所示的国际空间站(international space station,ISS)电源系统单功率通道示意图[2]及图2所示的中国“天宫”一号与“神舟”系列飞船(“神舟”八号、“神舟”九号和“神舟”十号)组合飞行体电源系统示意图[3-5]可知,此类电源系统具有组成和功能复杂的特点,即:①包含多个DC/DC变换器,而单个变换器常常既是前级变换器的负载,又是后级变换器的源;②变换器之间协同工作方式多样,包括级联、并联、串联及组合等。图2 “天宫”一号与“神舟”飞船组合体电源系统示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天电源与供配电标准体系建设[J]. 姜东升,付林春,杜红,石海平. 航天标准化. 2015(04)
[2]Necessary and Sufficient Stability Criterion and New Forbidden Region for Load Impedance Specification[J]. LI Anshou,ZHANG Donglai. Chinese Journal of Electronics. 2014(03)
[3]我国交会对接任务中航天器电源设计与应用[J]. 王娜,黄峥,马季军,陈启忠,田源. 载人航天. 2013(03)
[4]分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析[J]. 佟强,张东来,徐殿国. 中国电机工程学报. 2011(12)
[5]航天电源技术及标准体系探讨[J]. 张伟. 国防技术基础. 2009(06)
[6]航天器直流电源系统稳定性分析方法研究[J]. 万成安,于磊,刘建强. 航天器工程. 2009(02)
[7]分布式供电系统中负载变换器的输入阻抗分析[J]. 吴涛,阮新波. 中国电机工程学报. 2008(12)
[8]分布式供电系统中源变换器输出阻抗的研究[J]. 吴涛,阮新波. 中国电机工程学报. 2008(03)
[9]“神舟”号载人飞船电源分系统的研制[J]. 方国隆,张玉花,马季军. 上海航天. 2003(05)
博士论文
[1]空间电源系统并网供电技术研究[D]. 于磊.北京交通大学 2018
[2]直流分布式电源系统稳定性研究[D]. 张欣.南京航空航天大学 2014
本文编号：3030164
【文章来源】：西北工业大学学报. 2020,38(S1)北大核心
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
“天宫”一号与“神舟”飞船组合体电源系统示意图
针对空间电源系统发生稳定性衰减甚至失稳的现象,一般从以下2个方面给出解释:一是系统内各变换器控制环路间相互耦合干扰导致系统稳定性下降;二是归因于恒功率负载(constant power load,CPL)所具有的负阻效应[8]。闭环负反馈调节下的DC/DC变换器,从输入端口探入,在其控制环路带宽范围内表现为恒定功率负载,该类负载的输入阻抗在任意时刻都是正的,但阻抗的动态增量是负的。如图3所示,当电压源接CPL时,假设系统稳定运行于A点,某时刻负载电流增大,CPL输入端电压u下跌,小于电压源端口电压,则CPL输入电流i进一步增大,使得系统逐渐远离原本稳定工作点而失去稳定性;反之亦然。因此,尽管每个子模块、变换器自身是稳定的,但基于大量变换器的子系统组成的整个电源系统,其控制带宽及稳定性,可能会发生大的变化和衰减。由此产生了空间电源系统的稳定性问题。2 研究进展和现状
空间电源系统一般由发电设备、储能设备和功率变换控制设备(power conditioning unit,PCU)组成[1]。发电设备通常为太阳电池阵(photovoltaic arrays,PV arrays);储能设备通常为蓄电池组;功率变换控制设备则由大量的直流/直流变换器(direct-current to direct-current converter,DC/DC converter)组成:分流调节单元(shunt regulator,SR)完成太阳电池阵能量传输和多余能量的分流耗散;充放电调节单元(battery charger,BCR;battery discharger,BDR)实现蓄电池组的充放电;负载变换器和并网控制器则分别实现负载稳压供电及不同功率通道间的并网。由图1所示的国际空间站(international space station,ISS)电源系统单功率通道示意图[2]及图2所示的中国“天宫”一号与“神舟”系列飞船(“神舟”八号、“神舟”九号和“神舟”十号)组合飞行体电源系统示意图[3-5]可知,此类电源系统具有组成和功能复杂的特点,即:①包含多个DC/DC变换器,而单个变换器常常既是前级变换器的负载,又是后级变换器的源;②变换器之间协同工作方式多样,包括级联、并联、串联及组合等。图2 “天宫”一号与“神舟”飞船组合体电源系统示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]航天电源与供配电标准体系建设[J]. 姜东升,付林春,杜红,石海平. 航天标准化. 2015(04)
[2]Necessary and Sufficient Stability Criterion and New Forbidden Region for Load Impedance Specification[J]. LI Anshou,ZHANG Donglai. Chinese Journal of Electronics. 2014(03)
[3]我国交会对接任务中航天器电源设计与应用[J]. 王娜,黄峥,马季军,陈启忠,田源. 载人航天. 2013(03)
[4]分布式电源系统中变换器的输出阻抗与稳定性分析[J]. 佟强,张东来,徐殿国. 中国电机工程学报. 2011(12)
[5]航天电源技术及标准体系探讨[J]. 张伟. 国防技术基础. 2009(06)
[6]航天器直流电源系统稳定性分析方法研究[J]. 万成安,于磊,刘建强. 航天器工程. 2009(02)
[7]分布式供电系统中负载变换器的输入阻抗分析[J]. 吴涛,阮新波. 中国电机工程学报. 2008(12)
[8]分布式供电系统中源变换器输出阻抗的研究[J]. 吴涛,阮新波. 中国电机工程学报. 2008(03)
[9]“神舟”号载人飞船电源分系统的研制[J]. 方国隆,张玉花,马季军. 上海航天. 2003(05)
博士论文
[1]空间电源系统并网供电技术研究[D]. 于磊.北京交通大学 2018
[2]直流分布式电源系统稳定性研究[D]. 张欣.南京航空航天大学 2014
本文编号：3030164
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