本文關(guān)鍵詞：航天器電源系統(tǒng)能量壓縮及功率拓展方法研究

  更多相關(guān)文章： 能量壓縮 功率拓展 三端口功率變換器 純延時(shí)環(huán)節(jié) 磁集成 重復(fù)脈沖功率變換

【摘要】：航天器電源系統(tǒng)一般占整個(gè)航天器重量的30%以上。傳統(tǒng)的基于S3R(Sequential Switching Shunt Regulator,順序分流調(diào)節(jié)器)等架構(gòu)的PCU(Power Conditioning Unit,電源控制器)功率密度較低,太陽(yáng)能電池?zé)o法最大功率跟蹤進(jìn)一步增大電源系統(tǒng)配置。另外,傳統(tǒng)S3R架構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能電池寄生電容的適應(yīng)性也較差。同時(shí),大功率重復(fù)脈沖載荷的激光、通信等也為航天器電源系統(tǒng)帶來(lái)新的問題:如果采用較為簡(jiǎn)單的電池母線不調(diào)節(jié)架構(gòu),會(huì)造成蓄電池壽命過低。如采用S3R等全調(diào)節(jié)母線架構(gòu)則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)太陽(yáng)能電池和蓄電池必須按照峰值功率配備,造成了極大的浪費(fèi)。隨著衛(wèi)星平臺(tái)的大型化,航天器的電源系統(tǒng)必須具備模塊化和功率可拓展化能力,甚至需要多個(gè)航天器的電源系統(tǒng)間的并網(wǎng)工作。因此研究航天器電源系統(tǒng)的能量壓縮和功率拓展方法對(duì)航天器減重以及性能提升起到至關(guān)重要作用。本文所提出三端口功率拓?fù)浜鸵惑w化架構(gòu)將太陽(yáng)能電池陣列功率調(diào)節(jié)、電池充電和放電等三類功率單元高度集成為一個(gè)功率單元,提升PCU自身功率密度。同時(shí)研究太陽(yáng)能電池寄生電容高適應(yīng)性的分流器和最大功率跟蹤技術(shù),降低太陽(yáng)能電池陣列配置數(shù)量,實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的空間能量壓縮。針對(duì)重復(fù)脈沖負(fù)載,在脈沖波谷時(shí)刻將能量進(jìn)行壓縮,并于脈沖峰值功率來(lái)臨時(shí),將壓縮的能量瞬間釋放,電源系統(tǒng)總功率配置接近平均功率,大大減少太陽(yáng)能電池帆板和蓄電池重量,實(shí)現(xiàn)能量時(shí)間壓縮。同時(shí)研究單個(gè)電源系統(tǒng)內(nèi)部功率單元的模塊化直接擴(kuò)展以及多個(gè)電源系統(tǒng)之間的功率共享,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的功率拓展。具體研究?jī)?nèi)容如下:本文研究了基于三結(jié)砷化鎵材料的PV(Photovoltaic,太陽(yáng)能電池)的寄生電容對(duì)S3R架構(gòu)PCU負(fù)面影響,其中包括寄生電容對(duì)S3R母線紋波、雙段區(qū)間、相位裕度和輸出阻抗的影響,并給出了在高壓大功率和較高單陣電流應(yīng)用條件下的解決方法。提出了一種新型的低開關(guān)損耗、高功率密度、太陽(yáng)能電池供電延時(shí)短、同時(shí)結(jié)合了有源和無(wú)源限流的分流調(diào)節(jié)器。為了進(jìn)一步的減少開關(guān)延時(shí)對(duì)母線性能的影響,將非線性比例微分控制加入到控制環(huán)路中,進(jìn)一步提升S3R系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度、輸出阻抗以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了降低發(fā)射成本,提高電源系統(tǒng)的功率密度,提出以PV端隔離三端口DC/DC變換器為核心的高集成度電源控制方法:所提出拓?fù)渲兴兄鞫䴓O管和MOSFET均能實(shí)現(xiàn)ZCS(Zero Current Switching,零電流開關(guān)),從而大大提高了效率;利用半橋變壓器的第四繞組形成的磁開關(guān)使得太陽(yáng)能電池陣列PV的輸入電流保持連續(xù)狀態(tài);基于負(fù)載端口的boost電路建立的能量平衡,提出了單模塊及多模塊整機(jī)功率擴(kuò)展的控制方法。為進(jìn)一步提高電源系統(tǒng)的功率密度,提出了應(yīng)用于一體化電源控制核心的高功率密度非隔離三端口DC/DC變換器及其控制方法。由于PV端或電池端到負(fù)載端的功率變換采用單級(jí)轉(zhuǎn)換,因此具有較高的效率。各端口的電流均是連續(xù)的,所以提升了整機(jī)的EMC(Electro Magnetic Compatibility,電磁兼容性)特性并降低端口濾波器體積和重量。提出了相應(yīng)三域控制策略可同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT,電池管理和母線電壓調(diào)節(jié)。研究所提出非隔離三端口變換器中功率磁性元器件的磁集成方法,并將高邊MOSFET驅(qū)動(dòng)和三端口紋波抵消支路耦合到磁芯中,實(shí)現(xiàn)功率密度最大化和所有端口電流 零紋波‖;研究可適應(yīng)重復(fù)脈沖負(fù)載的時(shí)間軸能量壓縮方法,將連續(xù)功率轉(zhuǎn)換為脈沖功率并具有很陡峭的邊沿和可設(shè)定的脈沖電流峰值,避免了全調(diào)節(jié)母線的電源系統(tǒng)按照峰值功率設(shè)計(jì)所帶來(lái)的設(shè)計(jì)浪費(fèi)。最后,本文提出了一種簡(jiǎn)單、模塊化、高穩(wěn)定性和自主的多個(gè)S3R電源系統(tǒng)功率共享或分配的方法和 能源局域網(wǎng)‖的概念,最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)PCU的功率自主共享,從而系統(tǒng)級(jí)的實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的功率拓展。
【關(guān)鍵詞】：能量壓縮 功率拓展 三端口功率變換器 純延時(shí)環(huán)節(jié) 磁集成 重復(fù)脈沖功率變換
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V442
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 課題背景及研究意義13-17
• 1.2 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析17-25
• 1.2.1 DET全調(diào)節(jié)航天器電源控制架構(gòu)研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 MPPT全調(diào)節(jié)航天器電源控制架構(gòu)研究現(xiàn)狀21
• 1.2.3 一體化架構(gòu)核心三端.變換器研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.4 適應(yīng)重復(fù)脈沖載荷的能量壓縮技術(shù)研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容25-27
• 第2章 消除太陽(yáng)陣寄生電容影響的S3R控制器研究27-46
• 2.1 引言27
• 2.2 寄生電容帶來(lái)的負(fù)面影響及解決方法27-35
• 2.2.1 寄生電容瞬間放電分析及限制方法28-31
• 2.2.2 寄生電容所帶來(lái)的延時(shí)環(huán)節(jié)對(duì)母線特性影響分析31-32
• 2.2.3 MEA非線性PD控制對(duì)延時(shí)環(huán)節(jié)的補(bǔ)償作用32-35
• 2.3 有源和無(wú)源分流調(diào)節(jié)器35-40
• 2.4 PSAR及其非線性控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果40-44
• 2.5 本章小結(jié)44-46
• 第3章 太陽(yáng)陣端隔離一體化航天器電源系統(tǒng)研究46-67
• 3.1 引言46
• 3.2 PV端隔離高效率三端.變換器的提出46-47
• 3.3 TPC拓?fù)涞难苌^程及工作原理分析47-55
• 3.3.1 TPC拓?fù)涞难苌^程47-49
• 3.3.2 TPC拓?fù)涞墓ぷ髟?/span>49-54
• 3.3.3 直流增益分析和參數(shù)設(shè)計(jì)原則54-55
• 3.4 基于TPC的一體化電源系統(tǒng)控制方法55-59
• 3.5 TPC實(shí)驗(yàn)結(jié)果59-66
• 3.6 本章小結(jié)66-67
• 第4章 非隔離高功率密度航天器電源系統(tǒng)研究67-86
• 4.1 引言67
• 4.2 B3C拓?fù)涞难苌^程及工作原理分析67-74
• 4.2.1 B3C拓?fù)涞难苌^程67-69
• 4.2.2 B3C拓?fù)涞墓ぷ髟?/span>69-72
• 4.2.3 直流增益分析和參數(shù)設(shè)計(jì)原則72-74
• 4.3 基于B3C的一體化電源系統(tǒng)控制方法74-77
• 4.4 B3C實(shí)驗(yàn)結(jié)果77-85
• 4.5 本章小結(jié)85-86
• 第5章 基于磁的能量空間和時(shí)間壓縮方法研究86-105
• 5.1 引言86
• 5.2 利用磁集成進(jìn)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.“零紋波”設(shè)計(jì)方法89-92
• 5.2.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)與IMB3C控制策略92
• 5.2.4 IMB3C實(shí)驗(yàn)結(jié)果92-99
• 5.3 適應(yīng)重復(fù)脈沖負(fù)載的能量壓縮變換器99-104
• 5.3.1 能量時(shí)間壓縮整體架構(gòu)研究99
• 5.3.2 重復(fù)脈沖功率發(fā)生過程研究99-102
• 5.3.3 能量壓縮變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果102-104
• 5.4 本章小結(jié)104-105
• 第6章 多個(gè)航天器電源系統(tǒng)間功率拓展方法105-115
• 6.1 引言105
• 6.2 功率拓展方法的提出105-106
• 6.3 能源局域網(wǎng)‖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的定義和能量分配方式分析108-110
• 6.4 公共母線的穩(wěn)定性分析110-111
• 6.5 功率拓展方法仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果111-114
• 6.6 本章小結(jié)114-115
• 結(jié)論115-117
• 參考文獻(xiàn)117-127
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果127-129
• 致謝129-130
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷130

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