一种基于公共母线的空间能源并网系统控制电路的制作方法

本发明涉及一种基于公共母线的空间能源并网系统控制电路，属于空间分布式能源系统互联系统控制技术领域。

背景技术：

航天器电源系统技术是航天器核心技术之一，也是最为关键的平台子系统之一。电源系统的高可靠性和安全性直接影响任务成败及航天器可靠性。构建并网供电系统是提高航天器电源可靠性的重要途径，尤其是需要分批研制、分开发射的大型航天器系统。通过并网供电技术，可以实现电源系统母线层的冗余保护，以及多个航天器之间的能量优化调度。在某个电源系统故障时，通过并网供电，将其他电源系统的功率调配给故障电源系统的负载供电，确保关键负载能正常工作，确保任务正常实施。

目前航天器并网供电研究还处于起步阶段，缺乏对并网供电技术系统性的研究，国内外也没有公开关于多个航天器并网供电技术方案。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于公共母线的空间能源系统，包含n个完全独立的子能源系统，且每个子能源系统均配备并网控制器，并网控制器包含正向变换器和反向变换器两部分，并网控制器的一端分别连接子能源系统，另一端连接到公共母线，即并网母线。当子能源系统的能量有富余时，其通过并网控制器的正向变换器向并网母线释放能量；当子能源系统的能量不足时，其通过并网控制器的反向变换器从并网母线吸收能量；亦可通过总线指令的干预，借助并网控制器实现不同子能源系统之间的能量交换和传递。本发明电路可以自行判断能源系统的工作状态，控制其向并网母线释放能量或者从并网母线吸收能量，实现多子能源系统之间的能量优化调度。同时还进一步提供了一种基于公共母线的空间能源并网系统控制电路。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于公共母线的空间能源并网系统控制电路，包括：

电压采样电路，采集正向变换器的输出电压uo，输出信号为u'o；

电流采样电路1，采集正向变换器的输出电流izo，输出信号为i'zo；

电流采样电路2，采集反向变换器的输出电流ifo，输出信号为i'fo；

比例调节模块p1，输入端接能源系统的状态表征信号mea，输出端接加法器1；

加法器1，两个输入端分别接第一电压参考值vref1和比例调节模块p1的输出端；

比例积分模块pi1，负端输入端接所述u'o，正端输入端接加法器1的输出端，输出端接与逻辑1；

滞回控制模块1，两个输入端分别接所述mea和总线指令fd，输出端接与逻辑1；与逻辑1的输出端接取小电路1的一个输入端；

比例积分模块pi2，负端输入端接所述i'zo，正端输入端接第一电流参考值iref1，输出端接取小电路1的另一个输入端；取小电路1的输出端接第一比较器com1的正端输入；

第一比较器com1的负端输入接固定载波trig1，输出端接驱动电路1；驱动电路1的输出端接正向变换器；

比例调节模块p2，输入端接所述mea，输出端接加法器2的一个输入端；加法器2的另一个输入端接第三电压参考值vref3；

比例积分模块pi3，正端输入端接u'o，负端输入端接加法器2的输出端，输出端接与逻辑2的一个输入端；

滞回控制模块2，输入端接所述mea，输出端接与逻辑2的另一个输入端；与逻辑2的输出端接取小电路2的一个输入端；

比例积分模块pi4，负端输入端接所述i'fo，正端输入端接第二电流参考值iref2，输出端接取小电路2的另一个输入端；取小电路2的输出端接第二比较器com2的正端输入；第二比较器com2的负端输入接固定载波trig2，输出端接驱动电路2的输入端；驱动电路2的输出端接反向变换器。

上述的空间能源并网系统控制电路，正向变换器通过如下方式进行自主调控：

当指令信号fd为0时，滞回控制模块1依据能源系统误差放大信号mea判断是否对公共母线释放能量；滞回控制模块1输出高电平时，正向变换器以恒压模式或者限流模式对公共母线输出能量；滞回控制模块1输出低电平时，正向变换器关闭，不输出能量；

当指令信号fd为1时，滞回控制模块1始终输出高电平，正向变换器对公共母线输出能量。

上述的空间能源并网系统控制电路，当能源系统的误差放大信号mea处于分流域时，滞回控制模块1输出高电平，当所述mea降低至放电域时，滞回控制模块1输出低电平；若所述mea从放电域升高至分流域时，滞回控制模块1输出高电平。

上述的空间能源并网系统控制电路，滞回控制模块1输出高电平的情况下，当正向变换器的输出电流采样i'zo达到第一电流参考值iref1时，比例积分模块pi2调节所述iref1与所述i'zo的误差值通过取小电路1输出至第一比较器com1的正端，与固定载波trig1比较生成pwm波形，控制正向变换器工作在限流模式；

滞回控制1输出高电平的情况下，当正向变换器的输出电压采样u'o达到第二电压参考值vref2时，比例积分模块pi1调节所述vref2与所述u'o的误差值通过与逻辑1及取小电路1输出至第一比较器com1的正端，与固定载波trig1比较生成pwm波形，控制正向变换器工作在恒压模式。

上述的空间能源并网系统控制电路，所述mea信号经过比例调节模块p1调整后与第一电压参考值vref1相加，得到第二电压参考值vref2，所述vref2接比例积分模块pi1的正端输入端。

上述的空间能源并网系统控制电路，反向变换器通过如下方式进行自主调控：

依据能源系统误差放大信号mea判断是否从公共母线吸收能量；滞回控制模块2输出高电平时，反向变换器以恒压模式或者限流模式从公共母线吸收能量；滞回控制模块2输出低电平时，反向变换器关闭，不吸收能量。

上述的空间能源并网系统控制电路，当能源系统的误差放大信号mea处于分流域时，滞回控制模块2输出低电平；当所述mea降低至放电域时，滞回控制模块2输出高电平；若mea从放电域逐渐升高至分流域时，滞回控制模块2输出低电平。

上述的空间能源并网系统控制电路，滞回控制模块2输出高电平的情况下，当反向变换器的输出电流采样i'fo达到第二电流参考值iref2时，比例积分模块pi4调节所述iref2与所述i'fo的误差值通过取小电路2输出至第二比较器com2的正端，与固定载波trig2比较生成pwm波形，控制反向变换器工作在限流模式；

滞回控制模块2输出高电平的情况下，当所述u'o达到第四电压参考值vref4时，比例积分模块pi3调节所述vref4与所述u'o的误差值通过与逻辑2及取小电路2输出至第二比较器com2的正端，与固定载波trig2比较生成pwm波形，控制反向变换器工作在恒压模式。

上述的空间能源并网系统控制电路，所述mea信号经过比例调节模块p2调整后与第三电压参考值vref3相加，得到第四电压参考值vref4；所述vref4接比例积分模块pi4的正端输入端。

一种基于公共母线的空间能源系统，包括n个相互独立的子能源系统；

每个子能源系统均设有并网控制器，以及上述的空间能源并网系统控制电路；

每个并网控制器均包含正向变换器和反向变换器。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明提供的基于公共母线的空间能源并网系统控制电路，能够自行判断所述能源系统的工作状态，控制能源系统向公共母线释放能量或者从公共母线吸收能量，实现多个能源系统之间的能量优化调度；同时并网控制器只检测能源系统的工作状态，不改变能源系统的现有控制方式，更加可靠。

附图说明

图1为本发明所述能源并网系统框图；

图2为本发明所述能源系统误差放大信号分域图；

图3为本发明所述并网控制器拓扑架构；

图4为本发明所述的基于公共母线的空间能源并网系统控制电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种基于公共母线的空间能源并网系统控制电路，所述空间能源并网系统包含n个相互独立的能源系统，且每个能源系统均设有并网控制器，以及相关控制电路；每个并网控制器包含正向变换器和反向变换器；每个并网控制器的控制电路均包含：

电压采样电路，其输入信号为所述正向变换器的输出电压uo，输出信号为u'o；电流采样电路1，其输入信号为所述正向变换器的输出电流izo，输出信号为i'zo；电流采样电路2，其输入信号为所述反向变换器的输出电流ifo，输出信号为i'fo；比例调节模块p1，其输入端接能源系统的状态表征信号mea，其输出端接加法器1；加法器1，其一个输入端接第一电压参考值vref1，另一个输入端接比例调节模块p1的输出端；比例积分模块pi1(简称pi1模块，其他比例积分模块类推)，其负端输入端接u'o，正端输入端接加法器1的输出端，其输出端接与逻辑1；滞回控制模块1，其一个输入端接mea，另一个输入端接总线指令fd，其输出端接与逻辑1；与逻辑1，其一个输入端接pi1模块的输出端，另一个输入端接滞回控制模块1的输出端，其输出端接取小电路1；pi2模块，其负端输入端接i'zo，正端输入端接第一电流参考值iref1，其输出端接取小电路1；取小电路1，其一个输入端接pi2模块的输出端，另一个输入端接与逻辑1的输出端，其输出端接第一比较器com1的正端输入；第一比较器com1，其正端输入接取小电路1的输出，其负端输入接固定载波trig1，其输出端接驱动电路1；驱动电路1，其输入端接第一比较器com1的输出端，其输出端接正向变换器；

比例调节模块p2，其输入端接能源系统的状态表征信号mea，其输出端接加法器2；加法器2，其一个输入端接第三电压参考值vref3，另一个输入端接比例调节模块p2的输出端；pi3模块，其正端输入端接u'o，负端输入端接加法器2的输出端，其输出端接与逻辑2；滞回控制模块2，其输入端接mea，其输出端接与逻辑2；与逻辑2，其一个输入端接pi3模块的输出端，另一个输入端接滞回控制模块2的输出端，其输出端接取小电路2；pi4模块，其负端输入端接i'fo，正端输入端接第二电流参考值iref2，其输出端接取小电路2；取小电路2，其一个输入端接pi4模块的输出端，另一个输入端接与逻辑2的输出端，其输出端接第一比较器com2的正端输入；第一比较器com2，其正端输入接取小电路2的输出端，其负端输入接固定载波trig2，其输出端接驱动电路2；驱动电路2，其输入端接第一比较器com2的输出端，其输出端接反向变换器；

正向变换器具备自主调控功能：当指令信号fd为0时，滞回控制模块1自主调控，依据能源系统误差放大信号mea的状态判断是否对公共母线释放能量；滞回控制模块1输出高电平时，正向变换器以恒压模式或者限流模式对公共母线输出能量；滞回控制模块1输出低电平时，正向变换器关闭，不输出能量。

当指令信号fd为1时，无论能源系统误差放大信号mea是何值，滞回控制模块1均输出高电平，正向变换器对公共母线输出能量，确保应急情况下公共母线的能量需求。

当能源系统的误差放大信号mea处于分流域时，滞回控制模块1输出高电平，此时若mea逐渐降低至充电域，滞回控制模块1的输出不变，只有当mea降低至放电域时，滞回控制模块1输出低电平；若mea逐渐升高至充电域，滞回控制模块1的输出不变，只有当mea升高至分流域时，滞回控制模块1输出高电平。此策略保证mea较高时，即能源系统能量充足时正向变换器对公共母线输出能量；mea较低时，即能源系统能量不足时正向变换器关闭，同时避免正向变换器的震荡工作。

滞回控制模块1输出高电平的情况下，当正向变换器的输出电流采样i'zo达到第一电流参考值iref1时，pi2模块调节iref1与i'zo的误差值通过取小电路1输出至第一比较器com1的正端，与固定载波trig1比较生成pwm波形，控制正向变换器工作在限流模式。

滞回控制模块1输出高电平的情况下，当正向变换器的输出电压采样u'o达到第二电压参考值vref2时，pi1模块调节vref2与u'o的误差值通过与逻辑1及取小电路1输出至第一比较器com1的正端，与固定载波trig1比较生成pwm波形，控制正向变换器工作在恒压模式。

正向变换器可以根据mea信号调整第二电压参考值vref2，实现多个正向并网控制器对公共母线电压的共同控制；mea信号经过比例调节模块p1调整后与第一电压参考值vref1相加，得到第二电压参考值vref2；能源系统能量充足时，mea越大，则第二电压参考值vref2越大，正向变换器的恒压点越高，正向变换器对公共母线释放能量增多；能源系统能量不那么充足时，mea相对较低，则第二电压参考值vref2变小，正向变换器的恒压点较低，正向变换器对公共母线释放能量减少；能量充足的能源系统通过正向变换器对公共母线释放能量较多，能量相对不足的能源系统通过正向变换器对公共母线释放能量较少。

反向变换器具备自主调控功能：滞回控制模块2自主调控，依据能源系统误差放大信号mea的状态判断是否从公共母线吸收能量；滞回控制模块2输出高电平时，反向变换器以恒压模式或者限流模式从公共母线吸收能量；滞回控制模块2输出低电平时，反向变换器关闭，不吸收能量。

当能源系统的误差放大信号mea处于分流域时，滞回控制模块2输出低电平，此时若mea逐渐降低至充电域，滞回控制模块2的输出不变，只有当mea降低至放电域时，滞回控制模块2输出高电平；若mea逐渐升高至充电域，滞回控制模块2的输出不变，只有当mea升高至分流域时，滞回控制模块2输出低电平。此策略保证mea较高时，即能源系统能量充足时反向变换器不从公共母线吸收能量；mea较低时，即能源系统能量不足时反向变换器从公共母线吸收能量，同时避免反向变换器的震荡工作。

滞回控制模块2输出高电平的情况下，当反向变换器的输出电流采样i'fo达到第二电流参考值iref2时，pi4模块调节iref2与i'fo的误差值通过取小电路2输出至第二比较器com2的正端，与固定载波trig2比较生成pwm波形，控制反向变换器工作在限流模式。

滞回控制模块2输出高电平的情况下，当公共母线电压采样u'o达到第四电压参考值vref4时，pi3模块调节vref4与u'o的误差值通过与逻辑2及取小电路2输出至第二比较器com2的正端，与固定载波trig2比较生成pwm波形，控制反向变换器工作在恒压模式。

反向变换器可以根据mea信号调整第四电压参考值vref4，实现多个反向并网控制器对公共母线电压的共同控制；mea信号经过比例调节模块p2调整后与第三电压参考值vref3相加，得到第四电压参考值vref4；能源系统能量充足时，mea越大，则第四电压参考值vref4越大，反向变换器的恒压点越高，反向变换器从公共母线吸收能量少；能源系统能量不那么充足时，mea相对较低，则第四电压参考值vref4变小，反向变换器的恒压点较低，反向变换器从公共母线吸收能量增多；能量充足的能源系统通过反向变换器从公共母线吸收能量较少，能量相对不足的能源系统通过反向变换器从公共母线吸收能量较多。

更具体的：

一种基于公共母线的空间能源并网系统控制电路，包含：

电压采样电路、电流采样电路1、电流采样电路2、比例调节模块p1、比例调节模块p2、加法器1、加法器2、比例积分模块pi1、比例积分模块pi2、比例积分模块pi3、比例积分模块pi4、滞回控制模块1、滞回控制模块2、与逻辑1、与逻辑2、取小电路1、取小电路2、比较器com1、比较器com2、驱动电路1以及驱动电路2。

并网控制器包含正向变换器和反向变换器，并网控制器的输入端连接能源系统母线，其输出端连接公共母线。当能源系统的能量充足时，并网控制器通过正向变换器向公共母线释放能量；当能源系统的能量不足时，并网控制器通过反向变换器从公共母线吸收能量。

所述正向变换器具有3种工作模式：

在工作模式1下，正向变换器依据mea的情况判断能源系统的状态，能源系统能量充足时，即mea处于分流域时，正向变换器以恒压或限流方式向公共母线释放能量；同时，正向变换器依据mea自主调节恒压点，避免多台正向变换器同时工作时引起公共母线震荡。

在工作模式2下，正向变换器依据mea的情况判断能源系统的状态，能源系统能量不足时，即mea处于放电域时，正向变换器关闭，不输出能量。为了避免正向变换器的工作给能源系统引入不良影响，正向变换器在充电域保持上一时刻的工作模式不变。

在工作模式3下，正向变换器依据外部指令要求强制对公共母线输出能量，无论能源系统工作在状态。

所述反向变换器具有2种工作模式：

在工作模式1下，反向变换器依据mea的情况判断能源系统的状态，能源系统能量不足时，即mea处于放电域时，反向变换器以恒压模式或者限流模式从公共母线吸收能量；同时，反向变换器依据mea自主调节恒压点，避免多台反向变换器同时工作时引起公共母线震荡。

在工作模式2下，反向变换器依据mea的情况判断能源系统的状态，能源系统能量充足时，即mea处于分流域时，反向变换器关闭，不输出能量。为了避免反向变换器的工作给能源系统引入不良影响，反向变换器在充电域保持上一时刻的工作模式不变。

图1为本发明所述能源并网系统框图，多个独立的能源系统通过各自的并网控制器连接到公共母线；每个能源系统均包含太阳电池阵、蓄电池组、电源控制器，独立自主运行，自成体系；并网控制器包含正向变换器和反向变换器，正向变换器将能量从能源系统释放给公共母线，反向变换器将能量从公共母线传递给能源系统。

图2为本发明所述能源系统误差放大信号分域图。如图1所示，所述误差放大信号表征了能源系统状态，能源系统的能量越充足，误差放大值越大；误差放大信号从大到小以此分为分流域、充电域、放电域。

图3为本发明所述并网控制器拓扑架构。正向变换器的输入端接能源系统母线，输出端接公共母线；反向变换器的输入端接公共母线，输出端接能源系统母线。正向变换器将能源系统富裕的能量传输给并网母线，反向变换器将能量从并网母线传输给能源系统；正向变换器和反向变换器均采用隔离型拓扑，能源系统和并网母线相互隔离，减弱相互之间的影响。

图4为本发明所述的基于公共母线的空间能源并网系统控制电路。如图4所示，本发明所述控制电路包含电压采样电路、电流采样电路1、电流采样电路2、比例调节模块p1、比例调节模块p2、加法器1、加法器2、比例积分模块pi1、比例积分模块pi2、比例积分模块pi3、比例积分模块pi4、滞回控制模块1、滞回控制模块2、与逻辑1、与逻辑2、取小电路1、取小电路2、比较器com1、比较器com2、驱动电路1以及驱动电路2。并网控制器包含正向变换器和反向变换器，并网控制器的输入端连接能源系统母线，其输出端连接公共母线。当能源系统的能量充足时，并网控制器通过正向变换器向公共母线释放能量；当能源系统的能量不足时，并网控制器通过反向变换器从公共母线吸收能量。

正向变换器具备自主调控功能：当指令信号fd为0时，滞回控制模块1自主调控，依据能源系统误差放大信号mea的状态判断是否对公共母线释放能量；滞回控制模块1输出高电平时，正向变换器以恒压模式或者限流模式对公共母线输出能量；滞回控制模块1输出低电平时，正向变换器关闭，不输出能量。当指令信号fd为1时，无论能源系统误差放大信号mea是何值，滞回控制模块1均输出高电平，正向变换器对公共母线输出能量，确保应急情况下公共母线的能量需求。当能源系统的误差放大信号mea处于分流域时，滞回控制模块1输出高电平，此时若mea逐渐降低至充电域，滞回控制模块1的输出不变，只有当mea降低至放电域时，滞回控制模块1输出低电平；若mea逐渐升高至充电域，滞回控制模块1的输出不变，只有当mea升高至分流域时，滞回控制模块1输出高电平。此策略保证mea较高时，即能源系统能量充足时正向变换器对公共母线输出能量；mea较低时，即能源系统能量不足时正向变换器关闭，同时避免正向变换器的震荡工作。所述的恒压模式或者限流模式，其特征在于，滞回控制模块1输出高电平的情况下，当正向变换器的输出电流采样i'zo达到第一电流参考值iref1时，pi2模块调节iref1与i'zo的误差值通过取小电路1输出至第一比较器com1的正端，与固定载波trig1比较生成pwm波形，控制正向变换器工作在限流模式。所述的恒压模式，其特征在于，正向变换器可以根据mea信号调整第二电压参考值vref2，实现多个正向并网控制器对公共母线电压的共同控制；mea信号经过比例调节模块p1调整后与第一电压参考值vref1相加，得到第二电压参考值vref2；能源系统能量充足时，mea越大，则vref2越大，正向变换器的恒压点越高，正向变换器对公共母线释放能量增多；能源系统能量不那么充足时，mea相对较低，则vref2变小，正向变换器的恒压点较低，正向变换器对公共母线释放能量减少；能量充足的能源系统通过正向变换器对公共母线释放能量较多，能量相对不足的能源系统通过正向变换器对公共母线释放能量较少。

反向变换器具备自主调控功能：滞回控制模块2自主调控，依据能源系统误差放大信号mea的状态判断是否从公共母线吸收能量；滞回控制模块2输出高电平时，反向变换器以恒压模式或者限流模式从公共母线吸收能量；滞回控制模块2输出低电平时，反向变换器关闭，不吸收能量。当能源系统的误差放大信号mea处于分流域时，滞回控制模块2输出低电平，此时若mea逐渐降低至充电域，滞回控制模块2的输出不变，只有当mea降低至放电域时，滞回控制模块2输出高电平；若mea逐渐升高至充电域，滞回控制模块2的输出不变，只有当mea升高至分流域时，滞回控制模块2输出低电平。此策略保证mea较高时，即能源系统能量充足时反向变换器不从公共母线吸收能量；mea较低时，即能源系统能量不足时反向变换器从公共母线吸收能量，同时避免反向变换器的震荡工作。所述的恒压模式或者限流模式，其特征在于，滞回控制模块2输出高电平的情况下，当反向变换器的输出电流采样i'fo达到第二电流参考值iref2时，pi4模块调节第二电流参考值iref2与i'fo的误差值通过取小电路2输出至第二比较器com2的正端，与固定载波trig2比较生成pwm波形，控制反向变换器工作在限流模式。滞回控制模块2输出高电平的情况下，当公共母线电压采样u'o达到第四电压参考值vref4时，pi3模块调节vref4与u'o的误差值通过与逻辑2及取小电路2输出至第二比较器com2的正端，与固定载波trig2比较生成pwm波形，控制反向变换器工作在恒压模式。所述的恒压模式，其特征在于，反向变换器可以根据mea信号调整第四电压参考值vref4，实现多个正向并网控制器对公共母线电压的共同控制；mea信号经过比例调节模块p2调整后与固定第三电压参考值vref3相加，得到第四电压参考值vref4；能源系统能量充足时，mea越大，则vref4越大，反向变换器的恒压点越高，反向变换器从公共母线吸收能量少；能源系统能量不那么充足时，mea相对较低，则vref4变小，反向变换器的恒压点较低，反向变换器从公共母线吸收能量增多；能量充足的能源系统通过反向变换器从公共母线吸收能量较少，能量相对不足的能源系统通过反向变换器从公共母线吸收能量较多。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。