多备选电源控制

不断变化的太空运行条件为航天器提供可靠的电力带来了困难。生物系统的一个特性，即内稳态，可以通过使用多选择原则来解决挑战:多层次结构和控制，功能多样性和分区，以及结构模块化。例如，轨道站的电力供应系统(PSS)包含多种可替代能源，具有多级控制结构。为了体现模块化和功能分区的原则，将总控制区划分为互不重叠的主动控制范围。功能分区、模块化和结构的层次结构排除了系统故障级联增加的可能性，并确保在各种飞行模式下不间断的空间站电源供应。

空间的可变性

由于光通量密度的显著变化、温度的变化和太阳能电池的阴影，即使PSS设计有多个冗余，为轨道航天器提供可靠的电力也很困难。设计和开发PSS的经验表明，需要根据当前的飞行条件，积极重组其操作模式及其模块之间的相互作用。也就是说，需要更好的控制。

PSS设计需要形成共同的原则，并建立在使用一种方法解决设计问题的方法来创建自治PSS的成功基础上。

基于生物系统的功能，提出了多选择结构的概念。生物群落可以在不断变化的环境中维持，这是内稳态的特性。

该概念包括以下原则:多样性原则、功能分区原则、多层次原则和模块化设计原则。

国际空间站(ISS)俄罗斯部分的PSS就是执行这些原则的一个例子。下面介绍应用主要系统模块的数学和仿真模型的结果，以及在关键功能模式中应用多选择原则的过程。

系统总体结构

主PSS的子系统如下(图1):

• 太阳能电池是船上的主要能源
• 位于空间站外部设备上的高压电源，起二次能源的作用
• 电化学蓄能器电池，如果系统中有多余的能量，它就会积累能量，如果系统中有不足，它就会返回能量。

各子系统均配备自动控制电路;下面将讨论各种操作模式下的相互作用。

太阳能电池子系统

太阳能电池稳压系统的功能示意图如图2所示。

可调值为电压U_l通过负载。

主控制器是恒定的参考电压你的．

对太阳能电池子系统影响最大的外部因素有:

• R_l-负载电阻
• W-光通量密度
• T-电池单体的温度。

太阳能电池的总数，N_某人，通过并联方式为用户提供电力。

大范围负载电流变化下并联运行太阳能电池的控制系统是基于多级控制的演化原理，根据该原理，随着负载电流的增大，所需的电池数、n≤n_某人，则交替启用，使n - 1电池提供最大可能的输出电流，我_{某人,马克斯}，由它们的伏安特性、温度决定T，光通量密度W．一个带有条件号的电池n，最后连接，按照图2中的电路以时间-比例控制输出电流的方式工作，其余的N_某人- n电池仍未使用。

因此，在负载电流的任意值下，太阳能电池子系统所提供的功率并不是全部被调节，而只是其中的一部分，即一个电池的份额。这简化了确保控制系统稳定性和质量的任务。它还创造了统一每个电池的控制回路和可互换模块子系统的模块结构的可能性。这些共同提供可靠的变电所功能在大范围的参数变化，负荷，以及在个别模块故障的情况下。特别地，任何数量的太阳能电池的故障或断开都不会改变控制系统的动态特性。

对于上述太阳能电池分系统工作原理的技术实现，每个电池控制一个不重叠的有源范围。

图3显示了这样的分区示例N_某人= 3，其中u为脉宽调制转换器输入端的控制信号，我_SB1、……我_SB3-太阳能电池输出电流SB₁某人…_3.．与控制信号的值相匹配u> -0.5时，所有三节电池都会给出最大输出电流。例如，如果这些电流的总和过大，而一个电池电流的供电足够，那么，由于反馈作用，控制u将下降，依次断开SB_3.和某人₂从负载到u进入范围-1.9≤u电池SB的主动调节≤-1.5₁电流。当进入阴影或紧急关闭两个正在运行的太阳能电池之一时，所述过程的模拟结果如图4所示。图4给出了太阳能电池分系统运行的以下关键模式:

1.当时t= 0.035 s时，负载电流从20 A跃迁到40 A。从一个电池的最大电流我_{某人,马克斯}= 30a时，蓄电池SB1开始输出总电流30a。此外，电池SB₂开始工作，给出10a的可调电流。电池SB_3.在此模式下不需要为用户供电，因此其输出电流为零。

2.在时间间隔内t= [0.06, 0.08] s时，电池SB2发生阴影(光通量密度从W= 1000w /m²来W= 100w /m²)．这个电池给出的总电流从我_SB2= 10 А的值我_SB2= 4 A，用户从电池SB中获得6 A的缺失电流_3.．

3.当时t= 0.1秒，电池SB紧急停机₁是模拟的。消费者所需的40a电流由电池SB总电流提供₂，加上电池SB的10a调节电流_3.．

二级高压子系统

带外部二次高压电源的子系统功能方案如图5所示。这个正在考虑的子系统被设计成将用户连接到外部高压电源，其电压，U_前女友，通过受控转换器与太阳能电池子系统保持一致(见图5)。

为了保证系统的高可靠性，采用了多选择选择性原理。即功能的划分和专业化，保证了子系统在各种模式下的稳定运行。由于高压电源是电压源，过流模式是其运行最常见的临界模式。如果变换器的电流不超过IC的规定我_C,马克斯，电压U_l控制回路在子系统中运行(参见图5)。

然而，在紧急情况下或名义功耗增加时，转换器电流达到临界值，我_C,马克斯，控制传递到当前控制回路，保证相等我_C=我_C,马克斯，对设备安全。然后，由于电流控制通道的传输系数较高，电压控制(稳定)回路被参数化地阻塞。负载解除后，分系统控制功能自动从电流回路转移到电压回路。

次级电压源子系统的关键工作模式如图6所示:

我_l(t)-当时负载电流的变化t= 0.09 s从15a到30a。这些值不超过转换器的最大电流，我_C,马克斯= 50。在时间间隔内t= [0.12, 0.15] s，所需负载电流我_l= 60 А克服我_C,马克斯．

U_l(t)-电压在负载上的变化。在允许电流范围内我_l≤我_C,马克斯时，电压控制回路稳定该值U_l在U_l= 28.5±0.5 v;在过流时，保持相等我_C=我_C,马克斯，电压U_l减少了。

我_C(t)-输出电流的变化。在时间间隔内t= [0.12, 0.15] s时，转换器控制传递到电流回路，将转换器的电流限制在50到52 A的值。

U_在(t)-改变应用于变换器的输入电压电平。在时间间隔内t= [0.04, 0.06] s时，该电压的短期下降(下降)从180v再现到100v。该模式下的电压控制回路维持该值U_l(t)在给定的水平上。

下面讨论高压电源分系统与其他分系统的联合运行。

蓄电池分系统

所考虑的子系统有两个功能:

1.在站内积累多余的能量

2.在电力短缺时(例如，遮阳太阳能电池板或缺乏外部二次电源)使用电源。

功能图(图7)说明了子系统中多级和功能分区原则的实现。它表明可逆电压变换器由调节器的两个独立通道(充电通道和放电通道)控制，每个通道包含一个两级控制系统:一个用于电压(电流不超过临界值时)，另一个用于电流(电流往往超过临界值时)。

这些通道的操作切换是自动的，因为在PSS的一般电压控制范围内，其所有子系统操作的单个电平(区域)分离(图8)。

根据负载电流的现值和蓄能器电池的状态，从一个区域过渡到另一个区域，这样，在运行消费者容量较小的情况下，电力由太阳能电池提供(随着功率消耗的增加，太阳能电池交替连接;(见图3)。然而，在充电模式下工作的蓄电池也可以将电量提供给消费者。

如果消费者的功率超过太阳能电池分系统的总容量，控制信号u将进入二次电源主动调节区，将所有太阳能电池转移到全电流输出模式(见图8)。

消费者电力使用量的进一步增加(由于空间站转移到轨道的阴影部分，或在外部二次源禁用的情况下，不是由太阳能电池的子系统提供)将导致电池进入放电模式(见图8)。

蓄电池分系统的反向转换器借助可调升压UB控制充电和放电模式，该升压UB是根据当前负载电压和蓄电池夹之间的电压差自动选择的。控制u对于所有电源子系统都是相同的，并确保协调交互。

图9说明了负载电流显著变化和太阳能电池大量遮挡的相互作用过程。在系统的所有情况下，用户都不间断地提供电力，超过的(对于I_l<60 A，见图9)是针对蓄电池的充电。因此，多级控制在单独的子系统中进行，并在整个站的PSS中进行。

Multi-alternative控制

对空间站自主PSS的关键工作模式的分析表明，由于应用了多选择控制的进化原则，所考虑的系统的生存能力得到了实现:

• 多级性，根据当前的情况，通过在子系统之间和每个子系统内部转移控制和分配电源功能来创建系统行为策略的多样性
• 模块化，它降低了紧急情况和故障的级联(技术连接)开发的可能性
• 功能分区，在功能目的狭窄的情况下，保证有组织的控制通道的高效率。

在这些原则的基础上，实现了PSS能量和信息流的主动重定向和子系统在极端情况下如何运行的策略改变。

精液L.波德瓦尔尼是自动化与计算系统部门的负责人，以及Eugeny M. Vasiljev沃罗涅日国立技术大学自动化与计算系统系副教授;由Mark T. Hoske编辑，他是CFE Media的内容经理，控制工程，mhoske@cfemedia.com．

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• Multi-alternative控制有助于航天器电源的设计。
• Multi-levelness、模块化和分区函数都有帮助。

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参考文献

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