一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统

技术领域

本发明属于卫星供配电技术领域，尤其涉及一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统。

背景技术

供配电分系统是卫星的重要组成部分，主要负责在卫星各个飞行阶段为有效载荷及平台提供和分配电能。

目前高轨大功率GEO通信卫星普遍采用单母线供配电体制，只配置一台电源控制器(Power Conditioning Unit，PCU，电源控制器)，为单点设备。为了保证PCU和母线供电安全，其在设计上、工艺上、生产过程中都经过了多轮严密的验证和检查。单母线供配电体制对于大功率等级的场景适应性较低，同时系统没有重构能力；对于重要负荷，除了在欠压保护值上有所区别，在配电方式上没有进行特殊配置，所以系统对于PCU设备发生单点故障如母线输出端短路等没有足够的容错能力。

随着卫星的功率等级提升，供配电系统架构也需要进行适应性调整。目前通信卫星供配电系统的可靠度在寿命初期为0.99以上，在寿命末期需要达到0.96以上。对于系统而言，可靠度高并不等于发生故障后的影响范围小，例如电源控制器虽然采取多模块冗余配置，但是由于模块是并联之后通过母线统一输出的，如果发生母线短路故障，将造成严重的后果。所以多模块式的冗余交叉备份，无法完全消除电源控制器通过汇流条并联输出造成的单点失效影响，根本解决途径仍然需要从供配电系统拓扑架构上进行改进和优化。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统，旨在提高卫星的可靠性，避免母线的单点故障影响到整星安全。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统，包括：主电源控制器、最小系统电源、互联母线和母线互联开关；其中，主电源控制器和最小系统电源通过互联母线连接，互联母线上设置有母线互联开关；

主电源控制器，用于为星上除最小系统包络设备之外的其他设备供电；

最小系统电源，用于为最小系统包络设备供电；

母线互联开关，用于控制主电源控制器和最小系统电源之间的通断；其中，当母线互联开关处于闭合状态时，主电源控制器和最小系统电源之间联通，实现主电源控制器与最小系统电源的功率交互；当母线互联开关处于断开状态时，实现主电源控制器与最小系统电源的隔离。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，主电源控制器，包括：N个太阳模块、2M个电池充放电调节模块、电容模块CPA

各太阳模块分别与太阳电池阵相连，用于从太阳电池阵获取供电输入；

各电池充放电调节模块分别与蓄电池组相连，用于实现对蓄电池组的充放电；

电容模块CPA

背板组件A，用于将主电源控制器中所有模块的机械和电路接口连接在一起。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，每个太阳模块中均包括一个3路顺序开关分流调节电路，用于在光照期实现对太阳电池阵的功率调节，使母线电压稳定在设定值。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，M和N均为正整数，且，4≤N≤10，6≤M≤18；设定值为100V。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，最小系统电源，包括：太阳模块SUN

太阳模块SUN

电池充放电调节模块BCDR

电容模块CPA

背板组件B，用于将最小系统电源中所有模块的机械和电路接口连接在一起。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，太阳模块SUN

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，最小系统电源为从主电源控制器从分离出来的模块。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，最小系统是指：可保证卫星安全且能完成最小载荷功能正常运作的系统。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，最小系统包络设备，包括：卫星的重要负载和重要载荷。

在上述基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统中，最小系统电源的功率范围大于最小系统包络设备的功率总和。

本发明具有以下优点：

(1)本发明公开了一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统，在原有PCU的基础上进行合理的分解，增加最小系统电源供电，保证卫星的最小系统实现不间断工作，具备灵活重构能力，避免母线的单点故障影响到整星安全，提高了卫星的可靠性

(2)本发明公开了一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统，对大功率(20kW以上)通信卫星的适应性较好，避免了单一母线和单PCU带来的单点问题，真正实现星上业务连续，保证整星安全。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统的组成框图。

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公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统，包括：主电源控制器、最小系统电源、互联母线和母线互联开关；其中，主电源控制器和最小系统电源通过互联母线连接，互联母线上设置有母线互联开关。

主电源控制器，用于为星上除最小系统包络设备之外的其他设备供电。

在本实施例中，最小系统是指：一个可以保证卫星安全且能完成最小载荷功能正常运作的系统。这个最小系统包络设备通常包括卫星的重要负载(即在欠压保护设计中欠压值最低的一系列负载，如中心计算机、测控系统中枢、姿轨控系统中枢和执行机构等)，同时为了满足最小功能的正常运作，部分重要载荷也需要列为最小系统的包络。

以DFH-4E典型通信卫星为例，选定最小系统包络设备原则如下：欠压保护阈值低于60V的设备(整星母线电压正常为100V)，一般为中心计算机、测控系统、姿轨控系统重要单机。进一步的，在通信系列卫星中，设备的欠压保护阈值低于60V，说明发生突发情况导致母线电压跌落，仍需要这些设备正常工作保证整星可控，属于整星的关键设备，这些设备需纳入最小系统包络。此外，部分重要载荷，如天线、行波管放大器、变频器等可以支持通信业务的设备，虽然在欠压保护阈值都在60V以上，但可以根据整星业务水平适当选择一部分划入最小系统包络，保证最小系统电源可以支持整星的部分业务持续不断运作。

优选的，主电源控制器具体可以包括：N个太阳模块、2M个电池充放电调节模块、电容模块CPA

进一步的，每个太阳模块中均包括一个3路顺序开关分流调节电路，用于在光照期实现对太阳电池阵的功率调节，使母线电压稳定在设定值(如100V)。其中，3路顺序开关分流调节电路中只有1路顺序开关分流调节电路处于调整状态，其它2路顺序开关分流调节电路处于向母线供电或者对地面分流状态。当负载减轻，3路顺序开关分流调节电路依次进入分流状态；反之，负载加重，3路顺序开关分流调节电路依次退出分流状态，转为向母线常供电状态。太阳电池阵能量依照负载的需求或者对地分流或者向母线供电，并通过中间一级进行调整，保证母线电压的稳定。

最小系统电源，用于为最小系统包络设备供电。

在本实施例中，在最小系统中的设备采用最小系统电源进行配电。该最小系统电源为从主电源控制器从分离出来的模块，分离策略应保证最小系统电源的组成与主电源控制器的基本构成完全一致。最小系统电源与主电源控制器在物理位置上完全独立，不会发生共因故障。

优选的，最小系统电源具体可以包括：太阳模块SUN

在地影期间，蓄电池组工作，通过电池充放电调节模块输出功率，在光照期间，太阳电池阵工作，通过太阳模块输出功率。假设一个电池充放电调节模块输出功率为2kW，一个太阳模块输出功率为5kW，则地影期间该最小系统电源输出功率为4kW，光照期间该最小系统电源输出功率为5kW，考虑到全时段最小系统电源都能安全带载，所以最小系统包络设备的功率总和应小于4kW。

该最小系统电源的输出母线连接确定的最小系统包络设备的备份；根据所需功率为最小系统电源配置相应的太阳电池和蓄电池组接口，保证最小系统电源正常工况下全时段不间断供电。

母线互联开关，用于控制主电源控制器和最小系统电源之间的通断。

在本实施例中，正常情况下，母线互联开关处于闭合状态处于闭合状态，主电源控制器和最小系统电源之间联通，进行功率交互。当主电源控制器出现诸如母线短路的单点故障时，母线互联开关检测到故障信号会自动断开，实现主电源控制器与最小系统电源的隔离，保证最小系统能够独立工作。

在上述实施例基础上，以DFH-4E典型平台的高轨通信卫星，N＝7、M＝6为例，有：

主电源控制器包括：太阳模块SUN

对于DFH-4E典型平台的高轨通信卫星：对于星上用电设备，按照其功能性质及重要性分类，以确定获得电能的优先等级。其中，关键设备是保证卫星安全所必需的用电设备，重要设备是保证卫星业务连续所必需的设备，其余为一般设备。按照目前该典型平台通信卫星的配置，得到设备分类如表1所示：

表1，星上用电设备分类表

通过欠压保护阈值<60V可确定最小系统包络的设备，即，基于上述表1，对欠压保护阈值<60V的整星关键设备及部分重要载荷设备的功率进行梳理，得到最小系统的包络列表如表2所示：

表2，最小系统包络设备

可见，该典型卫星的最小系统包络设备的功率总和约为2150W。

引入最小系统的意义在于，将整星的关键和部分重要设备从目前的单一PCU配电方式中分离出来，即从主PCU中分离出功能模块(SUN模块、BCDR模块、CAP模块、背板)组成一个最小系统电源，对最小系统包络的设备备份进行供电，同时配置相应的太阳电池阵和蓄电池组接口，始终为最小系统提供不间断的电能供应，保证卫星安全和基本功能的正常运行。

由于整星功率总和不变，可以设置两个电源，一台为主电源控制器，另一台为从主电源控制器中分离出来的最小系统电源，最小系统电源的功率范围需要大于最小系统包络设备的功率总和。最小系统电源的输出母线连接包络内设备的备份。主电源控制器和最小系统电源的母线之间设置母线互联开关，便于进行功率交互，同时可在紧急时刻(故障工况)时实现故障隔离和系统重构。

故障工况：

1)发生短路：母线互联开关上设置电流遥测，当检测到该电流遥测值大于最小系统电源功率传输能力的1.5倍时(4kW/100V*1.5＝60A)，认为某处发生了短路故障，此时应迅速切断母线互联开关，保证主电源控制器和最小系统电源独立运行，互不影响，切换故障扩散通路，完成系统重构。

2)单模块输出故障：遇到主电源控制器中其他模块发生故障导致输出功率不足时，可以通过互联通道(母线互联开关闭合时形成的通道)进行功率交互，保证整星业务正常不受影响。

几种典型故障情况下的系统重构方式如下：

1)主电源控制器中任一太阳模块故障

太阳模块中包含3路顺序开关分流调节电路，根据电路特点和保护设计，发生单重故障时只会导致某一S3R电路常供电，此时该级S3R电路对应的太阳电池分阵功率会全部送给母线。但是由于所有太阳模块中的S3R电路通过并联后输出，下一级S3R电路会继续参与分流调节，分流掉多余的功率，保持母线电压不变。此时母线分段开关保持闭合，整星供电不受影响。

2)主电源控制器中任一电池充放电调节模块故障

电池充放电调节模块BCDR

3)最小系统电源中的太阳模块发生故障

该情况和主电源控制器类似，只会出现某路S3R电路常通的状态，一个太阳模块中有3路S3R，而且通过母线互联开关和主电源控制器中的各级太阳模块也形成互联，保证后级S3R电路参与分流调节，消除由于故障S3R电路常通带来的母线输出功率上升的影响，确保母线电压不变。此时母线互联开关保持闭合，整星供电不受影响。

4)最小系统电源中的电池充放电调节模块发生故障

最小系统电源中的电池充放电调节模块发生故障后，对应的蓄电池组无法对母线输出功率，因为有互联母线，所以主电源控制器可以将蓄电池组功率输送给最小系统包络设备，母线互联开关保持闭合，整星供电不受影响。

5)主电源控制器中发生母线短路故障

主电源控制器的母线出现短路时，母线互联开关检测到大电流，会自动断开，保证最小系统电源不会受到主电源控制器故障的影响，防止问题扩散。此时最小系统电源正常工作，长期支撑整星平台关键设备和重要载荷不间断工作。若通过整星遥测状态等方式判断故障点已恢复，具备主电源控制器重新接入的条件时，可以通过发送指令再次合上母线互联开关。

6)最小系统电源发生母线短路故障

最小系统电源中出现母线短路，同理迅速断开母线互联开关，主电源控制器的设计完全可以长期支持整星的全部功能。若通过整星遥测状态等方式判断故障点已恢复，具备最小系统电源接入主母线的条件时，可以通过发送指令再次合上母线互联开关。

相比单母线架构，本发明提出的基于星上最小系统的母线功率交互供配电系统，通过一分为二从主电源控制器中划分出最小系统电源，形成物理位置上的隔离，消除了母线单点问题，具备灵活可重构能力，是一种高可靠的星上供配电架构。

需要说明的是，在本实施例中，S3R：Sequential Switching Shunt Regulator，顺序开关分流调节；BCDR：Battery Charge and Discharge Regulator，电池充放电调节；CAP：Capacitance，电容。

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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。