基于稳定性约束条件的空间电源功率密度优化方法

Reliability and weight are very important indicators to measure the quality of the space power system. Based on the particularity of space application, considering the constraints of the stability criteria, this project will establish objective function to optimize the filter banks between primary power supply and secondary power supply, and study the mechanism and basic theory of optimizing power density under the stability of the whole system. Centering on PCU, this project will study the influence and reaction strategy of solar array's energy perturbation resulting from the attitude control of spacecraft and shunting method of the power supply, and study the stability influence of paralleled BDR based on the BDR's bandwidth and other differences. In addition, inertial effect, usually overlooked, in observation and control systems and the stability influence of frequency beat noise will be also taken into account in this project. The result of this project will be useful in improving the reliability and power density of space power systems both in theory and engineering.

可靠性和重量是衡量空间电源系统品质极为重要的指标。本项目根据空间应用特殊性，在保证供配电系统稳定的前提下，以提高功率密度为目标，结合稳定性准则的约束条件，建立优化一次电源与二次电源间滤波器组的目标函数，研究优化功率密度的规律和理论依据。以空间电源功率调节器（PCU）为中心，研究航天器分流体制下姿控系统引起的太阳电池阵列能量摄动对PCU输出的影响机理及应对策略，并针对PCU研究BDR带宽和差异性对多个BDR并联稳定性的影响，还考虑了参数精度易被忽视的测控惯性环节、拍频干扰对环路和稳定性的影响。该研究对提高空间电源系统的可靠性和功率密度具有较重要的理论和工程价值。

本项目达到了预期目标，取得了如下成果：（1）研究了开关变换器的几种稳定性定义方法，分析了开关变换器的建模方法，给出了从稳态、小信号、大信号等不同角度对系统进行稳定性分析的步骤和方法，并对系统的不稳定现象进行了归纳和总结；（2）建立了航天器电源系统各部件模型，包括太阳电池阵、蓄电池组、SR、BCR、BDR及负载模型，为航天器电源系统的稳定性研究奠定了基础；（3）提出了阻抗比判定系统小信号稳定的充要条件，该充要条件判据减小了传统禁区理论的保守性；（4）提出了任意集成的电源系统的阻抗比判据，可以对多源多载等复杂互联方式的系统的小信号稳定性进行判定；（5）研究了系统的相对稳定性问题，即小信号意义下系统的稳定裕度问题；（6）提出了一种适用于负载阻抗设计的阻抗比禁区。在源系统的输出阻抗已知的条件下，使用该方法对负载系统的输入阻抗进行设计，可保证整个级联的系统是小信号稳定的；（7）培养博士生2人；（8）已发表和录用学术论文5篇。