一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法技術

一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，根據不同降交點地方時選擇不同偏置角度，用以改善太陽電池陣的光照條件。在偏置情況下進行太陽電池陣面積估算、太陽電池陣輸出功率計算以及能量平衡分析，實現不同降交點地方時條件下衛星電源系統的能量平衡分析。本發明專利技術方法通過統一規劃，實現了太陽電池陣面積一致情況下，通過不同偏置角度兼顧多種降交點地方時。在選擇偏置角度的過程中，優化偏置角度選擇，確保太陽電池陣面積最優化，統一太陽電池陣狀態，大幅節約研制成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，適用于多星組網星座，且星座內各衛星采用不同降交點地方時，屬于衛星總體設計領域。
技術介紹
傳統的衛星能量平衡分析方法是針對某顆具體衛星進行能量平衡計算，給出衛星電源系統設計結果。在設計階段，利用計算機模擬功率流程和能量計算，通過計算機程序，在已知負載分布，假定一組太陽電池陣和電池組參數，確定某一個或多個軌道周期內衛星是否處于平衡狀態。當不能平衡時，修改太陽電池陣和電池組參數，再次進行計算。在反復迭代過程中完成能量平衡分析和太陽電池陣、電池組參數確定。在多星組網星座中，如果各衛星降交點地方時不同，則太陽電池陣光照條件也將變化，因此需要分別計算各衛星能量平衡情況。最終得到的太陽電池陣、電池組參數因衛星降交點地方時不同而存在差異，其結果是針對某一顆衛星的最優結果，不能兼顧多種降交點地方時，同樣功能衛星在不同降交點地方時下為了滿足能量平衡要求，配置不同面積的太陽電池陣，狀態難以統一，不利于太陽電池陣、蓄電池等單機產品的批量化生產。另外，由于衛星的研發成本與技術狀態直接相關，統計數據表明，太陽電池陣成本約占衛星電源系統成本的70％，占整星成本的10％。多種技術狀態的太陽電池陣導致衛星星座成本增加。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，用一種技術狀態包絡各種不同的降交點地方時的光照條件，實現多星電源設計狀態的統一，減少配置差異，提高太陽電池陣利用率，大幅節約研制生產成本。本專利技術的技術解決方案是：一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法， 包括如下步驟：(1)為每個降交點地方時確定偏置角度，進而得到每顆衛星偏置后的太陽電池陣入射角；(2)在步驟(1)的基礎上計算最大太陽電池陣入射角，所述最大太陽電池陣入射角滿足絕對值最大，且余弦值最小；(3)根據最大太陽電池陣入射角計算太陽電池陣面積ASA；(4)計算不同降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA；(5)根據不同降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA，計算每顆衛星的總充電電量Qch、地影區放電電量Qdis1和光照區補充放電電量Qdis2；(6)根據步驟(5)判斷每顆衛星是否滿足能量平衡，如果星座中所有衛星均滿足能量平衡，則兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法結束，否則為每個降交點地方時重新確定偏置角度，重復上述步驟，直到星座中所有衛星均滿足能量平衡。所述步驟(1)中第i顆衛星偏置后的太陽電池陣入射角β′i滿足β′i＝βi-θi，其中βi為第i顆衛星偏置前的太陽電池陣入射角，θi為第i顆衛星降交點地方時的偏置角度。所述步驟(3)中計算太陽電池陣面積ASA的方法如下：(3.1)計算壽命末期太陽電池陣最小輸出功率PSEPSE＝M×(PBL+PBC+PH)其中，M表示計算功率裕度，PBL表示母線最大負載功率，PBC表示充電功率，PH表示線路功率損耗；(3.2)根據母線電壓計算每一串電池中電池片數NS：NS＝(VB+VL+VD)/VmpEOL其中VB表示母線電壓最大值，VL表示供電線路損耗壓降，VD表示隔離二極管壓降，VmpEOL表示壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電壓；(3.3)計算并聯的電池串數NP：NP＝IL/(ImpEOL×Fi)其中IL表示太陽電池陣輸出的最大電流，ImpEOL表示壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電流，Fi表示幾何損失因子，為最大太陽電池陣入射角的余弦值；(3.4)根據串并聯電池的總數計算太陽電池陣的面積ASA：ASA＝NP×NS×AC/FS其中AC表示單體電池片的面積，FS表示布片系數。所述步驟(2.3)中壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電壓VmpEOL滿足VmpEOL＝(Vmp+βVEOL×ΔT)×KVTE×KVRADVmp表示AMO標準條件下，太陽電池最佳工作點時電壓典型參數或實測值，ΔT＝T-25℃，其中T為太陽電池工作溫度，KVTE表示太陽電池陣電壓測試誤差因子，βVEOL表示壽命末期太陽電池電壓溫度系數，即太陽電池的溫度改變1℃時，其輸出電壓的變化值，KVRAD表示太陽電池陣電壓粒子輻照損失因子。所述步驟(2.3)中壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電流ImpEOL滿足ImpEOL＝(Imp+αIEOL×ΔT)×KITE×KIRAD×KIUV其中Imp表示AMO標準條件下，太陽電池最佳工作點時電流典型參數或實測值，ΔT＝T-25℃，其中T為太陽電池工作溫度，KITE表示太陽電池陣電流測試誤差因子，αIEOL表示太陽電池壽命末期電流溫度系數，即太陽電池的溫度改變1℃時，其輸出電流的變化值，KIRAD表示太陽電池陣電流粒子輻照損失因子，KIUV表示太陽電池陣電流紫外輻照損失因子。所述步驟(4)的實現方式為：第i顆衛星降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA滿足：PSA＝ASA×S×δ×cosβ′iS是太陽常數，一般取1353W/m2；δ是太陽電池效率；cosβ′i是第i顆衛星 偏置后的太陽電池陣入射角的余弦值，ASA是太陽電池陣面積。所述步驟(5)的實現方式為：(7.1)利用如下公式計算第i顆衛星的地影區放電電量Qdis1：其中Plongterm是第i顆衛星的長期負載功率，Tumbra是第i顆衛星地影區時間，Pshort-term1、Pshort-term2和Pshort-term n分別是第i顆衛星地影區第1次載荷工作時的短期功率、第2次載荷工作時的短期功率和第n次載荷工作時的短期功率；Tshort-term1、Tshort-term2和Tshort-term n分別是第i顆衛星地影區第1次載荷工作時長、第2次載荷工作時長和第n次載荷工作時長；Vdis是蓄電池組放電電壓，ηBDR是放電調節器的額定效率，ηwire是放電線路損耗效率；(7.2)判斷太陽電池陣的輸出功率是否滿足第i顆衛星總負載功率的需求，如果滿足，則光照區補充放電電量Qdis2＝0，否則利用如下公式計算光照區補充放電電量：Tshort-term m是第i顆衛星光照區第m次載荷工作時長；(7.3)判斷第i顆衛星是采用恒定電流充電還是采用蓄電池組兩階段充電方式，如果采用恒定電流充電，則進入a)，如果采用蓄電池組兩階段充電，則進入b)：a)利用如下公式計算第i顆衛星的總充電電量Qch其中Tsunlight是第i顆衛星光照區時間，Pshort-term k是第i顆衛星光照區第k次載荷工作時的短期功率，Tshort-term k是衛星光照區第k次載荷工作時長；Vch是蓄電池組充電電壓，ηC/D是蓄電池組充放比；b)根據如下步驟計算第i顆衛星的總充電電量QchStep1：利用如下公式計算蓄電池組第二階段充電時間T2nd-stage：T2nd-stage＝Q2nd-stage×ηC/D/I2nd-stageStep2：利用如下公式計算蓄電池組第一階段充電電量Q1st-stage：Q1st-stage＝I1st-stage×(Tlongterm-T2nd-stage)/ηC/DStep3：利用如下公式計算采用蓄電池組兩階段充電時，第i顆衛星的總充電電量Qch：Qch＝Q1st-stage+Q2nd-stage其中，Q2nd-stage是蓄電池組轉階段電量門限，即第二階本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于包括如下步驟：(1)為每個降交點地方時確定偏置角度，進而得到每顆衛星偏置后的太陽電池陣入射角；(2)在步驟(1)的基礎上計算最大太陽電池陣入射角，所述最大太陽電池陣入射角滿足絕對值最大，且余弦值最小；(3)根據最大太陽電池陣入射角計算太陽電池陣面積ASA；(4)計算不同降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA；(5)根據不同降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA，計算每顆衛星的總充電電量Qch、地影區放電電量Qdis1和光照區補充放電電量Qdis2；(6)根據步驟(5)判斷每顆衛星是否滿足能量平衡，如果星座中所有衛星均滿足能量平衡，則兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法結束，否則為每個降交點地方時重新確定偏置角度，重復上述步驟，直到星座中所有衛星均滿足能量平衡。

【技術特征摘要】
1.一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于包括如下步驟：(1)為每個降交點地方時確定偏置角度，進而得到每顆衛星偏置后的太陽電池陣入射角；(2)在步驟(1)的基礎上計算最大太陽電池陣入射角，所述最大太陽電池陣入射角滿足絕對值最大，且余弦值最小；(3)根據最大太陽電池陣入射角計算太陽電池陣面積ASA；(4)計算不同降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA；(5)根據不同降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA，計算每顆衛星的總充電電量Qch、地影區放電電量Qdis1和光照區補充放電電量Qdis2；(6)根據步驟(5)判斷每顆衛星是否滿足能量平衡，如果星座中所有衛星均滿足能量平衡，則兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法結束，否則為每個降交點地方時重新確定偏置角度，重復上述步驟，直到星座中所有衛星均滿足能量平衡。2.根據權利要求1所述的一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于：所述步驟(1)中第i顆衛星偏置后的太陽電池陣入射角βi'滿足β'i＝βi-θi，其中βi為第i顆衛星偏置前的太陽電池陣入射角，θi為第i顆衛星降交點地方時的偏置角度。3.根據權利要求1所述的一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于：所述步驟(3)中計算太陽電池陣面積ASA的方法如下：(3.1)計算壽命末期太陽電池陣最小輸出功率PSEPSE＝M×(PBL+PBC+PH)其中，M表示計算功率裕度，PBL表示母線最大負載功率，PBC表示充電功率，PH表示線路功率損耗；(3.2)根據母線電壓計算每一串電池中電池片數NS：NS＝(VB+VL+VD)/VmpEOL其中VB表示母線電壓最大值，VL表示供電線路損耗壓降，VD表示隔離二極管壓降，VmpEOL表示壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電壓；(3.3)計算并聯的電池串數NP：NP＝IL/(ImpEOL×Fi)其中IL表示太陽電池陣輸出的最大電流，ImpEOL表示壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電流，Fi表示幾何損失因子，為最大太陽電池陣入射角的余弦值；(3.4)根據串并聯電池的總數計算太陽電池陣的面積ASA：ASA＝NP×NS×AC/FS其中AC表示單體電池片的面積，FS表示布片系數。4.根據權利要求3所述的一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于：所述步驟(2.3)中壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電壓VmpEOL滿足VmpEOL＝(Vmp+βVEOL×△T)×KVTE×KVRADVmp表示AM0標準條件下，太陽電池最佳工作點時電壓典型參數或實測值，△T＝T－25℃，其中T為太陽電池工作溫度，KVTE表示太陽電池陣電壓測試誤差因子，βVEOL表示壽命末期太陽電池電壓溫度系數，即太陽電池的溫度改變1℃時,其輸出電壓的變化值，KVRAD表示太陽電池陣電壓粒子輻照損失因子。5.根據權利要求3所述的一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于：所述步驟(2.3)中壽命末期太陽電池陣最大功率點輸出電流ImpEOL滿足ImpEOL＝(Imp+αIEOL×△T)×KITE×KIRAD×KIUV其中Imp表示AM0標準條件下，太陽電池最佳工作點時電流典型參數或實測值，△T＝T－25℃，其中T為太陽電池工作溫度，KITE表示太陽電池陣電流測試誤差因子，αIEOL表示太陽電池壽命末期電流溫度系數，即太陽電池的溫度改變1℃時,其輸出電流的變化值，KIRAD表示太陽電池陣電流粒子輻照損失因子，KIUV表示太陽電池陣電流紫外輻照損失因子。6.根據權利要求1所述的一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于：所述步驟(4)的實現方式為：第i顆衛星降交點地方時太陽電池陣輸出功率PSA滿足：PSA＝ASA×S×δ×cosβi'S是太陽常數，一般取1353W/m2；δ是太陽電池效率；cosβ'i是第i顆衛星偏置后的太陽電池陣入射角的余弦值，ASA是太陽電池陣面積。7.根據權利要求1所述的一種兼顧多種降交點地方時的能量平衡方法，其特征在于：所述步驟(5)的實現方式為：(7.1)利用如下公式計算第i顆衛星的地影區放電電量Qdis1： Q d i s 1 = P l o n g t e r m × T u m b r a + P s h o r t - t e r m 1 × T s h o r t - t e r m 1 + P s h o r t - t e r m 2 × T s h o r t - t e r m 2 + ...... + P s h o r t - t e r m n × T s h o r t - t e r m n V d i s × η B D R × η w i r e ]]>其中Plongterm是第i顆衛星的長期負載功率，Tumbra是第i顆衛星地影區時間，Pshort-term1、Pshort-term2和Pshort-termn分別是第i顆衛星地影區第1次載荷工作時的短期功率、第2次載荷工作時的短期功率和第n次載荷工作時的短期功率；Tshort-term1、Tshort-term2和Tshort-termn分別是第i顆衛星地影區第1次載荷工作時長、第2次載荷工作時長和第n次載荷工作時長；Vdis是蓄電池組放電電壓，ηBDR是放電調節器的額定效率，ηwire是放電線路損耗效率；(7.2)判斷太陽電池陣的輸出功率是否滿足第i顆衛星總負載功率的需求，如果滿足，則光照區補充放電電量Qdis2＝0，否則利用如下公式計算光照區補充放電電量： Q d i s 2 = ( P l o n g t e r m × P s h o r t - t e r m 1 - P S A ) × T s h o r t - t e r m 1 + ( P l o n g t e r m × P s h o r t - t e r m 2 - P S A ) × T s h o r t - t e r m 2 + ...... + ( P l o n g t e r m + P s h o r t - t e r m m - P S A ) × T s h o r t - t e r m m V d i s × η B D R × η w i r e ]]>Tshort-termm是第i顆衛星光照區第m次載荷工作時長；(7.3)判斷第i顆衛星是采用恒定電流充電還是采用蓄電池組兩階段充電方式，如果采用恒定電流充電，則進入a)，如果采用蓄電池組兩階段充電，則進入b)；a)利用如下公式計算第i顆衛星的總充電電量Qch Q c h = [ ( P S A - P l o n g ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈曉冬，張勇，鄢婉娟，李琳琳，于鑫，
申請(專利權)人：航天東方紅衛星有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11