Помощь студентам в учебе
ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОМАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
|
Введение 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ СЭП,
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14
1.1 Обзор существующих решений СЭП, постановка задачи 14
1.2 Методика формирования требований к СЭП 22
1.3 Критерий оптимизации энергомассовых характеристик СЭП 32
1.4 Подходы к созданию имитационных моделей СЭП 35
1.5 Выводы 39
ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЭП С УЧЕТОМ
НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК БС И АБ 40
2.1 Имитационная модель БС 44
2.2 Имитационная модель ЛИАБ 51
2.3 Имитационная модель энергетических процессов в ЭПА 57
2.4 Имитационная модель СЭП 67
2.5 Выводы 85
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОМАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЭП. . 87
3.1 Формирование функций расчета массы составных частей СЭП для проведения
оптимизации её энергомассовых характеристик 87
3.2 Оптимизация энергомассовых характеристик системы БС-БКС БС 101
3.3 Оптимизация энергомассовых характеристик системы АБ - БКС АБ 109
3.4 Методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП в целом 115
3.5 Алгоритм оптимизации энергомассовых характеристик СЭП 121
3.6 Выводы 132
ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЕРИФИКАЦИИ МОДЕЛИ СЭП 133
4.1 Испытания БС и результаты подтверждения адекватности модели БС
экспериментальным данным 135
4.2 Испытания ЛИАБ и результаты подтверждения адекватности модели АБ
экспериментальным данным 140
4.3 Испытания ЭПА и результаты подтверждения адекватности энергетической
модели ЭПА экспериментальным данным 146
4.4 Оценка адекватности результатов расчета оптимальных параметров СЭП
геостационарного КА по экспериментальным данным 154
4.5 Выводы 161
Заключение 162
Перечень терминов, сокращений и обозначений 164
Литература 166
Приложения 177
ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ СЭП,
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14
1.1 Обзор существующих решений СЭП, постановка задачи 14
1.2 Методика формирования требований к СЭП 22
1.3 Критерий оптимизации энергомассовых характеристик СЭП 32
1.4 Подходы к созданию имитационных моделей СЭП 35
1.5 Выводы 39
ГЛАВА 2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЭП С УЧЕТОМ
НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК БС И АБ 40
2.1 Имитационная модель БС 44
2.2 Имитационная модель ЛИАБ 51
2.3 Имитационная модель энергетических процессов в ЭПА 57
2.4 Имитационная модель СЭП 67
2.5 Выводы 85
ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГОМАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СЭП. . 87
3.1 Формирование функций расчета массы составных частей СЭП для проведения
оптимизации её энергомассовых характеристик 87
3.2 Оптимизация энергомассовых характеристик системы БС-БКС БС 101
3.3 Оптимизация энергомассовых характеристик системы АБ - БКС АБ 109
3.4 Методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП в целом 115
3.5 Алгоритм оптимизации энергомассовых характеристик СЭП 121
3.6 Выводы 132
ГЛАВА 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ВЕРИФИКАЦИИ МОДЕЛИ СЭП 133
4.1 Испытания БС и результаты подтверждения адекватности модели БС
экспериментальным данным 135
4.2 Испытания ЛИАБ и результаты подтверждения адекватности модели АБ
экспериментальным данным 140
4.3 Испытания ЭПА и результаты подтверждения адекватности энергетической
модели ЭПА экспериментальным данным 146
4.4 Оценка адекватности результатов расчета оптимальных параметров СЭП
геостационарного КА по экспериментальным данным 154
4.5 Выводы 161
Заключение 162
Перечень терминов, сокращений и обозначений 164
Литература 166
Приложения 177
Актуальность темы. Разработка систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) осуществляется по критерию экстремума энергомассовых характеристик. Это условие предполагает, что при заданных требованиях к СЭП в части срока активного существования, уровней внешних воздействий и требуемой мощности полезной нагрузки и служебных систем масса системы должна быть минимальной.
Максимальная масса КА, которую возможно вывести на целевую орбиту, обратно пропорциональна высоте орбиты. Поэтому стоимость вывода КА на геостационарную орбиту (36 тыс. км) является максимальной, по сравнению со стоимостью вывода на более низкие орбиты. Современные СЭП КА обладают удельной мощностью на уровне от 25 до 32 Вт/кг, что при мощности полезной нагрузки 10 кВт дает массу системы 400 кг. При этом повышение удельной мощности СЭП дает синергетический эффект, когда одновременно высвобождаются ресурсы и массы, и мощности для установки на борт КА дополнительной полезной нагрузки. Поэтому при разработке СЭП, в особенности для геостационарных КА, наибольшее внимание уделяется поиску способов повышения энергомассовых характеристик СЭП.
В состав современных СЭП геостационарных КА входят: батарея солнечная (БС), комплект аккумуляторных батарей (АБ), прибор контроля и защиты АБ (ПКЗ АБ), а также системообразующий элемент СЭП - энергопреобразующая аппаратура (ЭПА).
В настоящее время в составе космических аппаратов (КА) различного назначения широко применяются системы электропитания (СЭП) параллельной или последовательно-параллельной структурной схемы, в состав которых входит энергопреобразующая аппаратура (ЭПА) на базе ключевых преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) понижающего и (или) повышающего типа. Вопросы создания СЭП параллельной или последовательно-параллельной структурной схемы с ЭПА на базе повышающих и (или) понижающих ШИМ
преобразователей, которая
характеристики, хорошо изучены.
Вместе с тем в настоящее время наблюдается рост научно-технического интереса к разработке ЭПА с применением регуляторов, работающих в резонансных режимах работы. В частности, рассматриваются вопросы создания СЭП с ЭПА на базе мостовых резонансных инверторов. К преимуществам регуляторов ЭПА на базе мостовых резонансных инверторов, которые позволяют повысить энергомассовые характеристики СЭП, относят: снижение уровня генерируемых СЭП помех, снижение массы выходных фильтров ЭПА за счет повышения частоты коммутации ключевых элементов, исключение силовых коммутаторов подключения БС и АБ и т.д.
Наряду с известными преимуществами СЭП с ЭПА на базе мостовых резонансных инвертеров открывает новые возможности в области исследования путей повышения удельных энергомассовых характеристик СЭП КА за счет изменения параметров межблочного силового интерфейса СЭП, т.е. за счет варьирования диапазонами рабочих напряжений АБ и БС.
Поэтому теоретические исследования возможности повышения энергомассовых характеристик СЭП геостационарных КА с ЭПА на базе мостовых резонансных инверторов, а также разработка практических рекомендаций по оптимизации энергомассовых характеристик СЭП геостационарных КА являются актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности
Значительный вклад в повышение энергомассовых характеристик СЭП КА сделан следующими инженерами и учеными: М.Ф. Решетнев, В.И. Иванчура, Г.Д. Эвенов, В.С. Кудряшов, А. Б. Базилевский, М.Б. Каган, М.В. Лукьяненко, Б.П. Соустин, Borthomieu Y., Ligneel E, R. M. Nelms, L.L. Grigsby, Bauer P., Mukund R. Patel, John P.W. Stark и рядом других.
Среди организаций, занимающихся разработкой СЭП и их составных частей, можно выделить: АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева,
(г. Железногорск), ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара), ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (г. Химки), РКК «Энергия» им. С.П. Королёва (г. Королев), НИАИ «Источник» (г. Санкт-Петербург), ПАО «Сатурн» (г. Краснодар), АО «НПП «Квант» (г. Москва), Lockheed Martin Space Systems Company (США), Space Systems/Loral (США), The Boeing Company (США), Thales Alenia Space (Франция, Италия), Saft Company (Франция) и другие. Количество публикуемых на рассматриваемую тему зарубежных и отечественных работ, а также объективная необходимость повышения энергомассовых характеристик СЭП геостационарных КА свидетельствует об устойчивом научном и инженерном интересе к вопросам в этом направлении.
В диссертационной работе поставлена и решена научно-техническая задача улучшения энергомассовых характеристик СЭП космических аппаратов.
Объектом исследования является система электропитания
геостационарного космического аппарата.
Предмет исследования - структуры и модели систем электропитания, методики оптимизации ее параметров в статических режимах работы полезной нагрузки космического аппарата.
Целью научно-квалификационной работы является максимизация удельной выходной мощности СЭП геостационарного космического аппарата.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
1. Определены структура СЭП, тип и состав ее элементов как объекта исследования.
2. Сформулированы требования к имитационной модели СЭП как инструменту проведения исследования.
3. Разработана имитационная модель СЭП геостационарного КА в
статических режимах работы. Подтверждена ее адекватность по
результатам экспериментальных исследований.
4. Разработана методика оценки энергетических характеристик энергопреобразующей аппаратуры СЭП.
5. Проведена оптимизация энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА рассматриваемой структуры, типа и состава составных частей СЭП.
6. Сформулированы рекомендации для разработки технического задания нового поколения системы электропитания СЭП.
Методы исследования. В качестве основных методов теоретического исследования использовались принципы построения электротехнических устройств и силовой преобразовательной техники, методы аналитического моделирования химических источников тока, методы математического моделирования и численного решения систем линейных дифференциальных уравнений. Имитационные исследования проводились с применением программы MatLab Simulink. Теоретические результаты подтверждались
экспериментальными исследованиями на стендовом оборудовании из состава производственной базы АО «ИСС», АО «НПЦ «Полюс» и АО «Сатурн» на опытно-промышленных образцах БС, ЛИАБ и силовых модулях ЭПА.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным использованием современных методов научных исследований, а также подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями на макетных и опытно-промышленных образцах. Все разделы диссертационной работы логически взаимосвязаны, а выводы и рекомендации органически вытекают из материалов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- предложена структура СЭП с применением в качестве силовых преобразователей ЭПА мостовых резонансных инверторов с гальванической трансформаторной развязкой АБ и БС от нагрузки, обеспечивающих этим возможность независимого варьирования в некоторых пределах диапазонами рабочих напряжений БС и АБ с сохранением параметров энергетической и энергомассовой эффективности;
- разработана методика оценки энергетической эффективности ЭПА, обеспечивающая аппроксимацию нелинейной зависимости КПД ЭПА от выходной мощности в виде линейной функции зависимости выходной мощности от входной с двумя константами, которые обозначаются как «коэффициент передачи мощности» и «собственное потребление»;
- создана имитационная модель СЭП геостационарного КА в статических режимах работы, позволяющая реализовать функции преимущественного использования и экстремального регулирования мощности БС, заряда АБ в квазипотенциостатическом режиме, с возможностью масштабирования модели для требуемого количества последовательно соединенных ФП в БС и аккумуляторов в АБ необходимой емкости;
- предложена методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП,
обеспечивающая достижение ее максимальной удельной мощности в заданном диапазоне изменения количества последовательно соединенных
фотопреобразователей в БС и аккумуляторов в АБ.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- получены расчетные значения количества последовательно соединенных аккумуляторов в АБ и фотопреобразователей в БС, удовлетворяющие условию положительного энергетического баланса геостационарного КА и обеспечивающие максимальную удельную мощность СЭП;
- создана вычислительная программа, реализующая в пакете Matlab Simulink
имитационную модель СЭП и позволяющая исследовать энергетические процессы в СЭП в статических режимах работы с возможностью
масштабирования количественного состава элементов СЭП и применения численных методов для определения параметров СЭП для достижения
оптимальных значений энергомассовых характеристик СЭП.
Научные положения, выносимые на защиту:
- структура системы электропитания, позволяющая реализовать гальваническую развязку солнечной и аккумуляторной батарей от электрической нагрузки и обеспечить возможность улучшения ее энергомассовых характеристик за счет оптимизации рабочих диапазонов напряжений БС и АБ для заданной мощности СЭП;
- методика оценки энергетической эффективности ЭПА, определяющая с погрешностью не более 1,5% по критерию трех сигм нормального распределения случайной величины параметры силовых преобразователей при расчете энергетического баланса КА во всем диапазоне рабочих напряжений БС и АБ;
- имитационная модель СЭП для статических режимов работы, позволяющая выполнить расчет энергетического баланса КА для заданной мощности нагрузки и количества последовательно соединенных элементов в БС и АБ с учетом нестационарности их вольт-амперных характеристик;
- методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП, обеспечивающая достижение ее максимальной удельной мощности в заданном диапазоне изменения количества последовательно соединенных фотопреобразователей в БС и аккумуляторов в АБ.
Личный вклад автора. Научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В публикациях [26-28] рассмотрены и предложены варианты структурных схем СЭП; в публикациях [55, 67, 70] разработаны и сформулированы положения методики оценки энергетической эффективности ЭПА; в публикациях [71, 87] разработана и подтверждена адекватность
имитационной модели СЭП; в публикации [86] разработана методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП. Автор непосредственно разрабатывал имитационную модель СЭП, методику оптимизации энергомассовых характеристик СЭП, участвовал в проведении экспериментальных исследований в части обработки качественных и количественных данных.
Реализация результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении проектов в АО «Информационные спутниковые системы» (г. Железногорск) в виде структурных и параметрических проектных решений при разработке СЭП КА.
Методика, позволяющая осуществлять оценку параметров энергетической эффективности ЭПА различной структуры и типов силовых преобразователей при расчете энергетического баланса КА, применяется при проектировании СЭП в АО «ИСС».
Созданные в работе новые структуры, модели СЭП и методика оптимизации ее энергомассовых характеристик используются в образовательном процессе Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке студентов магистратуры по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Использование результатов диссертационной работы подтверждается актами внедрения АО «ИСС» и ФГАОУ ВО НИ ТПУ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Положения научной работы соответствует паспорту специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы», п.1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем», п.2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем» и п. 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических
11
комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов
эффективного управления».
Апробация результатов работы
Основные научные положения и результаты диссертационной работы были представлены и докладывались на семинарах отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики НИ ТПУ, на производственных совещаниях АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва, а также на следующих конференциях: ХХ1 Международная научно-практическая конференция
«Решетневские чтения» (Красноярск, 2017 г.), ХХ научно-техническая
конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства» (АО «НПЦ «Полюс», г. Томск, 2020 г.), ХХ научно-техническая конференция молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства» (АО «НПЦ «Полюс», г. Томск, 2018 г.), XXI международная конференция молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM 2020)» (дистанционно).
В период аспирантской подготовки результаты исследований докладывались на семинарах отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики НИ ТПУ и отделения электрического проектирования и испытаний космических аппаратов АО «ИСС».
Публикации
Основные положения и результаты проведенных исследований отражены в 14 публикациях, из них 4 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 1 - в индексируемых базах Scopus и Web of Science, получено 3 патента на изобретения, 1 свидетельство на программу для ЭВМ, в материалах конференций опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список литературы из 87 наименований. Диссертация изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 25 таблиц, 2 приложения.
Основное содержание работы
В первой главе рассмотрены структурные схемы и типы силовых преобразователей энергопреобразующей аппаратуры СЭП геостационарных КА. Показаны преимущества разработанных структурных схем СЭП КА, где в качестве силовых преобразователей применяются мостовые резонансные инверторы. Отмечено, что данные СЭП позволяют осуществлять оптимизацию энергомассовых характеристик за счет изменения количества последовательно и параллельно соединенных элементов в БС и АБ. Рассмотрена известная методика формирования требований к СЭП, основанная на выполнении расчета энергетического баланса КА. Сформулирован критерий оптимизации энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА. Рассмотрены известные имитационные модели СЭП КА. Сформированы требования к разработке имитационной модели СЭП КА как к инструменту расчета энергетического баланса КА, обеспечивающей возможность проведения оптимизации энергомассовых характеристик СЭП.
Во второй главе разработана имитационная модель СЭП в статических режимах работы, обеспечивающая возможность расчета энергетического баланса КА с учетом нестационарности характеристик БС и АБ, возможности масштабирования количественного состава элементов БС и АБ, заряда АБ в квазипотенциостатическом режиме, обеспечения преимущественного
использования и экстремального регулирования мощности БС. Разработана и применена в имитационной модели СЭП методика оценки параметров энергетической эффективности ЭПА в виде линейной модели. Обоснована эквивалентность параметра энергетической эффективности ЭПА - КПД и вновь введенных параметров энергетической эффективности ЭПА: «коэффициент передачи мощности» и «собственное потребление».
В третьей главе сформулированы функции расчета массы элементов СЭП для проведения оптимизации энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА. Исследованы возможности оптимизации подсистемы СЭП, состоящей из БС и бортовой кабельной сети (БКС) БС, а также подсистемы СЭП,
13 состоящей из АБ и БКС АБ. Установлено, что с ростом количества последовательно соединенных фотопреобразователей в БС удельная мощность системы БС - БКС БС растет с возможным образованием локальных экстремумов. Установлено, что существует область значений количества последовательно соединенных аккумуляторов в АБ, для которой удельная энергия системы АБ - БКС АБ максимальна. Разработана методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП с использованием имитационной модели СЭП. Получены поверхности удельной мощности СЭП геостационарного КА, зависящие от количества последовательно соединенных элементов в БС и АБ. Показано, что разработанная методика обеспечивает нахождение экстремума энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА в заданном диапазоне изменения последовательно соединенных элементов в БС и АБ. Сформированы предложения по оптимальным параметрам СЭП геостационарных КА, соответствующим максимальному значению удельной мощности СЭП.
В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований. Подтверждена адекватность имитационной модели СЭП по результатам испытаний опытных образцов БС, АБ и ЭПА. Приведено используемое при проведении испытаний оборудование. Исследована адекватность оценки энергомассовых характеристик СЭП по предложенной методике в сравнении с энергомассовыми характеристиками известных образцов СЭП геостационарных КА. Показано, что полученные по предложенной методике значения энергомассовых характеристик СЭП коррелируют со значениями энергомассовых характеристик реальных образцов СЭП.
В заключении представлены основные результаты диссертационного исследования.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Букрееву Виктору Григорьевичу, а также начальнику отдела разработки бортовых систем электропитания космических аппаратов АО «ИСС» Нестеришину Михаилу Владленовичу и к.т.н. Лелекову Александру Тимофеевичу за всестороннюю поддержку и консультации по теме диссертационной работы.
Максимальная масса КА, которую возможно вывести на целевую орбиту, обратно пропорциональна высоте орбиты. Поэтому стоимость вывода КА на геостационарную орбиту (36 тыс. км) является максимальной, по сравнению со стоимостью вывода на более низкие орбиты. Современные СЭП КА обладают удельной мощностью на уровне от 25 до 32 Вт/кг, что при мощности полезной нагрузки 10 кВт дает массу системы 400 кг. При этом повышение удельной мощности СЭП дает синергетический эффект, когда одновременно высвобождаются ресурсы и массы, и мощности для установки на борт КА дополнительной полезной нагрузки. Поэтому при разработке СЭП, в особенности для геостационарных КА, наибольшее внимание уделяется поиску способов повышения энергомассовых характеристик СЭП.
В состав современных СЭП геостационарных КА входят: батарея солнечная (БС), комплект аккумуляторных батарей (АБ), прибор контроля и защиты АБ (ПКЗ АБ), а также системообразующий элемент СЭП - энергопреобразующая аппаратура (ЭПА).
В настоящее время в составе космических аппаратов (КА) различного назначения широко применяются системы электропитания (СЭП) параллельной или последовательно-параллельной структурной схемы, в состав которых входит энергопреобразующая аппаратура (ЭПА) на базе ключевых преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) понижающего и (или) повышающего типа. Вопросы создания СЭП параллельной или последовательно-параллельной структурной схемы с ЭПА на базе повышающих и (или) понижающих ШИМ
преобразователей, которая
характеристики, хорошо изучены.
Вместе с тем в настоящее время наблюдается рост научно-технического интереса к разработке ЭПА с применением регуляторов, работающих в резонансных режимах работы. В частности, рассматриваются вопросы создания СЭП с ЭПА на базе мостовых резонансных инверторов. К преимуществам регуляторов ЭПА на базе мостовых резонансных инверторов, которые позволяют повысить энергомассовые характеристики СЭП, относят: снижение уровня генерируемых СЭП помех, снижение массы выходных фильтров ЭПА за счет повышения частоты коммутации ключевых элементов, исключение силовых коммутаторов подключения БС и АБ и т.д.
Наряду с известными преимуществами СЭП с ЭПА на базе мостовых резонансных инвертеров открывает новые возможности в области исследования путей повышения удельных энергомассовых характеристик СЭП КА за счет изменения параметров межблочного силового интерфейса СЭП, т.е. за счет варьирования диапазонами рабочих напряжений АБ и БС.
Поэтому теоретические исследования возможности повышения энергомассовых характеристик СЭП геостационарных КА с ЭПА на базе мостовых резонансных инверторов, а также разработка практических рекомендаций по оптимизации энергомассовых характеристик СЭП геостационарных КА являются актуальной научно-технической задачей.
Степень разработанности
Значительный вклад в повышение энергомассовых характеристик СЭП КА сделан следующими инженерами и учеными: М.Ф. Решетнев, В.И. Иванчура, Г.Д. Эвенов, В.С. Кудряшов, А. Б. Базилевский, М.Б. Каган, М.В. Лукьяненко, Б.П. Соустин, Borthomieu Y., Ligneel E, R. M. Nelms, L.L. Grigsby, Bauer P., Mukund R. Patel, John P.W. Stark и рядом других.
Среди организаций, занимающихся разработкой СЭП и их составных частей, можно выделить: АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева,
(г. Железногорск), ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ Прогресс» (г. Самара), ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (г. Химки), РКК «Энергия» им. С.П. Королёва (г. Королев), НИАИ «Источник» (г. Санкт-Петербург), ПАО «Сатурн» (г. Краснодар), АО «НПП «Квант» (г. Москва), Lockheed Martin Space Systems Company (США), Space Systems/Loral (США), The Boeing Company (США), Thales Alenia Space (Франция, Италия), Saft Company (Франция) и другие. Количество публикуемых на рассматриваемую тему зарубежных и отечественных работ, а также объективная необходимость повышения энергомассовых характеристик СЭП геостационарных КА свидетельствует об устойчивом научном и инженерном интересе к вопросам в этом направлении.
В диссертационной работе поставлена и решена научно-техническая задача улучшения энергомассовых характеристик СЭП космических аппаратов.
Объектом исследования является система электропитания
геостационарного космического аппарата.
Предмет исследования - структуры и модели систем электропитания, методики оптимизации ее параметров в статических режимах работы полезной нагрузки космического аппарата.
Целью научно-квалификационной работы является максимизация удельной выходной мощности СЭП геостационарного космического аппарата.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
1. Определены структура СЭП, тип и состав ее элементов как объекта исследования.
2. Сформулированы требования к имитационной модели СЭП как инструменту проведения исследования.
3. Разработана имитационная модель СЭП геостационарного КА в
статических режимах работы. Подтверждена ее адекватность по
результатам экспериментальных исследований.
4. Разработана методика оценки энергетических характеристик энергопреобразующей аппаратуры СЭП.
5. Проведена оптимизация энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА рассматриваемой структуры, типа и состава составных частей СЭП.
6. Сформулированы рекомендации для разработки технического задания нового поколения системы электропитания СЭП.
Методы исследования. В качестве основных методов теоретического исследования использовались принципы построения электротехнических устройств и силовой преобразовательной техники, методы аналитического моделирования химических источников тока, методы математического моделирования и численного решения систем линейных дифференциальных уравнений. Имитационные исследования проводились с применением программы MatLab Simulink. Теоретические результаты подтверждались
экспериментальными исследованиями на стендовом оборудовании из состава производственной базы АО «ИСС», АО «НПЦ «Полюс» и АО «Сатурн» на опытно-промышленных образцах БС, ЛИАБ и силовых модулях ЭПА.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным использованием современных методов научных исследований, а также подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями на макетных и опытно-промышленных образцах. Все разделы диссертационной работы логически взаимосвязаны, а выводы и рекомендации органически вытекают из материалов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- предложена структура СЭП с применением в качестве силовых преобразователей ЭПА мостовых резонансных инверторов с гальванической трансформаторной развязкой АБ и БС от нагрузки, обеспечивающих этим возможность независимого варьирования в некоторых пределах диапазонами рабочих напряжений БС и АБ с сохранением параметров энергетической и энергомассовой эффективности;
- разработана методика оценки энергетической эффективности ЭПА, обеспечивающая аппроксимацию нелинейной зависимости КПД ЭПА от выходной мощности в виде линейной функции зависимости выходной мощности от входной с двумя константами, которые обозначаются как «коэффициент передачи мощности» и «собственное потребление»;
- создана имитационная модель СЭП геостационарного КА в статических режимах работы, позволяющая реализовать функции преимущественного использования и экстремального регулирования мощности БС, заряда АБ в квазипотенциостатическом режиме, с возможностью масштабирования модели для требуемого количества последовательно соединенных ФП в БС и аккумуляторов в АБ необходимой емкости;
- предложена методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП,
обеспечивающая достижение ее максимальной удельной мощности в заданном диапазоне изменения количества последовательно соединенных
фотопреобразователей в БС и аккумуляторов в АБ.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- получены расчетные значения количества последовательно соединенных аккумуляторов в АБ и фотопреобразователей в БС, удовлетворяющие условию положительного энергетического баланса геостационарного КА и обеспечивающие максимальную удельную мощность СЭП;
- создана вычислительная программа, реализующая в пакете Matlab Simulink
имитационную модель СЭП и позволяющая исследовать энергетические процессы в СЭП в статических режимах работы с возможностью
масштабирования количественного состава элементов СЭП и применения численных методов для определения параметров СЭП для достижения
оптимальных значений энергомассовых характеристик СЭП.
Научные положения, выносимые на защиту:
- структура системы электропитания, позволяющая реализовать гальваническую развязку солнечной и аккумуляторной батарей от электрической нагрузки и обеспечить возможность улучшения ее энергомассовых характеристик за счет оптимизации рабочих диапазонов напряжений БС и АБ для заданной мощности СЭП;
- методика оценки энергетической эффективности ЭПА, определяющая с погрешностью не более 1,5% по критерию трех сигм нормального распределения случайной величины параметры силовых преобразователей при расчете энергетического баланса КА во всем диапазоне рабочих напряжений БС и АБ;
- имитационная модель СЭП для статических режимов работы, позволяющая выполнить расчет энергетического баланса КА для заданной мощности нагрузки и количества последовательно соединенных элементов в БС и АБ с учетом нестационарности их вольт-амперных характеристик;
- методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП, обеспечивающая достижение ее максимальной удельной мощности в заданном диапазоне изменения количества последовательно соединенных фотопреобразователей в БС и аккумуляторов в АБ.
Личный вклад автора. Научные результаты, выносимые на защиту и составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В публикациях [26-28] рассмотрены и предложены варианты структурных схем СЭП; в публикациях [55, 67, 70] разработаны и сформулированы положения методики оценки энергетической эффективности ЭПА; в публикациях [71, 87] разработана и подтверждена адекватность
имитационной модели СЭП; в публикации [86] разработана методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП. Автор непосредственно разрабатывал имитационную модель СЭП, методику оптимизации энергомассовых характеристик СЭП, участвовал в проведении экспериментальных исследований в части обработки качественных и количественных данных.
Реализация результатов диссертационной работы
Результаты диссертационной работы использованы при выполнении проектов в АО «Информационные спутниковые системы» (г. Железногорск) в виде структурных и параметрических проектных решений при разработке СЭП КА.
Методика, позволяющая осуществлять оценку параметров энергетической эффективности ЭПА различной структуры и типов силовых преобразователей при расчете энергетического баланса КА, применяется при проектировании СЭП в АО «ИСС».
Созданные в работе новые структуры, модели СЭП и методика оптимизации ее энергомассовых характеристик используются в образовательном процессе Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета при подготовке студентов магистратуры по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Использование результатов диссертационной работы подтверждается актами внедрения АО «ИСС» и ФГАОУ ВО НИ ТПУ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности
Положения научной работы соответствует паспорту специальности 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы», п.1 «Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем», п.2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем» и п. 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических
11
комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов
эффективного управления».
Апробация результатов работы
Основные научные положения и результаты диссертационной работы были представлены и докладывались на семинарах отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики НИ ТПУ, на производственных совещаниях АО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнёва, а также на следующих конференциях: ХХ1 Международная научно-практическая конференция
«Решетневские чтения» (Красноярск, 2017 г.), ХХ научно-техническая
конференция «Электронные и электромеханические системы и устройства» (АО «НПЦ «Полюс», г. Томск, 2020 г.), ХХ научно-техническая конференция молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства» (АО «НПЦ «Полюс», г. Томск, 2018 г.), XXI международная конференция молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM 2020)» (дистанционно).
В период аспирантской подготовки результаты исследований докладывались на семинарах отделения электроэнергетики и электротехники Инженерной школы энергетики НИ ТПУ и отделения электрического проектирования и испытаний космических аппаратов АО «ИСС».
Публикации
Основные положения и результаты проведенных исследований отражены в 14 публикациях, из них 4 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, 1 - в индексируемых базах Scopus и Web of Science, получено 3 патента на изобретения, 1 свидетельство на программу для ЭВМ, в материалах конференций опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список литературы из 87 наименований. Диссертация изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, 25 таблиц, 2 приложения.
Основное содержание работы
В первой главе рассмотрены структурные схемы и типы силовых преобразователей энергопреобразующей аппаратуры СЭП геостационарных КА. Показаны преимущества разработанных структурных схем СЭП КА, где в качестве силовых преобразователей применяются мостовые резонансные инверторы. Отмечено, что данные СЭП позволяют осуществлять оптимизацию энергомассовых характеристик за счет изменения количества последовательно и параллельно соединенных элементов в БС и АБ. Рассмотрена известная методика формирования требований к СЭП, основанная на выполнении расчета энергетического баланса КА. Сформулирован критерий оптимизации энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА. Рассмотрены известные имитационные модели СЭП КА. Сформированы требования к разработке имитационной модели СЭП КА как к инструменту расчета энергетического баланса КА, обеспечивающей возможность проведения оптимизации энергомассовых характеристик СЭП.
Во второй главе разработана имитационная модель СЭП в статических режимах работы, обеспечивающая возможность расчета энергетического баланса КА с учетом нестационарности характеристик БС и АБ, возможности масштабирования количественного состава элементов БС и АБ, заряда АБ в квазипотенциостатическом режиме, обеспечения преимущественного
использования и экстремального регулирования мощности БС. Разработана и применена в имитационной модели СЭП методика оценки параметров энергетической эффективности ЭПА в виде линейной модели. Обоснована эквивалентность параметра энергетической эффективности ЭПА - КПД и вновь введенных параметров энергетической эффективности ЭПА: «коэффициент передачи мощности» и «собственное потребление».
В третьей главе сформулированы функции расчета массы элементов СЭП для проведения оптимизации энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА. Исследованы возможности оптимизации подсистемы СЭП, состоящей из БС и бортовой кабельной сети (БКС) БС, а также подсистемы СЭП,
13 состоящей из АБ и БКС АБ. Установлено, что с ростом количества последовательно соединенных фотопреобразователей в БС удельная мощность системы БС - БКС БС растет с возможным образованием локальных экстремумов. Установлено, что существует область значений количества последовательно соединенных аккумуляторов в АБ, для которой удельная энергия системы АБ - БКС АБ максимальна. Разработана методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП с использованием имитационной модели СЭП. Получены поверхности удельной мощности СЭП геостационарного КА, зависящие от количества последовательно соединенных элементов в БС и АБ. Показано, что разработанная методика обеспечивает нахождение экстремума энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА в заданном диапазоне изменения последовательно соединенных элементов в БС и АБ. Сформированы предложения по оптимальным параметрам СЭП геостационарных КА, соответствующим максимальному значению удельной мощности СЭП.
В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований. Подтверждена адекватность имитационной модели СЭП по результатам испытаний опытных образцов БС, АБ и ЭПА. Приведено используемое при проведении испытаний оборудование. Исследована адекватность оценки энергомассовых характеристик СЭП по предложенной методике в сравнении с энергомассовыми характеристиками известных образцов СЭП геостационарных КА. Показано, что полученные по предложенной методике значения энергомассовых характеристик СЭП коррелируют со значениями энергомассовых характеристик реальных образцов СЭП.
В заключении представлены основные результаты диссертационного исследования.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Букрееву Виктору Григорьевичу, а также начальнику отдела разработки бортовых систем электропитания космических аппаратов АО «ИСС» Нестеришину Михаилу Владленовичу и к.т.н. Лелекову Александру Тимофеевичу за всестороннюю поддержку и консультации по теме диссертационной работы.
В диссертации рассмотрены теоретические и практические решения, направленные на улучшение энергомассовых характеристик СЭП геостационарного КА. Выполненные исследования представлены следующими новыми результатами.
1. Предложенная модульная структура СЭП позволяет реализовать гальваническую развязку БС и АБ от полезной нагрузки космического аппарата и обеспечить повышение энергомассовых характеристик за счет изменения рабочих диапазонов напряжений АБ и БС для заданной мощности системы электропитания.
2. Разработанная методика оценки энергетической эффективности ЭПА СЭП
обеспечивает определение с заданной погрешностью (до 1,5 %) параметров
энергетической эффективности ЭПА различной структуры и типов силовых преобразователей при расчете энергетического баланса КА.
3. Созданная имитационная модель СЭП обеспечивает расчет энергетического баланса КА и оптимизацию энергомассовых характеристик СЭП предложенной структуры и типа силовых преобразователей ЭПА для статических режимов работы полезной нагрузки аппарата. Максимальное различие теоретических и экспериментальных результатов расчета составляет не более 3%.
4. Разработанная методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП позволяет аргументировано сформулировать требования к СЭП предложенной структуры и типа силовых преобразователей ЭПА и обеспечить достижение максимальной удельной мощности в заданном допустимом диапазоне изменения количества последовательно соединенных ФП в БС и аккумуляторов в АБ.
5. Методика оптимизации улучшает удельные характеристик СЭП, примерно на 3^4 %, значительно сокращает временные затраты на начальных стадиях проектирования новых геостационарных КА, создаваемых в ОАО «ИСС» по ряду федеральных программ. Планируемый срок достижения практического эффекта
от результатов оптимизации СЭП при разработке конструкторской документации - 2023:2025 гг. и при создании опытных образцов оборудования - 2025:2027 гг.
6. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов оптимизации энергомассовых характеристик СЭП определяется возможностью введения дополнительно как минимум одного транспондера полезной нагрузки для геостационарного космического аппарата типа «Экспресс-АМ5» мощностью 13 кВт.
1. Предложенная модульная структура СЭП позволяет реализовать гальваническую развязку БС и АБ от полезной нагрузки космического аппарата и обеспечить повышение энергомассовых характеристик за счет изменения рабочих диапазонов напряжений АБ и БС для заданной мощности системы электропитания.
2. Разработанная методика оценки энергетической эффективности ЭПА СЭП
обеспечивает определение с заданной погрешностью (до 1,5 %) параметров
энергетической эффективности ЭПА различной структуры и типов силовых преобразователей при расчете энергетического баланса КА.
3. Созданная имитационная модель СЭП обеспечивает расчет энергетического баланса КА и оптимизацию энергомассовых характеристик СЭП предложенной структуры и типа силовых преобразователей ЭПА для статических режимов работы полезной нагрузки аппарата. Максимальное различие теоретических и экспериментальных результатов расчета составляет не более 3%.
4. Разработанная методика оптимизации энергомассовых характеристик СЭП позволяет аргументировано сформулировать требования к СЭП предложенной структуры и типа силовых преобразователей ЭПА и обеспечить достижение максимальной удельной мощности в заданном допустимом диапазоне изменения количества последовательно соединенных ФП в БС и аккумуляторов в АБ.
5. Методика оптимизации улучшает удельные характеристик СЭП, примерно на 3^4 %, значительно сокращает временные затраты на начальных стадиях проектирования новых геостационарных КА, создаваемых в ОАО «ИСС» по ряду федеральных программ. Планируемый срок достижения практического эффекта
от результатов оптимизации СЭП при разработке конструкторской документации - 2023:2025 гг. и при создании опытных образцов оборудования - 2025:2027 гг.
6. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов оптимизации энергомассовых характеристик СЭП определяется возможностью введения дополнительно как минимум одного транспондера полезной нагрузки для геостационарного космического аппарата типа «Экспресс-АМ5» мощностью 13 кВт.
