Modeling and determining of power conditioning strategies for distributed power networks for aeronautical and spaceborne applications
Modélisation et détermination des stratégies de conditionnement de puissance pour des réseaux de puissance répartis pour des applications embarquées aéronautiques et spatiales.
Résumé
The electrical power system (EPS) is one of the most critical systems, if not the most critical, of a spacecraft considering that a spacecraft is nothing but an electrical system and the purpose of the EPS is to generate, condition, store and distribute electrical power to the entire system. In other words, it is the first link in the food chain and if it stops working, the whole system is lost. The resulting need for robustness and reliability, as well as the particularly isolated and hostile environment in which it must operate, have guided the design choices of the EPS and led to a system with very high efficiency, electrically speaking, but at the cost of a lack of flexibility. Nevertheless, the current context and recent developments give the opportunity to deeply rethink the design of the EPS and this is what CNES and Airbus have been doing for several years. The modular and distributed electrical architecture that has emerged from these developments offers many possibilities in terms of control, but also challenges in terms of stability and optimization. The objective of this thesis is thus to demonstrate that control laws integrated in the conditioning modules allow a regulation of the battery charge and a stability of the onboard network whatever the topology of the power bus and the consumption profiles.To do this, a parametric modeling of the system was carried out by being inspired by the modeling methods used in the problems of terrestrial microgrids. The models of the various elements of the system were thus integrated under Matlab and Matlab Simulink in order to simulate a typical system inspired by satellites developed by the CNES. A thorough bibliographical study was carried out to identify control laws used in similar problems and which would be of interest to be adapted to space applications. These control laws have been tested in simulation, with particular attention to the stability constraints, which allowed to select the most suitable ones in order to validate them experimentally on a demonstrator set up on the same model. Based on these results, a global strategy is proposed.
Le système d'alimentation électrique (EPS) est l'un des systèmes les plus critiques, sinon le plus critique, d'un vaisseau spatial si l'on considère qu'un vaisseau spatial n'est rien d'autre qu'un système électrique et que le but de l'EPS est de générer, conditionner, stocker et distribuer l'énergie électrique à l'ensemble du système. En d'autres termes, il est le premier maillon de la chaîne alimentaire et s'il cesse de fonctionner, c'est tout le système qui est perdu. Le besoin de robustesse et de fiabilité qui en découle, ainsi que l'environnement particulièrement isolé et hostile dans lequel il doit fonctionner, ont orienté les choix de conception du PSE et conduit à un système à très haut rendement, électriquement parlant, mais au prix d'un manque de flexibilité. Néanmoins, le contexte actuel et les développements récents donnent l'opportunité de repenser profondément la conception de l'EPS et c'est ce que le CNES et Airbus font depuis plusieurs années. L'architecture électrique modulaire et distribuée qui a émergé de ces développements offre un grand nombre de possibilités en termes de contrôle, mais aussi des défis en termes de stabilité et d'optimisation. La présente thèse a donc pour objectif de démontrer que des lois de commandes intégrés dans les modules de conditionnement permettent une régulation de la charge batterie et une stabilité du réseau de bord quelle que soit la topologie du bus de puissance et des profils de consommation.Pour ce faire, une modélisation paramétrique du système a été réalisé en s'inspirant des méthodes de modélisation utilisée dans les problématiques de microgrids terrestres. Les modèles des différents éléments du système ont ainsi été intégrés sous Matlab et Matlab Simulink afin de simuler un système typique inspiré de satellites développés par le CNES. Une étude bibliographique approfondie a été réalisée pour identifier des lois de pilotages utilisées dans des problématiques similaires et qui auraient un intérêt à être adaptées sur des applications spatiales. Ces lois de contrôle ont ainsi été testées en simulation, une attention particulières étant portée sur les aspects de stabilité du système, ce qui a permis d'en sélectionner les plus adaptées afin de les valider expérimentalement sur un démonstrateur mis en place sur le même modèle. Basée sur ces résultats, une stratégie globale est proposée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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