王宏佳，于 磊，黨 蓉

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

1 引言

隨著中國載人航天工程的推進，載人航天器配電控制系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出配電電壓高、設備數(shù)量多、控制需求復雜的特點，對設計研制高電壓、高效率配電控制系統(tǒng)提出了要求[1-2]。

目前，國際空間站采用124 V母線，系統(tǒng)配電采用兩級電源變換的方案[3]，歐洲的自動轉(zhuǎn)移飛行器(Automated Transfer Vehicle，ATV)采用28 V母線[4]，SpaceX公司龍飛船采用120 V/28 V兩種母線電壓[5]。國內(nèi)深空探測[6]、遙感衛(wèi)星[7]、小衛(wèi)星[8]等采用將母線直接輸送到負載或?qū)⒛妇€統(tǒng)一變換到負載所需電壓后輸送到負載兩種形式，但大都采用低壓42 V、28 V母線體制。我國天宮一號空間實驗室、東四平臺采用100 V母線，大部分負載供電為兩級電源變換方案，負載用電設備的工作電壓一般為±12 V、±5 V、3.3 V等低電壓[9-10]。100 V配電的航天器通常采用兩級變換方案：第一級通常設置在一次母線配電器內(nèi)部進行集中變換為低壓傳輸使用，第二級變換設置在負載設備端。第一級功率變換可以采用定制大功率DC/DC實現(xiàn)，低壓傳輸保證了供電安全性[11-12]。由于配電通路存在兩個功率變換環(huán)節(jié)，隨著負載設備數(shù)量和功耗的增加，變換損耗隨之提高，傳輸效率降低，導致配電可靠性降低[13-14]。此外，在載人航天器內(nèi)部，負載設備經(jīng)常是分散布局，配電電纜布線復雜，低壓輸電會帶來電纜質(zhì)量的增加[15]。

本文針對天舟一號貨運飛船配電系統(tǒng)的設計特點，綜合負載設備配電、火工裝置引爆、組合體間并網(wǎng)供電等需求，統(tǒng)籌負載設備安裝位置、功率變換效率、電纜壓降等設計因素，對負載設備低壓供電需求采用單級變換形式，采用通用化方法設計配電控制器，以實現(xiàn)配電系統(tǒng)的高效、安全、可靠和在軌運行。

2 分散配電控制系統(tǒng)設計

2.1 配電控制系統(tǒng)設計

天舟一號貨運飛船的負載配電具有以下特點：

1)供電電壓高。除部分熱控加熱片、推進閥門、電機、傳感器采用28 V供電外，其余電子單機均采用100 V供電。多數(shù)設備都有配電開關(guān)控制的要求。

2)數(shù)量多、布局分散。不同種類的采用100 V、28 V供電的設備，分散布局在各個艙段的儀器板、艙內(nèi)壁、艙外安裝支架等位置。相應的配電電纜網(wǎng)布線復雜，電纜傳輸損耗不容忽視。

3)能量轉(zhuǎn)換效率要求高。負載設備接收100 V或28 V電壓后通常需變換為低壓使用，傳統(tǒng)兩級電壓變換方式導致的效率較低問題需優(yōu)化解決。

4)新增并網(wǎng)供電功能。未來載人航天器停靠空間站期間，從能源供給角度提出了組合體之間雙向并網(wǎng)供電要求。

本文針對上述配電特點，提出“100 V傳輸、區(qū)域分散配電、配電設備通用”的分散配電控制設計思路，建立100 V分散配電控制系統(tǒng)(如圖1所示)，實現(xiàn)負載的配電控制。其中，功率管理器作為電源系統(tǒng)到配電控制系統(tǒng)的功率輸出端口，匯集了分流調(diào)節(jié)器和放電調(diào)節(jié)器的功率輸出，為配電系統(tǒng)提供100 V功率母線。

分散配電控制系統(tǒng)主要由母線控制單元、100 V/28 V配電控制器、火工控制裝置、并網(wǎng)控制器及電纜網(wǎng)組成，分別實現(xiàn)負載設備配電控制、火工裝置引爆控制、并網(wǎng)供電控制功能：

1)配電功能。為減少主功率線路中的串聯(lián)環(huán)節(jié)，首先將電源系統(tǒng)提供的100 V主功率線路，通過1臺母線控制單元轉(zhuǎn)接成若干路100 V，通過電纜網(wǎng)送到航天器各艙段配電區(qū)域的100 V配電控制器，實現(xiàn)100 V直接傳輸，分散配置。同時由母線控制單元內(nèi)部DC/DC變換產(chǎn)生指令母線，實現(xiàn)與100 V供電母線隔離。同以往集中式低壓配電控制系統(tǒng)相比，從傳輸效率、系統(tǒng)重量、配電網(wǎng)拓撲可靠性、電纜網(wǎng)布局布線、配電產(chǎn)品繼承性等進行了綜合比較，根據(jù)各艙段負載設備布局，就近設置若干臺100 V配電控制器和28 V配電控制器實現(xiàn)區(qū)域配電控制。根據(jù)各個配電區(qū)域的配電輸出通路的數(shù)量、功率和分布位置，按照通用化設計思路進行配電功能整合，實現(xiàn)各個區(qū)域100 V、28 V配電控制器的統(tǒng)一設計。

圖1 100 V分散配電控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of 100 V power distribution system with disperse control

2)火工裝置引爆功能。根據(jù)火工品布局位置，在不同艙段配置若干火工控制裝置，根據(jù)指令實現(xiàn)可靠引爆。為保證火工品供電電源的獨立可靠，火工品供電電源采用從電源分系統(tǒng)電池組通過中間抽頭的形式提供，從不同電池組引出多個獨立火工品母線以實現(xiàn)冗余備份。

3)并網(wǎng)供電控制功能。根據(jù)停靠空間站期間的并網(wǎng)功率需求設置并網(wǎng)控制器，實現(xiàn)組合體間的雙向并網(wǎng)供電?？臻g站側(cè)作為并網(wǎng)主導端，采用恒流限壓工作方式，以實現(xiàn)并網(wǎng)功率的精確調(diào)節(jié)；來訪飛行器側(cè)作為并網(wǎng)從屬端，設置雙向功率控制開關(guān)，控制功率流向，并采取必要的限流保護措施以確保并網(wǎng)安全。

分散配電控制系統(tǒng)設計主要優(yōu)勢在于：①在100 V分散配電控制系統(tǒng)中，采用單級功率變換設計方式，將電源系統(tǒng)產(chǎn)生的100 V高壓直流母線長距離直接輸送到用電負載端，由負載端DC/DC變換器進行一次電壓變換后使用，可以解決傳統(tǒng)兩級串聯(lián)變換帶來的變換損耗大、整體變換效率低的問題；②按照配電系統(tǒng)重量最優(yōu)、電纜損耗最小、配電通路使用效率最高、配電路徑及電纜長度最短、盡量避免熱分布集中的目標，對航天器的配電系統(tǒng)體系進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可實現(xiàn)配電控制器乃至配電功率通路的通用化設計。

2.2 單級功率變換設計

為實現(xiàn)100 V輸電，降低變換損耗，提高配電功率利用率，在配電通路設計方面，100 V配電控制器端不再設置DC/DC變換器，100 V直接傳輸?shù)截撦d設備，在負載設備端設置一級DC/DC變換器，實現(xiàn)負載設備內(nèi)部電路板供電。同時，將28 V配電控制器也視為100 V配電控制器的負載，接收100 V直接配電后，經(jīng)過一級DC/DC變換為28 V電壓，為加熱片、電磁閥等28 V負載直接配電。

傳統(tǒng)兩級變換結(jié)構(gòu)與單級變換結(jié)構(gòu)比較見圖2。單級變換結(jié)構(gòu)中，從100 V母線到負載設備的配電通路上僅存在單級功率變換，在設計上保證了降低損耗、提高效率。

圖2 配電通路上功率變換結(jié)構(gòu)比較Fig.2 Comparison of voltage conversion structure in the power channels

2.3 配電控制器通用化設計

根據(jù)負載電壓需求不同，配電控制器分為100 V配電控制器和28 V配電控制器。

1)100 V配電控制器

100 V配電控制器的配電通道按照最大區(qū)域負載需求進行配置，包括：艙內(nèi)100 V供電控制通路、艙外100 V供電控制通路；同時設置若干路100 V直接輸出供電通路，用以滿足分系統(tǒng)單機內(nèi)部供電控制的負載需求。其中，100 V供電控制通路采用繼電器控制輸出，均帶有霍爾電流測量功能，其中部分按照8 A通道設計，用于滿足峰值功率輸出要求；其余均按照5 A通道設計。為防止艙外100 V負載設備短路故障時對主母線造成影響，在艙外100 V供電控制通路輸出端設置熔斷器電路。

每臺100 V配電控制器設置若干路100 V直接輸出，其中部分按照最大允許電流a檔設計，帶有霍爾電流測量功能，用以滿足隨整船啟動設備等小功率負載需求；另一部分按照最大允許電流b檔設計，無霍爾電流測量功能，用于滿足28 V配電控制、試驗載荷等大功率設備需求，由負載進行電流測量。

100 V配電控制器功能框圖如圖3。

圖3 100 V配電控制器功能框圖Fig.3 Function diagram of 100 V power distributor

2)28 V配電控制器

28 V配電控制器接收100 V配電控制器提供的100 V電源，通過內(nèi)部100 V/28 V電壓變換，為28 V負載設備提供電源。采用類似設計思想，28 V配電通道設計包括：若干路15 A供電控制通路，1 A開關(guān)供電控制通路；同時設置28 V直接輸出供電通路。

28 V配電控制器采用若干個DC/DC模塊并聯(lián)輸出熱備份的結(jié)構(gòu),每個DC/DC模塊均可通過發(fā)送指令進行通斷控制。實現(xiàn)了負載輸出能力的提升和配電冗余設計。

28 V配電控制器功能框圖如圖4。

圖4 28 V配電控制器功能框圖Fig.4 Function diagram of 28 V power distributor

2.4 并網(wǎng)控制器設計

來訪飛行器與空間站之間的雙向并網(wǎng)供電通過配置并網(wǎng)控制器來實現(xiàn)。并網(wǎng)控制器的功率通道，一方面接收100 V空間站母線輸入，提供100 V控制輸出給來訪飛行器母線控制單元，另一方面接收100 V來訪飛行器母線輸入，提供100 V控制輸出給空間站母線。

采用變流限壓式功率變換實現(xiàn)航天器間并網(wǎng)供電，并網(wǎng)控制器輸出特性為恒流限壓源，并網(wǎng)功率(電流)輸出可調(diào)。正常并網(wǎng)工作時，并網(wǎng)控制器以恒流源形式輸出功率，并網(wǎng)控制器不參與母線電壓控制，空間站及來訪飛行器分別由各自的電源系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定。當系統(tǒng)負載功率小于并網(wǎng)控制器設定輸出功率時，并網(wǎng)控制器輸出限壓，對并網(wǎng)功率輸出側(cè)母線電壓進行閉環(huán)控制，防止母線電壓不可控。

為確保并網(wǎng)供電安全，在來訪飛行器向空間站并網(wǎng)供電前，需檢測輸出通道是否存在短路；在來訪飛行器向空間站并網(wǎng)供電過程中，實時檢測并網(wǎng)電流，若并網(wǎng)電流達到限流值，跳閘斷開并網(wǎng)功率通路。

并網(wǎng)控制器功能框圖如圖5。

圖5 并網(wǎng)控制器功能框圖Fig.5 Function diagram of grid-connection controller

3 地面試驗及飛行試驗驗證

本文提出的分散配電控制系統(tǒng)設計在中國首艘貨運飛船天舟一號上獲得應用，經(jīng)過了地面試驗及在軌飛行試驗驗證。

3.1 地面試驗

綜合測試期間，對100 V配電、28 V配電控制通路進行了全面驗證，經(jīng)過測試表明，配電控制體系設計協(xié)調(diào)，100 V、28 V配電控制開關(guān)設置合理，滿足各飛行任務設備加斷電控制需求。圖6所示為穩(wěn)態(tài)供電期間母線電壓紋波和進出影期間母線電壓測試波形：穩(wěn)態(tài)工作期間100 V、28 V狀態(tài)穩(wěn)定，電壓紋波滿足要求；進、出影期間100 V母線電壓波動滿足設計指標要求，其中出影后母線電壓由太陽電池陣輸出分流調(diào)節(jié)，進影后母線電壓由蓄電池輸出放電調(diào)節(jié)。

圖6 試驗波形Fig.6 Experimental waveforms

對空間站與來訪飛行器恒流限壓式并網(wǎng)供電方案進行試驗，驗證2000 W并網(wǎng)功能、并網(wǎng)功率分檔調(diào)節(jié)功能、并網(wǎng)功率接入/斷開工作時序、故障隔離功能。試驗結(jié)果表明，并網(wǎng)功能工作正常，時序設計合理、并網(wǎng)供電效率實測大于90%，滿足要求。

圖7為并網(wǎng)功率階躍調(diào)節(jié)試驗波形，系統(tǒng)負載設置為2200 W，并網(wǎng)輸出功率進行從0到2000 W階躍測試，在此期間并網(wǎng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并網(wǎng)控制器工作在恒流模式，母線電壓由航天器器電源系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在100.5～101.2 V范圍內(nèi)。

圖7 并網(wǎng)功率階躍調(diào)節(jié)試驗波形Fig.7 Grid-connection power step adjustment test waveforms

3.2 飛行試驗

2017年4月20日天舟一號貨運飛船發(fā)射入軌后，與天宮二號空間實驗室完成了首次在軌推進劑補加任務和首次自主快速交會對接任務。

圖8為100 V配電母線電壓、28 V配電電壓遙測波形。飛行任務期間100 V、28 V電壓穩(wěn)定，供電能力充足，進影、出影期間100 V母線電壓波動滿足設計指標要求。

圖8 100 V、28 V母線電壓波形Fig.8 100 V and 28 V bus voltage waveforms

圖9為整船負載曲線。整船負載設備按飛行程序安排實現(xiàn)了可靠的加斷電控制，配電功率滿足負載所需，配電控制器、火工控制裝置、并網(wǎng)控制器工作狀態(tài)穩(wěn)定，遙測參數(shù)正常。所設計的分散配電控制系統(tǒng)經(jīng)過了飛行試驗的考核。

圖9 整船負載曲線Fig.9 Load power waveforms

相對傳統(tǒng)兩級變換，配電系統(tǒng)變換效率提高了8%。模塊體積、重量均變小，優(yōu)化了系統(tǒng)重量。經(jīng)實際評估，功耗節(jié)約近200 W，系統(tǒng)重量優(yōu)化近30 kg。

4 結(jié)論

根據(jù)天舟一號貨運飛船負載配電控制特點，提出了“100 V傳輸、區(qū)域分散配電、配電設備通用”的分散配電控制系統(tǒng)設計方案。

1)綜合配電分散控制和單級功率變換的設計思路，給出了配電器、并網(wǎng)控制器設計方案，經(jīng)過了地面試驗和飛行試驗驗證。

2)經(jīng)在軌評估，配電系統(tǒng)傳輸效率提高了8%，電纜重量優(yōu)化約30 kg。

3)實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的高效、安全、可靠運行，為后續(xù)載人型號配電控制奠定了技術(shù)基礎。