張明 劉奕宏 李海津 張文佳 張曉峰 夏寧 朱立穎 穆浩 劉震

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

為適應(yīng)我國(guó)未來(lái)航天器任務(wù)需求，電源系統(tǒng)將面臨超高壓大功率、高效智能、輕量化高集成、長(zhǎng)壽命高可靠等挑戰(zhàn)，新一代航天器平臺(tái)的需求大力推動(dòng)了電源系統(tǒng)向大功率、智能化和高可靠自主管理的方向發(fā)展。航天器功率需求在逐步提高，幾乎每隔7年就增加1倍。為了滿足功率需求的不斷增加，同時(shí)提高系統(tǒng)效率并降低平臺(tái)質(zhì)量，航天器高壓供電系統(tǒng)已經(jīng)成為必然的選擇。隨著任務(wù)需求和技術(shù)的發(fā)展，航天器母線電壓也越來(lái)越高，從最初28 V發(fā)展到50 V(國(guó)內(nèi)為42 V)，100 V，120 V。國(guó)內(nèi)外在100 kW航天器電源系統(tǒng)方面的研究經(jīng)驗(yàn)較少，系統(tǒng)拓?fù)?、控制策略、高壓大功率變換、多通道并網(wǎng)管理、高壓元器件等方面亟需開(kāi)展研究。

本文結(jié)合未來(lái)航天器任務(wù)需求和研制現(xiàn)狀，對(duì)100 kW電源系統(tǒng)的任務(wù)特點(diǎn)、母線體制、系統(tǒng)拓?fù)洹⒔M成配置和系統(tǒng)控制策略等開(kāi)展研究；針對(duì)高壓大功率變換與安全控制技術(shù)、多通道能源智能管理和高壓大功率器件等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，可為后續(xù)高壓大功率電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

傳統(tǒng)的分布式電源系統(tǒng)是指采用母線變換器將不穩(wěn)定的源電壓轉(zhuǎn)化為一個(gè)穩(wěn)定的母線電壓，再通過(guò)多級(jí)直流/直流(DC/DC)變換器將母線電壓轉(zhuǎn)化為多種等級(jí)的電壓，為負(fù)載供電。這類供配電系統(tǒng)是航天器、艦船、通信基站及大型計(jì)算機(jī)等用電設(shè)備的核心部件，它的性能和可靠性直接影響到各個(gè)用電設(shè)備乃至整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。分布式電源系統(tǒng)是一種混合電源系統(tǒng)架構(gòu)，概念來(lái)源于分布式可重構(gòu)空間系統(tǒng)的研究，是空間電源系統(tǒng)發(fā)展的方向之一[1]。通常在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)的各個(gè)變換器模塊單獨(dú)工作時(shí)都是穩(wěn)定的。

在地面應(yīng)用中，分布式可重構(gòu)電源系統(tǒng)概念及技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，這類分布式電源是促進(jìn)風(fēng)能、光伏太陽(yáng)能等分散式可再生能源的開(kāi)發(fā)利用、提高清潔能源利用效率、解決農(nóng)村地區(qū)電力供應(yīng)問(wèn)題的重要途徑。分布式電源是電力系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，是大電源的重要補(bǔ)充。各個(gè)國(guó)家根據(jù)地理特點(diǎn)發(fā)展著不同的分布式電源系統(tǒng)。類比到空間系統(tǒng)中，太陽(yáng)電池陣列-蓄電池的供配電系統(tǒng)是主要能源來(lái)源方式，如圖1所示。除此之外，燃料電池、核能、飛輪儲(chǔ)能或各個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)電池陣列-蓄電池的供配電系統(tǒng)都可以作為分布式電源，作為模塊化處理，以某一電壓和功率等級(jí)母線作為主母線，通過(guò)能量調(diào)配和功率變換實(shí)現(xiàn)能源并網(wǎng)和結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

圖1 分布式電源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Distributed electrical power system architecture

本文提出的分布式可重構(gòu)電源系統(tǒng)面向100 kW航天器，在標(biāo)準(zhǔn)化的光伏功率模塊、儲(chǔ)能功率模塊和并網(wǎng)功率模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套完整的系統(tǒng)控制策略，可實(shí)現(xiàn)100 kW航天器電源系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 母線電壓

通信衛(wèi)星、民用高分辨合成孔徑雷達(dá)(SAR)、空間太陽(yáng)能電站、空間核動(dòng)力航天器、大型在軌服務(wù)站等大功率航天器，對(duì)超大功率能源系統(tǒng)需求不斷增強(qiáng)，50～100 kW級(jí)超大功率電源系統(tǒng)成為未來(lái)大功率航天器能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。根據(jù)民用航天“十三五”技術(shù)預(yù)先研究項(xiàng)目指南，地球靜止軌道(GEO)大功率高分辨率SAR衛(wèi)星預(yù)計(jì)短期功率需求為50～80 kW；核動(dòng)力航天器輸出電功率為100 kW，設(shè)計(jì)母線電壓為400～600 V；大功率電推進(jìn)系統(tǒng)使用功率為20～50 kW；超大型可重構(gòu)綜合航天器平臺(tái)總功率大于60 kW；太空發(fā)電站演示驗(yàn)證電站功率為兆瓦級(jí)，預(yù)計(jì)母線電壓將達(dá)到5000 V[4-6]。

提高母線電壓是降低線路損耗最有效的途徑。以100 kW電源系統(tǒng)為例，當(dāng)線路傳輸距離為30 m時(shí)，線路阻抗為10 mΩ，若采用100 V母線電壓，線路傳輸電流為1000 A，線路損耗為10 kW，損耗比高達(dá)10%；若采用400 V母線電壓，線路傳輸電流為250 A，線路損耗為625 W，線路損耗僅為0.6%。按照傳統(tǒng)定義，200 V以上空間應(yīng)用的電源系統(tǒng)為高壓電源系統(tǒng)。表1列舉了不同電壓等級(jí)，傳輸20 kW和100 kW功率所需配電導(dǎo)線質(zhì)量，可以看出，100 kW航天器的母線電壓至少需要提高到200 V，電纜質(zhì)量損失控制才能控制在可接受范圍之內(nèi)。

考慮到系統(tǒng)功率的可擴(kuò)展性，結(jié)合高壓功率器件的現(xiàn)有技術(shù)水平，本文采用400 V系統(tǒng)母線。

表1 配電銅導(dǎo)線線纜質(zhì)量與功率、電壓關(guān)系Table 1 Relationship among copper wire weight, power and voltage

1.2 電源架構(gòu)與體制分析

按照負(fù)載特性分類，電源系統(tǒng)需要適應(yīng)供電穩(wěn)定的平臺(tái)負(fù)載和峰值功率大、響應(yīng)快的脈沖負(fù)載。平臺(tái)負(fù)載功率需求穩(wěn)定，對(duì)母線品質(zhì)要求較高，通常設(shè)置一條全調(diào)節(jié)母線，以實(shí)現(xiàn)高效、精確的控制，其主要服務(wù)對(duì)象是航天器平臺(tái)分系統(tǒng)，包括數(shù)管、測(cè)控、控制、推進(jìn)、熱控等；脈沖負(fù)載短期峰值功率大，要求母線輸出阻抗小、響應(yīng)快，載荷平臺(tái)功率比需要越來(lái)越大，由目前的5∶1大幅度提升至20∶1，通常設(shè)置一條不調(diào)節(jié)脈沖母線，最大限度地滿足大幅度、高頻率和快響應(yīng)的脈沖負(fù)載需求。母線體制有雙獨(dú)立母線體制和復(fù)合母線體制2種方式可選擇。

(1)雙獨(dú)立母線體制(見(jiàn)圖2)，為2條母線配置獨(dú)立的太陽(yáng)電池陣、電源控制設(shè)備及蓄電池組，2條母線在航天器接地點(diǎn)單點(diǎn)共地，一條供給穩(wěn)定負(fù)載，一條供給脈沖負(fù)載。雙獨(dú)立母線體制的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效避免脈沖負(fù)載對(duì)穩(wěn)定負(fù)載的干擾，在滿足載荷設(shè)備供電需求的同時(shí)給平臺(tái)設(shè)備提供較高供電品質(zhì)的母線；但其缺點(diǎn)也相對(duì)明顯，即電源系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量較多，體積質(zhì)量相對(duì)較大，由于每條母線電源獨(dú)立又都要留有一定的安全余量，導(dǎo)致母線能源利用率不高，功率模塊通用性較差，成本較高，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可靠性不高。

圖2 雙獨(dú)立母線體制電源系統(tǒng)拓?fù)銯ig.2 Electrical power system topology of double independent bus system

(2)復(fù)合母線體制(見(jiàn)圖3)，使用不調(diào)節(jié)母線作為首次母線，為脈沖負(fù)載供電，不調(diào)節(jié)母線經(jīng)變換器調(diào)節(jié)后輸出全調(diào)節(jié)母線，為平臺(tái)設(shè)備供電。這種供電體制可以較好地解決大功率SAR衛(wèi)星使用雙獨(dú)立母線體制帶來(lái)的矛盾。復(fù)合母線架構(gòu)平臺(tái)負(fù)載與有效載荷共用太陽(yáng)電池陣、鋰離子蓄電池組和功率調(diào)節(jié)模塊，設(shè)備利用率高，質(zhì)量、體積和成本占優(yōu)勢(shì)。復(fù)合母線體制滿足了脈沖負(fù)載與平臺(tái)的差異化供電需求，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的高效利用，供電系統(tǒng)拓?fù)浜?jiǎn)單。

圖3 復(fù)合母線體制電源系統(tǒng)拓?fù)銯ig.3 Electrical power system topology of compound bus system

1.3 能源管理

對(duì)100 kW或更大功率的航天器，由于太陽(yáng)電池陣和蓄電池組規(guī)模顯著擴(kuò)大，傳統(tǒng)太陽(yáng)電池的統(tǒng)一布陣、統(tǒng)一主誤差放大器(MEA)控制方式將受到嚴(yán)重限制，因此必須對(duì)太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的規(guī)模進(jìn)行分解，研制通用的功率模塊，依托分布式能源系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)，采用能源綜合管理系統(tǒng)，將各功率模塊以“匯流”的方式實(shí)現(xiàn)功率集成，形成功率母線；同時(shí)，對(duì)用電負(fù)載進(jìn)行分類和分區(qū)管理，確保實(shí)現(xiàn)電源供給的無(wú)縫切換。至于系統(tǒng)的擴(kuò)展性，多個(gè)100 kW電源系統(tǒng)之間的能量共享與功率并網(wǎng)同樣需要著重考慮。研制統(tǒng)一通用的功率調(diào)節(jié)模塊，由太陽(yáng)電池功率調(diào)節(jié)(光伏能)、蓄電池充放電調(diào)節(jié)(化學(xué)能)和并網(wǎng)控制調(diào)節(jié)(轉(zhuǎn)換電能)3類功率模塊共同組成100 kW電源系統(tǒng)；同時(shí)，對(duì)3種能源類型實(shí)施多通道能源統(tǒng)一管理，這是解決超大功率航天器能源管理的重要方式。

傳統(tǒng)航天器多采用單層或雙層的控制方式實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的調(diào)度和管理，通常的管理功能主要包括蓄電池管理、負(fù)載管理和各類保護(hù)等內(nèi)容。傳統(tǒng)的單層或雙層控制方式面向單個(gè)航天器，而多個(gè)航天器間、多個(gè)艙段間能源共享的管理需求越來(lái)越復(fù)雜，單個(gè)航天器內(nèi)部的分布式能源單元的種類和數(shù)量大幅度增加，多個(gè)能源單元之間安全、可靠的協(xié)同工作成為必須解決的問(wèn)題，因此分布式大功率航天器能源管理的復(fù)雜度比傳統(tǒng)航天器能源管理大幅度提升。100 kW電源系統(tǒng)采用分層控制的多通道能源管理策略，是實(shí)現(xiàn)分布式大功率航天器電源系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行的必要保障。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

100 kW電源系統(tǒng)配置全調(diào)節(jié)和不調(diào)節(jié)2種母線規(guī)格，設(shè)置一條全調(diào)節(jié)母線用于平臺(tái)負(fù)載，不調(diào)節(jié)母線可根據(jù)蓄電池組和載荷設(shè)備的布局就近設(shè)置一條或多條。平臺(tái)母線由多個(gè)光伏模塊、儲(chǔ)能模塊和并網(wǎng)模塊共同組成，通過(guò)高壓配電模塊向平臺(tái)負(fù)載供電；不調(diào)節(jié)母線由蓄電池組直接引出，向不調(diào)節(jié)負(fù)載直接供電。圖4為系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)。

圖4 系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)Fig.4 System topology architecture

(1)光伏模塊。光伏模塊由太陽(yáng)電池陣和主動(dòng)功率調(diào)節(jié)器組成，主動(dòng)功率調(diào)節(jié)器對(duì)太陽(yáng)電池陣電能進(jìn)行調(diào)節(jié)變換，以標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出額定功率，多個(gè)完全相同的光伏模塊并聯(lián)組成100 kW電源系統(tǒng)。太陽(yáng)電池陣輸出100 V電壓，主動(dòng)功率調(diào)節(jié)器(APR)采用串聯(lián)型MPPT拓?fù)洌瑔蝹€(gè)光伏模塊設(shè)計(jì)輸出功率10 kW/400 V，100 kW電源系統(tǒng)由10個(gè)光伏模塊并聯(lián)形成400 V光照期調(diào)節(jié)母線。

(2)儲(chǔ)能模塊。儲(chǔ)能模塊由蓄電池、充放電單元和蓄電池管理系統(tǒng)組成。其中：蓄電池負(fù)責(zé)能源的儲(chǔ)存；充放電單元對(duì)蓄電池充放電進(jìn)行管理，轉(zhuǎn)變?yōu)槠脚_(tái)母線電壓；蓄電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)與維護(hù)蓄電池組的健康狀態(tài)，對(duì)蓄電池進(jìn)行溫控、均衡與故障管理。單個(gè)儲(chǔ)能模塊輸出5 kW，100 kW電源系統(tǒng)默認(rèn)配置1個(gè)儲(chǔ)能模塊?？筛鶕?jù)實(shí)際需要進(jìn)行多個(gè)儲(chǔ)能模塊并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率擴(kuò)展。

(3)并網(wǎng)模塊。并網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)2個(gè)100 kW電源系統(tǒng)之間的能量共享和傳輸，實(shí)現(xiàn)100 kW電源系統(tǒng)內(nèi)部的平臺(tái)母線和脈沖功率母線之間的能量共享。單個(gè)并網(wǎng)模塊輸出8 kW，功率雙向輸入輸出。當(dāng)本地100 kW電源系統(tǒng)功率輸出不足時(shí)，可引入外部電源系統(tǒng)功率用于本地負(fù)載，外部電源系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺口時(shí)，本地100 kW電源系統(tǒng)可對(duì)外提供輸出功率。

(4)高壓配電模塊。高壓配電模塊負(fù)責(zé)對(duì)平臺(tái)母線、脈沖功率母線的功率控制和分配，供電給調(diào)節(jié)和不調(diào)節(jié)負(fù)載。單個(gè)高壓配電模塊輸出10路高壓配電(單路400 V/5 A)。100 kW電源系統(tǒng)默認(rèn)配置5個(gè)高壓配電模塊，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行多模塊并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展和多級(jí)重構(gòu)。

各種能源模塊(光伏模塊、儲(chǔ)能模塊、并網(wǎng)模塊、高壓配電模塊)之間的能源調(diào)度管理由綜合調(diào)度管理模塊負(fù)責(zé)，各模塊間的信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳遞。

本文提出的100 kW電源系統(tǒng)架構(gòu)共形成3條母線，具體如下。

(1)400 V全調(diào)節(jié)母線1條。400 V母線由本地的100 kW電源系統(tǒng)產(chǎn)生，由10個(gè)光伏模塊、1個(gè)儲(chǔ)能模塊和1個(gè)并網(wǎng)模塊并聯(lián)組成。

(2)不調(diào)節(jié)脈沖母線2條，即A(270 V)和B(270 V)。A(270 V)由本地電源系統(tǒng)儲(chǔ)能模塊中的蓄電池組直接引出，B(270 V)由并網(wǎng)控制模塊提供，能源來(lái)自于外部電源系統(tǒng)。2條母線不并聯(lián)，由并網(wǎng)模塊負(fù)責(zé)切換使用。

2.2 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)采用分布式硬件控制+中央軟件控制的聯(lián)合控制策略。分布式硬件自主控制為主控制方式，當(dāng)中央軟件不介入系統(tǒng)管理時(shí)，分布式硬件系統(tǒng)能夠可靠、安全運(yùn)行；中央軟件控制作為輔助方式，當(dāng)分布式硬件出現(xiàn)故障時(shí)介入管理，確保系統(tǒng)可靠、安全。分布式硬件包括系統(tǒng)組成的各功率調(diào)節(jié)器，中央軟件指系統(tǒng)中的綜合調(diào)度管理模塊。

分布式硬件控制為基礎(chǔ)控制方式，具有控制快速、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微電網(wǎng)的能量控制中[7-10]。系統(tǒng)中的所有功率調(diào)節(jié)模塊(APR、分布式可重構(gòu)雙向功率變換器(DRBC)、蓄電池充電調(diào)節(jié)器(BCR)均是獨(dú)立控制的，各功率調(diào)節(jié)模塊全部采用下垂控制方式，根據(jù)設(shè)定的下垂曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。下垂控制中的母線電壓參考值不是固定值，而是隨輸出功率變化而波動(dòng)。

系統(tǒng)分為4個(gè)控制域，分別為APR域、DRBC域、BCR域和蓄電池放電調(diào)節(jié)器(BDR)域，采用母線電壓Vbus來(lái)區(qū)分4個(gè)域之間的界限。相鄰的2個(gè)域之間設(shè)計(jì)域間死區(qū)，當(dāng)功率輸出與需求平衡時(shí)所對(duì)應(yīng)的Vbus正好處在域和域之間的切換點(diǎn)時(shí)，可以防止域和域之間來(lái)回切換，從而避免因此帶來(lái)的母線波動(dòng)。域的劃分如圖5所示。

注：V1和V9分別為母線電壓的最大值和最小值，V2～V8是兩者之間的取值；PSAMAX為10個(gè)APR輸出功率的最大值；Pload為負(fù)載功率。

功率模塊自身的下垂控制不依賴于通信線，可自主實(shí)現(xiàn)功率平衡，缺點(diǎn)是各功率調(diào)節(jié)器都是電壓源，空載輸出電壓或輸出阻抗的一點(diǎn)偏差，都可以造成輸出電流的較大偏差。系統(tǒng)的多個(gè)功率模塊并聯(lián)輸出時(shí)，功率調(diào)節(jié)模塊之間存在性能差異，會(huì)導(dǎo)致各模塊輸出電流不均衡，輸出電流較大的模塊器件溫度較高，從而使輸出功率大的模塊壽命縮短，降低系統(tǒng)的可靠性，因此必須加以均流控制，克服變換器參數(shù)的偏差。均流功能由中央管理軟件(綜合調(diào)度管理模塊)負(fù)責(zé)，可提高系統(tǒng)控制精度，增加靈活性。系統(tǒng)對(duì)均流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不高，通過(guò)數(shù)據(jù)總線通信做時(shí)間離散的自適應(yīng)均流，該控制方法無(wú)需添加額外的均流母線和相應(yīng)的電路，抗擾能力和可靠性都優(yōu)于傳統(tǒng)的模擬均流方式。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)高壓大功率變換控制技術(shù)。光伏模塊中的APR和儲(chǔ)能模塊中的BCDR，都涉及到400 V母線的大功率變換。APR采用串聯(lián)型MPPT全調(diào)節(jié)拓?fù)?，將太?yáng)電池陣輸出的100 V變換為母線400 V。國(guó)內(nèi)的臨近空間任務(wù)中已經(jīng)應(yīng)用了基于330 V母線的最大功率調(diào)節(jié)技術(shù)，功率等級(jí)為20 kW，其太陽(yáng)電池陣工作點(diǎn)電壓范圍為165～252 V。但在空間環(huán)境應(yīng)用，還需要解決400 V高壓器件選擇和提升效率、降低功率損耗等難題。大功率高壓器件需要通過(guò)碳化硅(SiC)器件專題研究來(lái)解決，設(shè)計(jì)高效的高壓功率電路拓?fù)?，降低開(kāi)關(guān)管應(yīng)力和損耗，降低熱耗，提升效率。

(2)多通道能源管理技術(shù)。開(kāi)展多通道能量管理軟件研制，基于分層管理原則，對(duì)100 kW電源系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控和日常管理。多通道能源管理對(duì)APR，BCDR，PDU，DRBC等功率模塊進(jìn)行能量調(diào)度，通過(guò)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)故障診斷和隔離。多通道能量管理單元可對(duì)各功率模塊的工作狀態(tài)、電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，對(duì)各模塊的工作狀態(tài)和工作模式進(jìn)行控制，包括APR模塊的最大功率點(diǎn)計(jì)算、BCDR模塊電池充放電管理、DRBC模塊的母線重構(gòu)和模式切換。當(dāng)某個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，多通道能量管理單元可自動(dòng)切斷故障模塊，避免故障蔓延[11]。多通道智能管理的主要內(nèi)容包括智能電量管理、健康管理、系統(tǒng)重構(gòu)管理等。

(3)高壓大功率元器件技術(shù)。以SiC和氮化鎵(GaN)為代表的新一代半導(dǎo)體材料，擁有高頻高效、耐高壓、耐高溫等特性，尤其適合應(yīng)用在航天領(lǐng)域。其中：SiC材料起步較早，技術(shù)較為成熟，目前在民用領(lǐng)域的應(yīng)用正在快速發(fā)展，但在航天領(lǐng)域還沒(méi)有得到應(yīng)用。目前，SiC功率整流二極管和功率管的研究已經(jīng)趨于成熟，國(guó)產(chǎn)SiC肖特基二極管的商業(yè)產(chǎn)品達(dá)到600 V/10 A、1200 V/20 A的水平；SiC JBS二極管能夠?qū)崿F(xiàn)的正向電流可以在1.8 V達(dá)到35 A，比導(dǎo)通電阻為2.41 mΩ·cm2，并聯(lián)封裝可使所制器件在3 V時(shí)達(dá)到100 A正向電流，反向擊穿電壓達(dá)到1600 V，反向恢復(fù)時(shí)間為20～150 ns。

(4)系統(tǒng)可靠性、安全性技術(shù)。系統(tǒng)各組成模塊及關(guān)鍵元器件的空間環(huán)境適應(yīng)性需要重點(diǎn)研究，開(kāi)展相關(guān)的環(huán)境驗(yàn)證試驗(yàn)；系統(tǒng)的故障診斷、隔離與恢復(fù)能力將成為重點(diǎn)，綜合調(diào)度管理模塊的自主健康管理和系統(tǒng)重構(gòu)管理負(fù)責(zé)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的快速處理，確保系統(tǒng)安全；400 V母線電壓采用高壓隔離和防護(hù)是確保產(chǎn)品和人員安全、可靠的關(guān)鍵。

2.4 優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

本文提出的100 kW電源系統(tǒng)拓?fù)?，相比傳統(tǒng)的航天器電源系統(tǒng)，將基于通用功率調(diào)節(jié)模塊的下垂控制方式作為主控制策略，配置了綜合能源管理模塊，能確保系統(tǒng)的性能和可靠性，提升系統(tǒng)配置的靈活性。這套系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)的主要優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)如下。

(1)系統(tǒng)架構(gòu)靈活。分布式架構(gòu)能提高光伏電池的布片率和布片靈活性，支持儲(chǔ)能設(shè)備升級(jí)為電源包，提高能源利用率和系統(tǒng)功率密度。分布式架構(gòu)可為電源模塊的模塊化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，針對(duì)不同航天器任務(wù)的可復(fù)用程度高，可實(shí)現(xiàn)商用現(xiàn)貨采購(gòu)。采用的標(biāo)準(zhǔn)模塊也可通過(guò)軟件定義適應(yīng)不同任務(wù)及復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合，極大提升大功率電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。采用數(shù)字智能化技術(shù)使得模塊具有高度的柔性設(shè)計(jì)，為用戶提供系統(tǒng)后續(xù)升級(jí)、重組、拓展的能力。

(2)系統(tǒng)功率擴(kuò)展性好。通過(guò)增加光伏模塊或儲(chǔ)能模塊的數(shù)量來(lái)增加系統(tǒng)輸出功率，通過(guò)增加并網(wǎng)模塊的數(shù)量或功率等級(jí)來(lái)增加本地電源系統(tǒng)與外部電源系統(tǒng)間的共享功率，通過(guò)增加配電模塊的數(shù)量來(lái)適應(yīng)負(fù)載數(shù)量的增加，緩解母線電壓持續(xù)提升的迫切程度。

(3)系統(tǒng)可靠性高。系統(tǒng)中包含多個(gè)發(fā)電模塊、多個(gè)儲(chǔ)能模塊、多個(gè)配電模塊，各個(gè)模塊互為冗余，能提高整個(gè)系統(tǒng)供電的可靠性。由于系統(tǒng)中各模塊采用下垂控制，上位機(jī)故障時(shí)系統(tǒng)中各模塊仍能正常工作，為負(fù)載提供功率。此外，系統(tǒng)具備健康管理及可重構(gòu)能力，出現(xiàn)在軌故障時(shí)，可將故障模塊從系統(tǒng)中切除，避免故障蔓延。另外，可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，滿足負(fù)載的供電需求。

(4)適用廣泛的多特性雙母線。設(shè)置平臺(tái)母線和脈沖功率母線2條不同特性的母線，適用于航天器多種負(fù)載特性，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。平臺(tái)母線主要提供給各類超大型綜合航天器平臺(tái)負(fù)載，脈沖功率母線主要應(yīng)用于大功率高分辨率SAR衛(wèi)星、空間攻防平臺(tái)等航天裝備。根據(jù)需要設(shè)置多條獨(dú)立的平臺(tái)母線和脈沖功率母線，通過(guò)并網(wǎng)控制和配電匯流，顯著提升在軌故障容限能力，增加系統(tǒng)可靠性。

(5)系統(tǒng)管理智能化程度高。綜合調(diào)度管理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的能量調(diào)度，具有較高的靈活性，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能管理，自主識(shí)別與處理部分故障，提升系統(tǒng)的故障容限能力。

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的100 kW電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，在PSIM仿真軟件中搭建了系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)在APR域、DRBC域、BCR域、BDR域及域間切換時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，同時(shí)對(duì)典型故障模式下的系統(tǒng)可靠性進(jìn)行初步分析。搭建的仿真模型中包括2個(gè)APR、1個(gè)DRBC和1個(gè)BCDR共4個(gè)功率模塊，直流母線電壓設(shè)置為400 V。域內(nèi)母線電壓按照APR域403.0～405.0 V，DRBC域401.7～403.0 V，BCDR域400.0～401.7 V來(lái)劃分。具體的系統(tǒng)及模塊的仿真參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6為仿真波形。在圖6中：S1段表示系統(tǒng)工作在APR域，2個(gè)APR模塊為負(fù)載提供功率，BCDR和DRBC模塊不提供負(fù)載功率；S2段表示并網(wǎng)控制器DRBC對(duì)外輸出功率2 kW，此時(shí)系統(tǒng)仍工作在APR域，由APR模塊提供負(fù)載功率及并網(wǎng)輸出功率；S3段與S1段相同；S4段表示負(fù)載增加8 kW，此時(shí)系統(tǒng)工作在DRBC域，2個(gè)APR模塊工作在最大功率模式，單模塊輸出功率8 kW，合計(jì)16 kW，DRBC輸入5 kW，BCDR不輸出功率；S5段表示負(fù)載增加2 kW，此時(shí)系統(tǒng)工作在DRBC域，DRBC輸入7 kW，2個(gè)APR模塊提供最大功率16 kW；S6段與S4段相同；S7段表示負(fù)載增加6 kW，此時(shí)系統(tǒng)工作在BCDR域，2個(gè)APR模塊提供最大功率16 kW，1個(gè)DRBC模塊提供最大輸入功率8 kW，1個(gè)BCDR模塊提供放電功率3 kW。從各個(gè)工作域的切換可以看出：系統(tǒng)母線電壓變化范圍始終小于0.5%，工作狀態(tài)穩(wěn)定。表3為系統(tǒng)工作狀態(tài)。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

圖6 系統(tǒng)各工作模式仿真波形Fig.6 System simulation waveforms of each working mode

表3 系統(tǒng)工作狀態(tài)Table 3 System operation states

為了驗(yàn)證系統(tǒng)控制策略的魯棒性，對(duì)1個(gè)APR模塊發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)的工作情況進(jìn)行仿真，仿真波形如圖7所示。系統(tǒng)工作在APR域，2個(gè)APR模塊提供負(fù)載功率13 kW，在0.5 s時(shí)，APR1模塊發(fā)生故障，輸出功率變?yōu)?。母線電壓從403.6 V下降到402.8 V，系統(tǒng)進(jìn)入DRBC域，APR2提供最大功率8 kW，DRBC提供剩余的5 kW；在1.0 s時(shí)，負(fù)載增加到21 kW；在1.2 s時(shí)，增加到23 kW；在1.3 s時(shí)又下降到21 kW。負(fù)載增加變化過(guò)程中母線電壓變化范圍始終小于0.5%，驗(yàn)證了系統(tǒng)在在單個(gè)模塊發(fā)生故障后仍能繼續(xù)為負(fù)載穩(wěn)定供電，無(wú)需通信參與，控制策略具有較高的魯棒性。

圖7 APR1模塊故障時(shí)的系統(tǒng)仿真波形Fig.7 System simulation waveforms with APR1 module failed

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)新一代航天器平臺(tái)的需求推動(dòng)了航天器電源系統(tǒng)向大功率、智能化和高可靠自主管理的方向發(fā)展。航天器任務(wù)對(duì)超大功率能源系統(tǒng)需求不斷增強(qiáng)，50～100 kW超大功率電源系統(tǒng)成為未來(lái)大功率航天器能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文結(jié)合任務(wù)需求和研制現(xiàn)狀，對(duì)100 kW電源系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、母線體制、配置組成和系統(tǒng)控制策略等開(kāi)展研究；結(jié)合現(xiàn)有研制基礎(chǔ)，對(duì)大功率電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理和分析，并采用了PSIM軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，驗(yàn)證了技術(shù)的可行性，可為后續(xù)高壓大功率電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。