夏 彥，黃 文，馮 宇，靳張濤，歐學(xué)東，徐靖皓，帥智康

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

引 言

月球蘊藏著可供人類開發(fā)使用的稀土、鈦等豐富礦產(chǎn)資源[1]，在月球上建立科研站，不僅能對月球進行有效探測和合理開發(fā)，也可為未來火星探索打下堅實基礎(chǔ)。月表配電網(wǎng)架是科研站長久穩(wěn)定供電的動力來源和骨架支撐，是保證科研任務(wù)順利完成、滿足研究人員日常生活的核心保障。從現(xiàn)有世界各國的航天任務(wù)來看，目前仍未有關(guān)于月表配電網(wǎng)架相關(guān)工作的詳細披露。

現(xiàn)有地外探測系統(tǒng)的供能來源主要依靠光伏發(fā)電和儲能相配合[2]。由于月球的自轉(zhuǎn)周期特性，月球科研站將有較長時間處于黑暗中，儲能電池?zé)o法完全滿足供電需求。同時，光伏電池板存在壽命衰減問題，發(fā)電效率逐年遞減[3]，深空條件下定期維護和更換同樣具有較大難度。因此，不受環(huán)境影響、壽命長、功率大、維護簡單的核反應(yīng)堆在深空發(fā)電中的優(yōu)勢凸顯[4]，配置熱電轉(zhuǎn)換裝備可作為月球科研站理想的能量來源。但傳統(tǒng)核反應(yīng)堆體積過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全系數(shù)較低[5]，無法直接應(yīng)用于月表配電網(wǎng)架?，F(xiàn)有載人航天器、衛(wèi)星和深空探測器等航天器的供電架構(gòu)功率傳輸能力通常不足10 kW，電壓等級一般在100 V以下[6]，而月球科研站的負荷類型多，功率通常能夠達到幾kW至幾十kW，需要設(shè)計具備更強功率傳輸能力的分布式供電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。地面大電力系統(tǒng)規(guī)模龐大，設(shè)計和應(yīng)用復(fù)雜，而微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生故障，且存在穩(wěn)定性問題[7]，兩者都難以應(yīng)用于月球空間。同時，月球配電網(wǎng)架的電纜線路存在于惡劣的月球環(huán)境中[8]，極易造成線路故障或設(shè)備損壞，隨著電壓等級和容量的升高，將會帶來網(wǎng)絡(luò)停電甚至癱瘓等更加嚴重的后果。

為了滿足初期月球小規(guī)?？蒲腥蝿?wù)和未來建設(shè)大型月球基地的需要，月表配電網(wǎng)架必須具備高可靠性和可擴展性，設(shè)計通用型模塊化接口，同時具有雙向潮流控制功能，其系統(tǒng)拓撲如圖1所示。微型核反應(yīng)堆具備結(jié)構(gòu)簡單、運行安全、功率密度大等突出優(yōu)勢，能夠為月球空間科研站發(fā)電裝置提供持久的能量來源。本文提出了一種融合微型核反應(yīng)堆的月表高可靠可擴展配電網(wǎng)架設(shè)想，期望能夠為載人登月、月球基地建設(shè)計劃提供有益思考和啟發(fā)。

圖1 月表配電網(wǎng)架系統(tǒng)拓撲圖Fig.1 Topology diagram of monthly distribution grid system

本文第1節(jié)介紹了基于微型核反應(yīng)堆的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，第2節(jié)介紹了基于微型核反應(yīng)堆的配電網(wǎng)架設(shè)想，第3節(jié)介紹了高可靠供電保障技術(shù)，第4節(jié)為設(shè)計實例與功能驗證，第5節(jié)為本文結(jié)論。

1 基于微堆的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)光伏儲能供能系統(tǒng)具有壽命短且易受光照條件影響的缺陷[9-12]，因此，月表配電網(wǎng)架的主電源單元，采用中國自主研發(fā)的斯特林一體化微型反應(yīng)堆電源，選取該電源的主要原因為：

1）直接輸出電能，拓展性好。5 kW既匹配首期演示需求，又能適應(yīng)逐級拓展功率步長。

2）模塊化設(shè)計。模塊化有利于更快速生產(chǎn)、測試與更便利的運輸、管理。

3）緊湊、輕量、自然循環(huán)。對中國的運載能力更友好，對月表重力環(huán)境更友好。

1.1 電源設(shè)計與參數(shù)

電源由反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、堆芯、動力活塞、配氣活塞、直線電機、轉(zhuǎn)鼓控制棒、反射層、熱管、內(nèi)外屏蔽結(jié)構(gòu)等部分組成，各部分結(jié)構(gòu)如圖2所示（散熱器部分顯示）。該電源的原動機部分選用斯特林發(fā)動機，不受氣壓影響，無需與外界交換工質(zhì)，并且對于熱源的包容性強，相比于其它熱機而言，在空間應(yīng)用中具有優(yōu)勢[13-15]；機電轉(zhuǎn)換部分選用直線電機，具有響應(yīng)快、可控性強和結(jié)構(gòu)緊湊等特點，更有利于熱電一體化設(shè)計[16]。該微型反應(yīng)堆將傳統(tǒng)的堆芯系統(tǒng)（一回路）與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（二回路）集成在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)部，直接輸出電能，小型化突出。電源參數(shù)見表1。

圖2 斯特林一體化微型反應(yīng)堆電源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the power supply structure of the Stirling integrated micro-reactor

表1 斯特林一體化微型反應(yīng)堆電源主要參數(shù)Table 1 Main parameters of Stirling integrated micro-reactor power supply

1.2 月表布置方式

電源優(yōu)選采用月球已有的1 m以上深度的小型撞擊坑布置，以電纜引出到20 m以外的星表站供電。采用該布置對著陸器的降落精度或移動性能要求較高，但主要優(yōu)勢在于：

1）采用撞擊結(jié)構(gòu)，無需發(fā)射挖掘設(shè)備；

2）坑壁形成天然的輻射屏蔽，無需發(fā)射電源外屏蔽結(jié)構(gòu)；

3）減少太陽照射，有利于形成相對低溫的電源運行環(huán)境。

仿真計算表明，假設(shè)撞擊坑具有0.1 m高，0.1 m厚環(huán)形邊緣隆起，導(dǎo)致坑邊緣輻射散射，使得陰影區(qū)有劑量增強，經(jīng)計算，以距坑中心20 m處2 m高的圓柱體為劑量面，中子和伽馬輻射劑量率分別為200 mSv/h和10 mSv/h。電源月表布置方式示意圖見圖3。

圖3 電源月表布置方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of layout of the power supply month table

1.3 電源輸出特性

試驗測試表明，在充氣壓力為5.0 MPa時，電源樣機最大輸出功率約為5.3 kW，效率為27.0%。圖4給出了測試的發(fā)電機輸出隨熱功率變化的特性圖，表2給出了發(fā)電機各測試點數(shù)據(jù)，當(dāng)熱功率上升時，斯特林電機的輸出功率、電壓和電流都會隨之上升。

圖4 不同加熱功率條件下發(fā)電機輸出電功率/電流/電壓波形Fig.4 Generator output power/current/voltage under different heating power conditions

表2 5 kW自由活塞斯特林發(fā)電機的輸出特性Table 2 Output characteristics of 5 kW free piston Stirling generator

2 基于微型核反應(yīng)堆的配電網(wǎng)架設(shè)想

2.1 現(xiàn)有供電網(wǎng)絡(luò)參考

月表供電系統(tǒng)配電網(wǎng)可選用交流供電、直流供電，或交直流混合供電方式。相比于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)的優(yōu)點主要有[17-20]：

1）系統(tǒng)內(nèi)有功功率平衡僅取決于直流母線電壓，不存在類似交流系統(tǒng)里的頻率穩(wěn)定、無功功率等問題，可靠性較高；

2）直流線路中無集服效應(yīng)和無功電壓壓降特征，同等條件下直流導(dǎo)線具有更高的電能傳輸能力，有助減小線路導(dǎo)體尺寸及重量；

3）空間大部分負荷，依賴直流電源運行，直接接入直流供電系統(tǒng)可減少交直流變換引起的損耗；儲能電池可直接或經(jīng)DC-DC單級轉(zhuǎn)換后接入直流母線，降低系統(tǒng)能耗。

地面成熟的交流電網(wǎng)采用的變壓器技術(shù)雖成熟、簡單可靠，但就體積及重量而言其航天運輸成本過高。因而綜合考慮可靠性、電能利用率及成本，月表供電系統(tǒng)主干網(wǎng)架選用直流供電方式，局部交流子系統(tǒng)與直流系統(tǒng)之間采用DC-AC連接，以最大限度提升供電系統(tǒng)的靈活性。

直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)主要包括放射狀、兩端供電以及環(huán)狀等[21-22]，如圖5所示。放射狀拓撲結(jié)構(gòu)簡單，便于運行操作，控制保護相對容易，但若系統(tǒng)上游出現(xiàn)故障，易導(dǎo)致大面積停電，供電可靠性相對低。兩端供電拓撲結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需考慮電能雙向流動等特點，故障識別和保護也相對困難。當(dāng)一側(cè)電源發(fā)生故障，另一側(cè)的電源能繼續(xù)給系統(tǒng)提供電力支撐，不會導(dǎo)致大面積停電事故，供電可靠性相對高。環(huán)狀直流配電網(wǎng)中任意一點出現(xiàn)故障，保護裝置隔離故障后系統(tǒng)非故障部分仍可正常運行，環(huán)狀配單網(wǎng)供電結(jié)構(gòu)具備更高的供電可靠性，但系統(tǒng)控制也更復(fù)雜[23]。從供電可靠性角度而言，月表供電系統(tǒng)配電網(wǎng)建議采用兩端供電或環(huán)狀拓撲。

圖5 不同拓撲供電網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Power supply network with different topologies

依據(jù)現(xiàn)有的航天運輸技術(shù)條件，如在月球表面分批次建設(shè)科研基地，每次運輸支持建設(shè)的子系統(tǒng)應(yīng)該為一個完整的供電系統(tǒng)，同時具備可擴展性，以保證子系統(tǒng)能互聯(lián)成為整體系統(tǒng)。如圖6所示，圖中每個分區(qū)均為完整供電系統(tǒng)，分區(qū)之間通過電力聯(lián)絡(luò)線進行互聯(lián)，互聯(lián)的分區(qū)之間經(jīng)控制單元實現(xiàn)潮流交換，圖中的控制單元可能是獨立裝備，也可能集成到分區(qū)系統(tǒng)中（圖中控制單元僅為功能性示意圖）。同時互聯(lián)的分區(qū)之間通過通信線路（有線或無線）進行信息交換，為系統(tǒng)整體能量優(yōu)化調(diào)度提供信息支撐。采用這種分區(qū)互聯(lián)模式的配電網(wǎng)絡(luò)既符合地外星體基地建設(shè)規(guī)律，又能在系統(tǒng)部分分區(qū)出現(xiàn)功率不足時，通過靈活調(diào)用互聯(lián)分區(qū)富裕能量，保證重要負荷的電力支撐，極大提升供電系統(tǒng)可靠性和運行效率。

圖6 配電網(wǎng)分區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.6 Distribution network partition interconnection structure

2.2 高可靠、可擴展的分區(qū)互聯(lián)配網(wǎng)架構(gòu)設(shè)想

2.2.1 輔助發(fā)電系統(tǒng)及其設(shè)計

月表基地含有大量的科研設(shè)備，其中沖擊負荷及其它特種用電裝備在短時間內(nèi)需較大功率支撐，微堆功率輸出較為恒定，需要配備一定容量的儲能裝置平抑能量波動。

1）輔助發(fā)電子系統(tǒng)

光伏發(fā)電已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛行器的電能供給，已被證明是有效成熟的供電技術(shù)[24]。對于月表基地，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以布置于基地外空曠區(qū)域并通過電纜與基地相連接。光伏發(fā)電子系統(tǒng)在月晝時持續(xù)向系統(tǒng)輸送功率，在滿足當(dāng)前能量需求后，由儲能系統(tǒng)負責(zé)存儲多余能量以備后續(xù)使用。光伏發(fā)電系統(tǒng)作為微堆的可選補充，承擔(dān)中長時間尺度上實現(xiàn)月表基地用電功率平衡的作用。月表晝夜溫差達300℃，需要考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)自身的保溫，避免變換器及其功率器件過早失效。月表基地輔助發(fā)電子系統(tǒng)示意圖見圖7。

圖7 月表基地輔助發(fā)電子系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of photovoltaic power generation subsystem of Moon table base

燃料電池已運用在美國“雙子座”載人飛船、航天飛機等，可作為月表配電網(wǎng)架的可選輔助電源。燃料電池是一種將燃料與氧化劑存儲的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。燃料電池不像熱機受到卡諾循環(huán)的限制，因而具備更高的轉(zhuǎn)換效率，可達35%～60%，可滿足空間負荷中長時間尺度下的供電需求。月表基地儲能裝備示意圖見圖8。

圖8 月表基地儲能裝備示意圖Fig.8 Schematic diagram of energy storage equipment in the aerospace field

2）儲能子系統(tǒng)

由于電能生產(chǎn)和消耗具備同時性，因此為了短時間尺度下如滿足沖擊負荷的功率需求和中長期時間尺度下能量的平穩(wěn)供應(yīng)，儲能系統(tǒng)不可或缺?，F(xiàn)有儲能方式通常分為：電能存儲為機械能的飛輪儲能；電能存儲為場能的超級電容；電能存儲為化學(xué)能的空間蓄電池，如鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰電池等。飛輪儲能和超級電容儲能具有優(yōu)良的瞬時功率提供能力，能滿足沖擊負荷的供能需求，但其存儲能量有限，無法在月夜期間長時間、大容量供能。氫鎳電池相比于傳統(tǒng)空間用鎘鎳電池，具有較高的容量和放電倍率以及較長的使用壽命；而相比于鋰電池，具有較高的循環(huán)次數(shù)、較寬的工作溫度范圍，且技術(shù)更加成熟，空間蓄電池可滿足中長時間尺度下的供電需求，但其無法瞬時提供大量能量[25-27]。

綜合考慮，分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)的儲能子系統(tǒng)以氫鎳電池為主，輔以較小比例的超級電容或飛輪儲能。

氫鎳電池的二階RC等效電路模型[28-29]如圖9所示。并聯(lián)的R1、C1表示電池的電化學(xué)極化特性；并聯(lián)的R2、C2表示電池的濃差極化特性；R0表示電池內(nèi)阻；Vocv表示電池開路電壓；Vo表示負載電壓。

圖9 氫鎳電池二階RC等效電路模型Fig.9 Second order RC equivalent circuit model of Ni-MH battery

從等效模型可看出，氫鎳電池存在電池極化現(xiàn)象，會導(dǎo)致充放電過程中發(fā)生電極電位偏移，使得負載電壓Vo與電池開路電壓Vocv存在較大偏差。電池極化現(xiàn)象在傳統(tǒng)的空間用鎘鎳電池和氫鎳電池中都存在，但由于氫鎳電池電化學(xué)極化反應(yīng)時間和濃差極化反應(yīng)時間相對短，相比于鎘鎳電池具有更高的放電倍率。通常氫鎳電池的放電倍率能達20 C，而鎘鎳電池放電倍率僅約5 C。高放電倍率電池可輸出更大電流和功率，相同的電池容量和系統(tǒng)電壓等級下，鎘鎳電池儲能系統(tǒng)的電壓暫降是氫鎳電池儲能系統(tǒng)的4倍，鎘鎳電池出力消除電壓暫降的時間比氫鎳電池慢4.03倍。同時，氫鎳電池比功率可達1 000 W/kg，約為鎘鎳電池的5倍，壽命可達8～15年[25]，還有較好的低溫特性（工作溫度范圍：?20℃～+70℃）[26]，更滿足空間長時間尺度下的供電需求。

3）極端情況供電備份

系統(tǒng)設(shè)備在月表極端環(huán)境中運行將產(chǎn)生極高故障率。此外，太陽電池陣的輸出在晝夜間波動導(dǎo)致母線電壓異常，威脅供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，有必要針對極端情況設(shè)計系統(tǒng)功能與行為。

極端情況系統(tǒng)備份供電啟動流程如圖10所示。不同分區(qū)的電源相互作為備份，當(dāng)某分區(qū)的微型核反應(yīng)堆電源故障時，其它分區(qū)可通過能量路由器等裝置向該分區(qū)傳輸功率，實現(xiàn)能量互濟。而在實際運行中，所有微型核反應(yīng)堆電源同時發(fā)生故障的概率極低。在所有微型核反應(yīng)堆電源均故障且太陽電池陣列沒有輸出的極端情況下，月表配電網(wǎng)架中擁有的儲能系統(tǒng)依然能夠為負荷提供基本電能保障，必要時可切除非關(guān)鍵負荷進行減載處理，保證關(guān)鍵負荷一段時間的正常運行。

圖10 極端情況系統(tǒng)備份供電啟動流程圖Fig.10 System power supply backup flow chart

2.2.2 分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)核心變換器

航天器電源中的用電負載多數(shù)為CPU、FPGA等電子負載，其電壓多為±12 、±5 、3.3 V等，用電功率較小。月表基地分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)電功率等級大約在20 ～50 kW，需100 V高壓甚至300 V等特高壓等級進行供電[30]。同時，因為大功率負荷的存在，難以通過常規(guī)的調(diào)理和變換等手段[31]給不同負載供電?？紤]到供電可靠性、供配電系統(tǒng)設(shè)計的易擴展性以及分區(qū)互聯(lián)的實際需求[32-33]，具備模塊化通用接口的能量路由器將承擔(dān)核心的能量互聯(lián)與分發(fā)角色。設(shè)想的能量路由器結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。

圖11 月表基地能量路由器設(shè)想結(jié)構(gòu)Fig.11 Envisioned structure of energy router for Moon base

高壓直流母線通過電纜與能量路由器連接，經(jīng)過能量路由器內(nèi)部的多級變換產(chǎn)生不同電壓等級的標準化輸出端口，實現(xiàn)用電負荷的即插即用。設(shè)想在互聯(lián)供配電系統(tǒng)的某一高功率非重要負荷區(qū)域，如含有大量電機負荷的工作區(qū)域，其供電將由冗余設(shè)計的能量路由器供應(yīng)。此時，能量路由器通過DC/DC變換產(chǎn)生常用的48 V電機工作電壓、照明電壓和通信電壓。在多個分區(qū)間，能量路由器同樣承擔(dān)能量的分發(fā)和功率流向控制任務(wù)。此時，能量路由器將不再提供各級模塊化接口，而是根據(jù)實際情況決定能量分發(fā)的方式。如在某一時刻，基地A有3 kW功率裕量，基地B和基地C分別各存在2 kW的功率缺額，此時將根據(jù)功率缺額的性質(zhì)和負載的重要性，由能量路由器確定向各個基地分發(fā)的具體數(shù)值。

2.2.3 分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)的繼電保護子系統(tǒng)

由于直流系統(tǒng)固有的故障電流上升速度極快，且不存在過零點難以開斷，導(dǎo)致直流供配電系統(tǒng)一旦故障，將快速威脅區(qū)域內(nèi)負載安全。冗余設(shè)計只是提高了供電可靠性，還需從本質(zhì)上提高健壯性?？紤]以超快速直流固態(tài)斷路器為核心建立分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)繼電保護子系統(tǒng)[34]。超快速直流固態(tài)斷路器通過常通型功率半導(dǎo)體器件SiC JFET作為斷路器動作開關(guān)，能夠在十?dāng)?shù)μs內(nèi)實現(xiàn)電流的無弧開斷，最大限度確保負載的安全，并及時切換到冗余備用線路，實現(xiàn)不間斷供電。

2.3 可擴展分布式架構(gòu)配電網(wǎng)運行控制方法

由于單個電源與儲能設(shè)備的供電能力有限，設(shè)計多類型電源、儲能與負荷的協(xié)同運行控制方法，維持直流母線電壓穩(wěn)定，優(yōu)化分配各類型電源所承擔(dān)的電能負荷。配電網(wǎng)的運行控制可采用如圖12所示的多時間尺度控制架構(gòu)。

圖12 配電網(wǎng)的整體控制架構(gòu)Fig.12 Overall control architecture of the distribution network

為保證反應(yīng)堆工作安全，微堆基本不調(diào)整輸出功率，蓄電池是月表配電網(wǎng)的主要調(diào)節(jié)裝備。在直流系統(tǒng)中，蓄電池作為根據(jù)輸出功率調(diào)整工作電壓，利用下垂控制原理實現(xiàn)多儲能設(shè)備的協(xié)同控制。配電網(wǎng)內(nèi)蓄電池采用分層控制進行整體的協(xié)調(diào)控制。其中本地下垂控制器可以不依賴于寬頻帶通訊，僅需測量本地輸出功率即實現(xiàn)多設(shè)備間協(xié)同工作。隨著配網(wǎng)規(guī)模擴大，可直接將新設(shè)備接入系統(tǒng)，實現(xiàn)并網(wǎng)。儲能的下垂控制方程可簡化表示為

其中：Uo是設(shè)置的空載電壓；P為測量到的輸出功率；kp是設(shè)定的下垂系數(shù)。圖13是下垂控制的原理圖，當(dāng)各儲能逆變器的輸出電壓接近時，輸出功率按下垂系數(shù)進行比例分配，具備基本的電壓控制和功率分配功能，可靠性較高，但控制準確性較差。因此，需利用配電網(wǎng)通訊系統(tǒng)，基于上層控制器調(diào)整下垂系數(shù)、空載電壓等參數(shù)，實現(xiàn)直流電壓無靜差控制，輸出功率精確分配與儲能單元儲存能量的均衡，兼顧配電網(wǎng)控制的可靠性和精確性。光伏作為配電網(wǎng)中的備用電源，可以根據(jù)配電網(wǎng)的工作狀態(tài)調(diào)整工作模式。當(dāng)微堆發(fā)電難以滿足負荷需求時，光伏通過輸出功率避免蓄電池的過度放電。光伏作為輸出功率不完全受控的電流源，不參與系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

圖13 直流下垂控制原理Fig.13 Principle of DC droop control

3 高可靠供電保障技術(shù)

3.1 冗余設(shè)計技術(shù)

對于月表供電系統(tǒng)而言，系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障的顯著特征為：

1）危害性大。月表供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能單一，設(shè)備故障或可導(dǎo)致基地?zé)o法正常運轉(zhuǎn)。

2）人工干預(yù)能力有限。遠離地球的月表基地故障發(fā)生后很難通過人員進行維修。

3）設(shè)備資源有限。受航天運輸成本及運輸效率限制，設(shè)備故障難以通過更換得到恢復(fù)。

冗余是提高系統(tǒng)可靠性的重要途徑[35]，冗余設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)冗余（硬件冗余和軟件冗余）、信息冗余、時間冗余和冗余附加[36]。對月表供電系統(tǒng)進行冗余設(shè)計可從三個方面來考慮：

1）對供電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進行硬件冗余設(shè)計。綜合考慮重量和空間約束條件下達到系統(tǒng)可靠性最高目標，例如供電系統(tǒng)可采用雙母線配置方案、對電能變換裝備進行拓撲冗余優(yōu)化設(shè)計等。

2）對供電系統(tǒng)進行軟件冗余設(shè)計。運用集中式管理理念開展月表供電系統(tǒng)的設(shè)備層級和系統(tǒng)層級的冗余控制系統(tǒng)主要功能設(shè)計，基于并聯(lián)式冗余實現(xiàn)手段從軟件層面主備狀態(tài)和實時數(shù)據(jù)備份來實現(xiàn)熱備冗余功能。

3）核心部件通用模塊化冗余設(shè)計。對功能相同或類似設(shè)備的核心部件進行模塊化設(shè)計，設(shè)計標準統(tǒng)一接口，實現(xiàn)設(shè)備核心部件的即插即用。

冗余設(shè)計技術(shù)在月表高可靠可擴展網(wǎng)架的規(guī)劃建設(shè)中具備可行性，體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）冗余設(shè)計技術(shù)條件成熟，實現(xiàn)過程簡單。月表配電網(wǎng)分區(qū)間的相似性適合通過母線冗余、電能變換裝備冗余、儲能冗余提高供配電系統(tǒng)的可靠性，同時冗余設(shè)計還考慮軟件冗余和設(shè)備模塊化冗余，多層級配合，實現(xiàn)過程無需人工干預(yù)，在月表具有較強的可行性。

2）現(xiàn)有的條件和平臺已經(jīng)具備了冗余設(shè)計技術(shù)的使用基礎(chǔ)，冗余設(shè)計技術(shù)在航天任務(wù)中已成功應(yīng)用。例如“嫦娥五號”月球探測器[37]、皮衛(wèi)星[38]等已經(jīng)使用了相關(guān)硬件冗余技術(shù)，保證航天器在緊急情況下自動處理和硬件切換，提升系統(tǒng)的可靠性。

3.2 數(shù)字孿生監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)

數(shù)字孿生以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學(xué)科、多物理量的動態(tài)虛擬模型，并借助實時數(shù)據(jù)再現(xiàn)物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等，為物理實體增加或擴展新的能力，是一種實現(xiàn)物理世界與信息世界交互與共融的有效方法[39-41]。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于月表供電系統(tǒng)，能夠提高可靠性：

1）模擬月表供電系統(tǒng)運行狀態(tài)。供電系統(tǒng)數(shù)字孿生體能在數(shù)字空間實時反映其行為和狀態(tài)，并以可視化的方式呈現(xiàn)。

2）在線診斷系統(tǒng)健康狀態(tài)。通過相關(guān)傳感器獲取結(jié)構(gòu)狀態(tài)與載荷變化、環(huán)境等信息，結(jié)合數(shù)據(jù)預(yù)處理、信號特征分析、模式識別等技術(shù)，識別系統(tǒng)當(dāng)前損傷狀態(tài)。

3）在線預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)鏈、數(shù)據(jù)接口等技術(shù)連接監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，結(jié)合機器智能等方法驅(qū)動模型的動態(tài)更新，對系統(tǒng)未來狀態(tài)進行異常預(yù)警，便于及時檢修與維護系統(tǒng)。

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于月表供配電系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備具有可行性，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）數(shù)字孿生技術(shù)在解決復(fù)雜系統(tǒng)的監(jiān)測、維護、動態(tài)重構(gòu)方面具有并逐漸展示了先進性[38]。目前數(shù)字孿生技術(shù)成果應(yīng)用于航空器健康維護和剩余壽命預(yù)測、船舶全生命周期管控、電能智能管控、風(fēng)力發(fā)電機齒輪故障預(yù)測等領(lǐng)域，帶來明顯的經(jīng)濟效益[42]。

2）數(shù)字伴飛技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于“嫦娥五號”，實現(xiàn)了對太陽能電池陣輸出功率、蓄電池組電壓電流的實時監(jiān)控、狀態(tài)展示和預(yù)警。月表供配電系統(tǒng)建設(shè)在月球表面，相比航天器而言，運行環(huán)境更加穩(wěn)定，不需要運行姿態(tài)等運動數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)量更小，可行性更強。

4 設(shè)計實例與功能驗證

為了驗證所提高可靠、可擴展的分區(qū)互聯(lián)配網(wǎng)架構(gòu)設(shè)想，本文按照圖14所示的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了100 kW月表直流分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)，并在PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)專業(yè)仿真軟件中搭建了仿真模型，對系統(tǒng)分區(qū)能量互濟和系統(tǒng)故障情況下高可靠運行兩部分功能進行了驗證。如圖14所示，設(shè)計的供配電系統(tǒng)包含3個分區(qū)：分區(qū)1為400 V直流系統(tǒng)，分區(qū)2為750 V直流系統(tǒng)，分區(qū)3為400 V直流系統(tǒng)。分區(qū)1與分區(qū)2之間、分區(qū)2和分區(qū)3之間通過能量路由器連接，能量路由器承擔(dān)雙向潮流和電壓變換的功能。各分區(qū)內(nèi)部各個電源的參數(shù)如表3所示。

圖14 100 kW月表直流分區(qū)互聯(lián)供配電系統(tǒng)拓撲圖Fig.14 Topology diagram of 100 kW DC partition interconnected power supply and distribution system

表3 各分區(qū)內(nèi)部電源參數(shù)Table 3 Power parameters of each partition

4.1 系統(tǒng)分區(qū)能量互濟功能

首先驗證所設(shè)計網(wǎng)架的系統(tǒng)分區(qū)能量互濟功能，仿真結(jié)果如圖15所示，從上到下依次是分區(qū)1、分區(qū)2、分區(qū)3中各電源的輸出功率。

圖15 系統(tǒng)分區(qū)能量互濟功能仿真驗證Fig.15 Simulation verification of system partition energy mutual aid

0.5～1.5 s范圍，系統(tǒng)的3個分區(qū)都處于平穩(wěn)運行。其中，分區(qū)1的斯特林發(fā)電機保持12 kW的恒定功率輸出，由于光照條件和溫度變化緩慢，光伏電池保持大約6 kW的功率輸出，網(wǎng)絡(luò)中由于負荷數(shù)量不多，儲能電池處于充電狀態(tài)，充電功率為7 kW；分區(qū)2的斯特林發(fā)電機保持19 kW的恒定功率輸出，光伏電池保持約14 kW的功率輸出，儲能電池處于放電狀態(tài)，放電功率為6 kW；分區(qū)3的斯特林發(fā)電機保持12 kW的恒定功率輸出，光伏電池保持約8 kW的功率輸出，儲能電池處于充電狀態(tài)，充電功率為7 kW。

1.5～2.5 s范圍，分區(qū)2突然投入一個22 kW的負荷，3個分區(qū)迅速響應(yīng)，進行能量互濟，通過能量路由器進行功率調(diào)度。分區(qū)1和分區(qū)3的儲能電池將充電能量迅速轉(zhuǎn)移給新增負荷使用，且分區(qū)2的儲能電池增加出力，輸出功率達到了14 kW。同時，3個分區(qū)中的斯特林發(fā)電機和光伏電池輸出功率都保持不變。

2.5 s之后，系統(tǒng)切除新增負荷，通過能量路由器的能量調(diào)度功能可以迅速回到原來的狀態(tài)。

4.2 系統(tǒng)故障情況下高可靠運行功能

驗證所設(shè)計網(wǎng)架在故障情況下高可靠運行的功能，仿真結(jié)果如圖16所示，從上到下依次是分區(qū)1、分區(qū)2、分區(qū)3中各電源的輸出功率情況。

圖16 系統(tǒng)繼電保護功能仿真驗證Fig.16 Simulation verification of system relay protection function

0.5～1.5 s范圍，系統(tǒng)的3個分區(qū)都處于平穩(wěn)運行的工作狀態(tài)。其中，分區(qū)1的斯特林發(fā)電機保持12 kW的恒定功率輸出，光伏電池保持大約6 kW的功率輸出，網(wǎng)絡(luò)中由于負荷數(shù)量不多，故儲能電池處于充電狀態(tài)，充電功率為4 kW；分區(qū)2的斯特林發(fā)電機保持18 kW的恒定功率輸出，光伏電池保持約14 kW的功率輸出，儲能電池處于放電狀態(tài)，放電功率為3 kW；分區(qū)3的斯特林發(fā)電機保持12 kW的恒定功率輸出，光伏電池保持約8 kW的功率輸出，儲能電池處于充電狀態(tài)，充電功率為5 kW。

1.5 s時，分區(qū)3突然發(fā)生接地故障。由于能量路由器具有故障保護功能，因此故障發(fā)生時，分區(qū)1和2內(nèi)各電源的輸出特性未受較大影響，分區(qū)3中由于存在故障，導(dǎo)致儲能電池輸出功率迅速增加，儲能裝置的限流功能使輸出功率最大為7 kW額定容量。與此同時，系統(tǒng)的繼電保護裝置迅速動作，在0.1 s內(nèi)將分區(qū)3整個斷開，避免接地故障的影響傳播至其他分區(qū)。分區(qū)3內(nèi)部光伏電池閉鎖，儲能電池停止充放電功能，輸出功率下降至0，分區(qū)3的斯特林發(fā)電機由于功率無法改變，因此采用內(nèi)部熱耗散裝置將多余能量進行消納。

1.6 s時，分區(qū)3被成功斷開后，由于整個系統(tǒng)負荷減少，因此分區(qū)2中的儲能電池出力下降，保證分區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)的能量平衡。

5 結(jié) 論

本文從基于微堆的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、月表配電網(wǎng)架、高可靠供電保障技術(shù)等方面闡述了一種基于微型核反應(yīng)堆的月表高可靠可擴展配電網(wǎng)架設(shè)想，并且深入探討了月表配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、分區(qū)互聯(lián)和運行控制方法，有助于月球科研任務(wù)的開展，推動對月球進行有效探測和合理開發(fā)，為中國航天事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。