王宇鵬，周新順，萬成安

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

0 引言

隨著我國載人航天技術(shù)的發(fā)展，空間站將成為下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。為確?？臻g站的長期在軌運(yùn)行，其供電系統(tǒng)的重要性不言而喻[1]。通常，空間站是由多個(gè)航天器對接組合而成，各航天器均具備獨(dú)立的供電系統(tǒng)。但由于受空間位置和相互遮擋的影響，航天器各自的供電系統(tǒng)有可能無法滿足自身供電需求，所以在不增加太陽能電池板面積和航天器供電總功率的前提下，有必要實(shí)施空間站組合體的電源系統(tǒng)聯(lián)合并網(wǎng)供電，以實(shí)現(xiàn)各組合體之間電能的有效利用[2]。

空間站并網(wǎng)供電是指各艙段對接組合而成的空間站，通過電源變換技術(shù)和管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對各艙段電源系統(tǒng)的供電以確?？臻g站全部負(fù)載正常工作的技術(shù)措施[1,3]?？臻g站并網(wǎng)供電是實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)，具有供電功率大、多電源系統(tǒng)集成、可靠性高和可人工干預(yù)等特點(diǎn)，涉及大功率DC/DC變換、能源管理、測量、控制及通信等諸多技術(shù)。

1 “天宮一號”目標(biāo)飛行器與“神舟”飛船對接后的并網(wǎng)供電

宮一號”目標(biāo)飛行器與“神舟”飛船實(shí)現(xiàn)交會對接后，需要向飛船提供最大功率為 500 W 的供電支持。目標(biāo)飛行器采用100 V高壓供電體制，而飛船沿用 28 V供電體制，需要采用并網(wǎng)供電設(shè)備（DC/DC）完成100 V/28 V電壓變換，以保證不同供電體制下的供電安全。

對接后進(jìn)入組合體飛行模式，由目標(biāo)飛行器發(fā)出并網(wǎng)控制接通指令，通過目標(biāo)飛行器內(nèi)的并網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)對飛船內(nèi)負(fù)載的供電，其并網(wǎng)供電原理如圖1所示。

圖1 “天宮一號”目標(biāo)飛行器與“神舟”飛船并網(wǎng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of parallel power supply between Tiangong–I target spacecraft and Shenzhou spaceship

1.1 “N+1”冗余備份

根據(jù)最大輸出功率500 W的要求，并網(wǎng)控制器的功率電路采用 4個(gè)輸出功率均為 170 W 的DC/DC變換器（3熱1冷）并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對飛船負(fù)載的

我國載人航天工程首個(gè)空間試驗(yàn)平臺——“天供電，如圖2所示。

目標(biāo)飛行器的100 V一次母線通過并網(wǎng)控制器變換為與飛船兼容的28 V母線電壓。并網(wǎng)控制器在指令控制下可實(shí)現(xiàn)100 V母線或28 V母線的接通或斷開，以及備份模塊的接通或斷開，并能夠反饋設(shè)備工作狀態(tài)的參數(shù)。

圖2 “天宮一號”并網(wǎng)控制器電路圖Fig.2 Circuit of a parallel operation controller in Tiangong–I target spacecraft

這種采用多臺變換器（冷熱備份）并聯(lián)輸出方案的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)某一臺變換器故障時(shí)，可通過控制指令切斷故障變換器母線并接通冷備份變換器繼續(xù)完成供電，增加了系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性，相比于單臺整機(jī)型大功率變換器，可縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。

1.2 多變換器自動均流

“天宮一號”目標(biāo)飛行器內(nèi)部的并網(wǎng)控制器正常工作時(shí)，3臺DC/DC變換器通過各自的隔離二極管并聯(lián)輸出約500 W的最大功率。為了使輸出功率不超過要求的最大功率，將每個(gè)變換器的最大輸出功率限制在(170±5) W范圍內(nèi)。由于各變換器輸出電壓不一致，輸出電壓的溫度漂移和時(shí)間漂移以及輸出隔離二極管正向V–I特性的差異，并聯(lián)工作的各變換器輸出電流不會完全相同，但是，在極限（最大輸出功率）情況下，變換器可通過靈敏的過流保護(hù)電路將輸出功率限制在170 W以下。而并聯(lián)的不均流特性會使各個(gè)變換器先后進(jìn)入輸出過流保護(hù)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)自動均流。因此并聯(lián)不均流特性不會影響設(shè)備的正常工作及變換器的可靠性。

2 國外空間站并網(wǎng)供電方案

國際空間站（ISS）與“和平號”空間站（MIR）是成功運(yùn)行的多艙段組合的大型空間站，分析研究其中涉及的多艙段并網(wǎng)供電技術(shù)方案，對于我國空間站并網(wǎng)供電技術(shù)的研發(fā)具備借鑒意義。

2.1 ISS的PPC功率互補(bǔ)技術(shù)

ISS的供電系統(tǒng)由初級供電系統(tǒng)和次級供電系統(tǒng)組成[4-7]，如圖 3所示。其中，初級供電系統(tǒng)包括2根功率母線和1個(gè)功率母線切換控制單元，每個(gè)功率母線具備各自的分流、蓄電池管理和切換單元；次級供電系統(tǒng)則主要由配電控制單元、遙控配電單元及相應(yīng)的負(fù)載組成。兩級供電系統(tǒng)之間由母線電壓變換單元連接。

圖3 ISS供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the power supply system in International Space Station

ISS的太陽電池陣為桁架式結(jié)構(gòu)，8塊太陽電池板兩兩配對，構(gòu)成4個(gè)光伏模塊。每個(gè)光伏模塊的2塊太陽電池板分別對應(yīng)各自的功率母線，經(jīng)功率母線切換控制單元后向?qū)?yīng)的設(shè)備供電。各功率母線均配備功率母線控制器，主要負(fù)責(zé)太陽電池板的轉(zhuǎn)動控制、分流調(diào)節(jié)、功率切換、蓄電池充放電控制及熱控設(shè)備供電等。但在同一時(shí)間，2條功率母線只受一個(gè)功率母線控制器控制，另一個(gè)功率母線控制器則處于備份狀態(tài)。功率母線切換控制單元負(fù)責(zé)將 2個(gè)功率母線的電壓送到次級母線電壓變換單元，當(dāng)某一母線故障時(shí)，通過切換讓另一母線來供電。即當(dāng)某一功率母線因故障被“禁止”后，可以由同一光伏模塊中的另一功率母線對故障母線的部分模塊供電。相鄰光伏模塊的功率母線之間通過功率母線切換控制單元中的大功率固態(tài)開關(guān)連接，正常情況下開關(guān)斷開，必要時(shí)閉合。

分析ISS供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，其高壓母線側(cè)（初級）是一種多母線、故障（應(yīng)急）狀態(tài)下可切換的供電方式。該方式下，先關(guān)閉“故障源”，再讓“替代源”參與供電，兩者不會同時(shí)工作。每個(gè)功率母線正常狀況下滿足自身設(shè)備的供電需求，在故障或應(yīng)急狀態(tài)下切換為由其他母線供電。由于功率母線受切換或遠(yuǎn)程輸送等影響，需要通過母線電壓變換單元實(shí)現(xiàn)向次級穩(wěn)定電壓供電，所以要求母線電壓變換單元的傳輸效率要高，以控制功率損失。另外，由于ISS沒有統(tǒng)一的供電體系，因此降低了供電體系設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)可靠性（對于閉環(huán)系統(tǒng)之間的統(tǒng)一調(diào)節(jié)越復(fù)雜，則系統(tǒng)可靠性越低）。

2.2 ISS主體與“曙光號”艙并網(wǎng)供電機(jī)制

由俄羅斯負(fù)責(zé)研制的“曙光號”（Zarya）艙是ISS的第一個(gè)組件，也稱之為“功能艙”（functional energy block，F(xiàn)GB）[8-9]。FGB具有獨(dú)立的光伏電源系統(tǒng)，系統(tǒng)組件包括太陽電池陣、分流調(diào)節(jié)器（RT–50）、鎳鎘電池組、電池充放電設(shè)備、蓄電池電流控制器、母線單元、超級電容器構(gòu)成的母線濾波器、ARCU（American-to-Russian converter unit）和 RACU（Russian-to-American converter unit）等。ISS中美國研制的部分艙段組件（稱之為USOS）和“曙光號”之間的電能交換是通過ARCU和RACU這兩種設(shè)備來實(shí)現(xiàn)（見圖4）。

在 ISS建造初期，由 FGB通過 RACU來為USOS供電[10-11]。RACU的輸出接USOS的母線電壓變換單元輸入端，經(jīng)由母線電壓變換單元進(jìn)一步穩(wěn)壓。USOS的電源系統(tǒng)組裝完成后，改為通過ARCU向FGB供電。ARCU有2種類型，分別為輸入端口接功率母線切換控制單元的 ARCU 1和輸入端口來自母線電壓變換單元的ARCU 2。這2種ARCU的輸出端口均在FGB的母線單元處。正常情況下，ARCU工作于電壓控制模式（voltage control mode）。

圖4 ISS主體與“曙光號”并網(wǎng)供電原理圖Fig.4 Principle of parallel operation principle between ISS and Zarya

在陽照區(qū)，F(xiàn)GB主要依靠太陽電池陣進(jìn)行供電和充電。如果太陽電池陣無法滿足需求，則ARCU開始工作；如仍不能滿足需求，則充放電管理單元將工作于縮減充電模式以確保母線電壓穩(wěn)定。進(jìn)入地影區(qū)后，根據(jù)ARCU所能提供的功率和負(fù)載功率需求有2種情況：若負(fù)載需求超過ARCU所能提供的功率，則充放電管理單元將工作于蓄電池放電模式，讓蓄電池填補(bǔ)ARCU的功率不足，同時(shí)ARCU工作于恒流模式（constant current mode）；如果負(fù)載需求低于ARCU的輸出能力，則過剩的功率將為蓄電池充電，一旦蓄電池充滿，ARCU將工作于恒壓模式，提供全部的負(fù)載需求功率。

2.3 MIR電源系統(tǒng)并網(wǎng)供電技術(shù)分析

MIR是由多艙段組合的空間站，各艙段均具備自身完整的電源系統(tǒng)，艙段之間通過電壓/電流控制器（voltage/current regulator, VCR）實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電，MIR的電源系統(tǒng)如圖5所示[12]。VCR調(diào)節(jié)來自其他艙段的能量，其輸出直接掛在電源系統(tǒng)母線的輸出濾波器之前，可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)流的功能。在

MIR的供電系統(tǒng)中，其母線回線上接入了由大功率固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的Buss Block單元，負(fù)責(zé)把太陽電池陣的電能接入到母線上。Buss Block內(nèi)部開關(guān)可以使太陽電池陣處于“stand by”模式。單艙電源系統(tǒng)如果正常工作，則靠“蓄電池+升壓裝置”供應(yīng)；如果處于并網(wǎng)模式，則由“蓄電池+升壓裝置”和VCR并網(wǎng)供應(yīng)。

圖5 MIR電源系統(tǒng)原理圖Fig.5 Configuration of MIR power supply system

對比ISS主體與“曙光號”的并網(wǎng)工作機(jī)制，進(jìn)一步對MIR中的VCR分析可以發(fā)現(xiàn)：在陽照區(qū)，如果VCR并網(wǎng)工作，則VCR與ARCU一樣，工作于調(diào)壓狀態(tài)且輸出跟隨母線電壓，實(shí)現(xiàn)電能富裕艙向電能缺失艙的功率補(bǔ)充；如果VCR不并網(wǎng)工作，則MIR與ISS類似，通過開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)由其他艙向缺失艙的功率補(bǔ)充（在Buss Block中實(shí)現(xiàn)切換）。在地影區(qū)，VCR接收由其他艙傳遞過來的電能為本艙一次母線提供所需功率，或通過 VCR向其他艙的負(fù)載供電。整體來看，VCR與“蓄電池+升壓裝置”同時(shí)工作，既可工作于電壓控制模式，也可工作于恒流控制模式。

3 空間飛行器組合體并網(wǎng)供電模式類型

分析總結(jié)我國“天宮一號”目標(biāo)飛行器與“神舟”飛船并網(wǎng)供電、ISS的PPC功率互補(bǔ)技術(shù)、ISS主體與“曙光號”艙的并網(wǎng)供電以及MIR的VCR供電方式，目前的空間組合體并網(wǎng)供電模式的技術(shù)方案及特點(diǎn)如下：

1）可基于“各艙正常情況下都能滿足自身供電需求，應(yīng)急供電只發(fā)生在故障或應(yīng)急情況下”的原則，在母線單元處由大功率固態(tài)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)模式的切換。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)原理簡單、系統(tǒng)可靠、母線電壓穩(wěn)定；缺點(diǎn)是不能充分利用缺失艙的剩余電能，造成電力浪費(fèi)（在具體設(shè)計(jì)上，也可以通過開關(guān)配置實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備切換供電、部分設(shè)備仍由本艙供電）。

2）可設(shè)計(jì)智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備，具備調(diào)壓、限流以及根據(jù)指令信號調(diào)整參數(shù)等功能。設(shè)備輸入端為功率富裕艙一次母線，輸出端為功率缺失艙一次母線。在陽照區(qū)，智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備工作于電壓控制模式，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出，和太陽電池陣并網(wǎng)向功率缺失艙負(fù)載供電；在地影區(qū)，智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備輸出能力如能滿足負(fù)載需求，則獨(dú)自為負(fù)載供電，否則和缺失艙蓄電池并網(wǎng)向負(fù)載供電。

3）也可以將上述2種方式結(jié)合起來，即在陽照區(qū)，智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備不和系統(tǒng)并網(wǎng)，由大功率固態(tài)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)只把部分（或全部）負(fù)載切換到由此設(shè)備供電；在地影區(qū)，智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備和蓄電池并網(wǎng)供電。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對簡單，并能在地影區(qū)充分利用蓄電池資源。

4）通過設(shè)置公共母線和智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備，將各艙體電源系統(tǒng)通過智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備連接在一起，并由統(tǒng)一的電源控制單元集中控制電能的調(diào)度，對各艙體內(nèi)智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備的工作模式進(jìn)行切換，即不論是在陽照區(qū)還是在地影區(qū)，智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備可根據(jù)電源控制單元指令，在并網(wǎng)和不參與并網(wǎng)2種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。這種并網(wǎng)模式的優(yōu)點(diǎn)是可以方便地實(shí)現(xiàn)多艙體并網(wǎng)且可靠性較高，缺點(diǎn)是功率傳遞過程要2次經(jīng)過智能功率調(diào)節(jié)設(shè)備，而且多艙段大功率并網(wǎng)時(shí)的線路損耗會降低傳遞效率。

4 我國未來空間站并網(wǎng)供電可采取的方案

我國未來空間站并網(wǎng)供電方案與“天宮一號”并網(wǎng)供電機(jī)制相比，在并網(wǎng)系統(tǒng)容量及智能化水平上需要有較大提升。目前，我國后續(xù)載人空間站設(shè)計(jì)為由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II組成的多艙段組合體，每個(gè)艙段設(shè)置獨(dú)立的電源系統(tǒng)，可在軌獨(dú)立工作。當(dāng)對接形成組合體后，各艙段之間勢必需要進(jìn)行電能的相互傳遞以確?？臻g站整體負(fù)載的供電需要。根據(jù)以上分析的國內(nèi)外空間站多艙段并網(wǎng)供電技術(shù)，從方案的可靠性、可行性等角度綜合考慮，我國未來空間站并網(wǎng)供電系統(tǒng)可采取“電源管理+智能并網(wǎng)控制器”的供電方案（見圖6）。通過分析空間站組合體太陽電池陣的發(fā)電能力與負(fù)載大小，由電源管理單元控制智能并網(wǎng)控制器來實(shí)現(xiàn)空間站電源系統(tǒng)的并網(wǎng)供電控制和在軌自適應(yīng)調(diào)配。通過設(shè)置公共母線，將智能并網(wǎng)供電設(shè)備以星形方式連接，便于實(shí)現(xiàn)多艙段聯(lián)合并網(wǎng)。智能并網(wǎng)控制器可置于各個(gè)艙體內(nèi)，靠近一次母線。一方面，智能并網(wǎng)控制器通過內(nèi)部控制電路控制輸出端電壓，無須遠(yuǎn)端采樣；另一方面，智能并網(wǎng)控制器可接收電源管理單元的統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)自身工作狀態(tài)的改變。

圖6 我國未來空間站并網(wǎng)供電可采取的方案Fig.6 A possible parallel operation for our future space station

作為各艙體電源系統(tǒng)間功率傳送和調(diào)節(jié)的核心執(zhí)行設(shè)備，智能并網(wǎng)控制器由電能雙向傳輸?shù)母綦x型功率變換器及控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中控制系統(tǒng)包括功率變換器自身的控制電路以及與能夠接收、響應(yīng)電源管理單元控制命令的控制器?？刂破鞯闹饕饔檬墙邮諄碜噪娫垂芾韱卧闹噶?，并將該指令轉(zhuǎn)換成直流變換器自身控制電路能夠接收的控制信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變換器的控制。直流變換器自身的控制電路需接收控制器的電流、功率流向指令，完成變換器輸出電流及功率流向等控制。智能并網(wǎng)控制器的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 智能并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of the intelligent parallel supply control equipment

由于單臺并網(wǎng)控制器的容量有限，在空間站大功率并網(wǎng)傳輸供電情況下，可借鑒“天宮一號”目標(biāo)飛行器并網(wǎng)供電設(shè)備的設(shè)計(jì)理念，采用多臺智能并網(wǎng)控制器進(jìn)行“N+1”冗余并聯(lián)輸出，對多個(gè)雙向功率變換器進(jìn)行統(tǒng)一控制，并聯(lián)的智能并網(wǎng)控制器單元需采取并聯(lián)均流控制，以保證某一臺變換器單元失效時(shí)其余變換器仍然可以提供穩(wěn)定的輸出功率。功率變換器主電路也可采用單向變換器輸出串聯(lián)二極管組合，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，避免單臺變換器的短路故障對一次母線造成的影響。

5 結(jié)束語

本文論述了“天宮一號”目標(biāo)飛行器與“神舟”飛船并網(wǎng)供電機(jī)制，調(diào)研并分析了ISS獨(dú)立功率通道并網(wǎng)供電機(jī)制、ISS主體和“曙光號”艙并網(wǎng)供電方式以及MIR并網(wǎng)供電模式，總結(jié)了目前國內(nèi)外空間組合體的幾種并網(wǎng)供電模式的類型和特點(diǎn)，經(jīng)過分析、比較和綜合考量，提出了一種適合于我國未來空間站并網(wǎng)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

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