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(jì)部，北京 100094；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

引 言

月球蘊(yùn)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(duì)月球進(jìn)行有效探測(cè)和合理開發(fā)，也可為未來火星探索打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。月表配電網(wǎng)架是科研站長(zhǎng)久穩(wěn)定供電的動(dòng)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(xì)披露。

現(xiàn)有地外探測(cè)系統(tǒng)的供能來源主要依靠光伏發(fā)電和儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)間處于黑暗中，儲(chǔ)能電池?zé)o法完全滿足供電需求。同時(shí)，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(hù)和更換同樣具有較大難度。因此，不受環(huán)境影響、壽命長(zhǎng)、功率大、維護(hù)簡(jiǎn)單的核反應(yīng)堆在深空發(fā)電中的優(yōu)勢(shì)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(cè)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(jí)一般在100 V以下[6]，而月球科研站的負(fù)荷類型多，功率通常能夠達(dá)到幾kW至幾十kW，需要設(shè)計(jì)具備更強(qiáng)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(jì)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(shí)，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(jí)和容量的升高，將會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)停電甚至癱瘓等更加嚴(yán)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(kuò)展性，設(shè)計(jì)通用型模塊化接口，同時(shí)具有雙向潮流控制功能，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。微型核反應(yīng)堆具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全、功率密度大等突出優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)樵虑蚩臻g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(kuò)展配電網(wǎng)架設(shè)想，期望能夠?yàn)檩d人登月、月球基地建設(shè)計(jì)劃提供有益思考和啟發(fā)。

圖1 月表配電網(wǎng)架系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.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(jì)，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(jì)實(shí)例與功能驗(yàn)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(jì)

傳統(tǒng)光伏儲(chǔ)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?yàn)椋?/p>

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(jí)拓展功率步長(zhǎng)。

2）模塊化設(shè)計(jì)。模塊化有利于更快速生產(chǎn)、測(cè)試與更便利的運(yùn)輸、管理。

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

1.1 電源設(shè)計(jì)與參數(shù)

電源由反應(yīng)堆壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件、堆芯、動(dòng)力活塞、配氣活塞、直線電機(jī)、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(dòng)機(jī)部分選用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，不受氣壓影響，無需與外界交換工質(zhì)，并且對(duì)于熱源的包容性強(qiáng)，相比于其它熱機(jī)而言，在空間應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)[13-15]；機(jī)電轉(zhuǎn)換部分選用直線電機(jī)，具有響應(yīng)快、可控性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，更有利于熱電一體化設(shè)計(jì)[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(duì)著陸器的降落精度或移動(dòng)性能要求較高，但主要優(yōu)勢(shì)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(duì)低溫的電源運(yùn)行環(huán)境。

仿真計(jì)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(qiáng)，經(jīng)計(jì)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(yàn)測(cè)試表明，在充氣壓力為5.0 MPa時(shí)，電源樣機(jī)最大輸出功率約為5.3 kW，效率為27.0%。圖4給出了測(cè)試的發(fā)電機(jī)輸出隨熱功率變化的特性圖，表2給出了發(fā)電機(jī)各測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)熱功率上升時(shí)，斯特林電機(jī)的輸出功率、電壓和電流都會(huì)隨之上升。

圖4 不同加熱功率條件下發(fā)電機(jī)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(jī)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(diǎn)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(fù)荷，依賴直流電源運(yùn)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(chǔ)能電池可直接或經(jīng)DC-DC單級(jí)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(jiǎn)單可靠，但就體積及重量而言其航天運(yùn)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于運(yùn)行操作，控制保護(hù)相對(duì)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(duì)低。兩端供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需考慮電能雙向流動(dòng)等特點(diǎn)，故障識(shí)別和保護(hù)也相對(duì)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(huì)導(dǎo)致大面積停電事故，供電可靠性相對(duì)高。環(huán)狀直流配電網(wǎng)中任意一點(diǎn)出現(xiàn)故障，保護(hù)裝置隔離故障后系統(tǒng)非故障部分仍可正常運(yùn)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?fù)洹?/p>

圖5 不同拓?fù)涔╇娋W(wǎng)絡(luò)Fig.5 Power supply network with different topologies

依據(jù)現(xiàn)有的航天運(yùn)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(yùn)輸支持建設(shè)的子系統(tǒng)應(yīng)該為一個(gè)完整的供電系統(tǒng)，同時(shí)具備可擴(kuò)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(gè)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(jìn)行互聯(lián)，互聯(lián)的分區(qū)之間經(jīng)控制單元實(shí)現(xiàn)潮流交換，圖中的控制單元可能是獨(dú)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(shí)互聯(lián)的分區(qū)之間通過通信線路（有線或無線）進(jìn)行信息交換，為系統(tǒng)整體能量?jī)?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(shí)，通過靈活調(diào)用互聯(lián)分區(qū)富裕能量，保證重要負(fù)荷的電力支撐，極大提升供電系統(tǒng)可靠性和運(yùn)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(kuò)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(jì)

月表基地含有大量的科研設(shè)備，其中沖擊負(fù)荷及其它特種用電裝備在短時(shí)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(chǔ)能裝置平抑能量波動(dòng)。

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(duì)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(shí)持續(xù)向系統(tǒng)輸送功率，在滿足當(dāng)前能量需求后，由儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)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(bǔ)充，承擔(dān)中長(zhǎng)時(shí)間尺度上實(shí)現(xiàn)月表基地用電功率平衡的作用。月表晝夜溫差達(dá)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(yùn)用在美國“雙子座”載人飛船、航天飛機(jī)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(chǔ)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(jī)受到卡諾循環(huán)的限制，因而具備更高的轉(zhuǎn)換效率，可達(dá)35%～60%，可滿足空間負(fù)荷中長(zhǎng)時(shí)間尺度下的供電需求。月表基地儲(chǔ)能裝備示意圖見圖8。

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

2）儲(chǔ)能子系統(tǒng)

由于電能生產(chǎn)和消耗具備同時(shí)性，因此為了短時(shí)間尺度下如滿足沖擊負(fù)荷的功率需求和中長(zhǎng)期時(shí)間尺度下能量的平穩(wěn)供應(yīng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)不可或缺?，F(xiàn)有儲(chǔ)能方式通常分為：電能存儲(chǔ)為機(jī)械能的飛輪儲(chǔ)能；電能存儲(chǔ)為場(chǎng)能的超級(jí)電容；電能存儲(chǔ)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(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能具有優(yōu)良的瞬時(shí)功率提供能力，能滿足沖擊負(fù)荷的供能需求，但其存儲(chǔ)能量有限，無法在月夜期間長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間尺度下的供電需求，但其無法瞬時(shí)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(chǔ)能子系統(tǒng)以氫鎳電池為主，輔以較小比例的超級(jí)電容或飛輪儲(chǔ)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(fù)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(huì)導(dǎo)致充放電過程中發(fā)生電極電位偏移，使得負(fù)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(shí)間和濃差極化反應(yīng)時(shí)間相對(duì)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(dá)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(jí)下，鎘鎳電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓暫降是氫鎳電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的4倍，鎘鎳電池出力消除電壓暫降的時(shí)間比氫鎳電池慢4.03倍。同時(shí)，氫鎳電池比功率可達(dá)1 000 W/kg，約為鎘鎳電池的5倍，壽命可達(dá)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(zhǎng)時(shí)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(yùn)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(dòng)導(dǎo)致母線電壓異常，威脅供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，有必要針對(duì)極端情況設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能與行為。

極端情況系統(tǒng)備份供電啟動(dòng)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(shí)，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(shí)現(xiàn)能量互濟(jì)。而在實(shí)際運(yùn)行中，所有微型核反應(yīng)堆電源同時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)依然能夠?yàn)樨?fù)荷提供基本電能保障，必要時(shí)可切除非關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行減載處理，保證關(guān)鍵負(fù)荷一段時(shí)間的正常運(yùn)行。

圖10 極端情況系統(tǒng)備份供電啟動(dòng)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(fù)載多數(shù)為CPU、FPGA等電子負(fù)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(jí)大約在20 ～50 kW，需100 V高壓甚至300 V等特高壓等級(jí)進(jìn)行供電[30]。同時(shí)，因?yàn)榇蠊β守?fù)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(fù)載供電?？紤]到供電可靠性、供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的易擴(kuò)展性以及分區(qū)互聯(lián)的實(shí)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(jí)變換產(chǎn)生不同電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出端口，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)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(fù)荷區(qū)域，如含有大量電機(jī)負(fù)荷的工作區(qū)域，其供電將由冗余設(shè)計(jì)的能量路由器供應(yīng)。此時(shí)，能量路由器通過DC/DC變換產(chǎn)生常用的48 V電機(jī)工作電壓、照明電壓和通信電壓。在多個(gè)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(shí)，能量路由器將不再提供各級(jí)模塊化接口，而是根據(jù)實(shí)際情況決定能量分發(fā)的方式。如在某一時(shí)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(shí)將根據(jù)功率缺額的性質(zhì)和負(fù)載的重要性，由能量路由器確定向各個(gè)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(hù)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(diǎn)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(fù)載安全。冗余設(shè)計(jì)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(hù)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(dòng)作開關(guān)，能夠在十?dāng)?shù)μs內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流的無弧開斷，最大限度確保負(fù)載的安全，并及時(shí)切換到冗余備用線路，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

2.3 可擴(kuò)展分布式架構(gòu)配電網(wǎng)運(yùn)行控制方法

由于單個(gè)電源與儲(chǔ)能設(shè)備的供電能力有限，設(shè)計(jì)多類型電源、儲(chǔ)能與負(fù)荷的協(xié)同運(yùn)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(fù)荷。配電網(wǎng)的運(yùn)行控制可采用如圖12所示的多時(shí)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(shí)現(xiàn)多儲(chǔ)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(jìn)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(cè)量本地輸出功率即實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間協(xié)同工作。隨著配網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大，可直接將新設(shè)備接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。儲(chǔ)能的下垂控制方程可簡(jiǎn)化表示為

其中：Uo是設(shè)置的空載電壓；P為測(cè)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(chǔ)能逆變器的輸出電壓接近時(shí)，輸出功率按下垂系數(shù)進(jìn)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)直流電壓無靜差控制，輸出功率精確分配與儲(chǔ)能單元儲(chǔ)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(fù)荷需求時(shí)，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(jì)技術(shù)

對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)。

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

3）設(shè)備資源有限。受航天運(yùn)輸成本及運(yùn)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(jì)主要包括結(jié)構(gòu)冗余（硬件冗余和軟件冗余）、信息冗余、時(shí)間冗余和冗余附加[36]。對(duì)月表供電系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)可從三個(gè)方面來考慮：

1）對(duì)供電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行硬件冗余設(shè)計(jì)。綜合考慮重量和空間約束條件下達(dá)到系統(tǒng)可靠性最高目標(biāo)，例如供電系統(tǒng)可采用雙母線配置方案、對(duì)電能變換裝備進(jìn)行拓?fù)淙哂鄡?yōu)化設(shè)計(jì)等。

2）對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行軟件冗余設(shè)計(jì)。運(yùn)用集中式管理理念開展月表供電系統(tǒng)的設(shè)備層級(jí)和系統(tǒng)層級(jí)的冗余控制系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)，基于并聯(lián)式冗余實(shí)現(xiàn)手段從軟件層面主備狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份來實(shí)現(xiàn)熱備冗余功能。

3）核心部件通用模塊化冗余設(shè)計(jì)。對(duì)功能相同或類似設(shè)備的核心部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備核心部件的即插即用。

冗余設(shè)計(jì)技術(shù)在月表高可靠可擴(kuò)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(gè)方面：

1）冗余設(shè)計(jì)技術(shù)條件成熟，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)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(chǔ)能冗余提高供配電系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)冗余設(shè)計(jì)還考慮軟件冗余和設(shè)備模塊化冗余，多層級(jí)配合，實(shí)現(xiàn)過程無需人工干預(yù)，在月表具有較強(qiáng)的可行性。

2）現(xiàn)有的條件和平臺(tái)已經(jīng)具備了冗余設(shè)計(jì)技術(shù)的使用基礎(chǔ)，冗余設(shè)計(jì)技術(shù)在航天任務(wù)中已成功應(yīng)用。例如“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)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(dòng)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(cè)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(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型，并借助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)再現(xiàn)物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力，是一種實(shí)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(yùn)行狀態(tài)。供電系統(tǒng)數(shù)字孿生體能在數(shù)字空間實(shí)時(shí)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(hào)特征分析、模式識(shí)別等技術(shù)，識(shí)別系統(tǒng)當(dāng)前損傷狀態(tài)。

3）在線預(yù)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)字模型，結(jié)合機(jī)器智能等方法驅(qū)動(dòng)模型的動(dòng)態(tài)更新，對(duì)系統(tǒng)未來狀態(tài)進(jìn)行異常預(yù)警，便于及時(shí)檢修與維護(hù)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(gè)方面：

1）數(shù)字孿生技術(shù)在解決復(fù)雜系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)、動(dòng)態(tài)重構(gòu)方面具有并逐漸展示了先進(jìn)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(hù)和剩余壽命預(yù)測(cè)、船舶全生命周期管控、電能智能管控、風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪故障預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，帶來明顯的經(jīng)濟(jì)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(hào)”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能電池陣輸出功率、蓄電池組電壓電流的實(shí)時(shí)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(yùn)行環(huán)境更加穩(wěn)定，不需要運(yùn)行姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，所需數(shù)據(jù)量更小，可行性更強(qiáng)。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例與功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提高可靠、可擴(kuò)展的分區(qū)互聯(lián)配網(wǎng)架構(gòu)設(shè)想，本文按照?qǐng)D14所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)分區(qū)能量互濟(jì)和系統(tǒng)故障情況下高可靠運(yùn)行兩部分功能進(jìn)行了驗(yàn)證。如圖14所示，設(shè)計(jì)的供配電系統(tǒng)包含3個(gè)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(gè)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?fù)鋱DFig.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(jì)功能

首先驗(yàn)證所設(shè)計(jì)網(wǎng)架的系統(tǒng)分區(qū)能量互濟(jì)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(jì)功能仿真驗(yàn)證Fig.15 Simulation verification of system partition energy mutual aid

0.5～1.5 s范圍，系統(tǒng)的3個(gè)分區(qū)都處于平穩(wěn)運(yùn)行。其中，分區(qū)1的斯特林發(fā)電機(jī)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(fù)荷數(shù)量不多，儲(chǔ)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(jī)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(chǔ)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(jī)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(chǔ)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(gè)22 kW的負(fù)荷，3個(gè)分區(qū)迅速響應(yīng)，進(jìn)行能量互濟(jì)，通過能量路由器進(jìn)行功率調(diào)度。分區(qū)1和分區(qū)3的儲(chǔ)能電池將充電能量迅速轉(zhuǎn)移給新增負(fù)荷使用，且分區(qū)2的儲(chǔ)能電池增加出力，輸出功率達(dá)到了14 kW。同時(shí)，3個(gè)分區(qū)中的斯特林發(fā)電機(jī)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(fù)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(yùn)行功能

驗(yàn)證所設(shè)計(jì)網(wǎng)架在故障情況下高可靠運(yùn)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(hù)功能仿真驗(yàn)證Fig.16 Simulation verification of system relay protection function

0.5～1.5 s范圍，系統(tǒng)的3個(gè)分區(qū)都處于平穩(wěn)運(yùn)行的工作狀態(tài)。其中，分區(qū)1的斯特林發(fā)電機(jī)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(fù)荷數(shù)量不多，故儲(chǔ)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(jī)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(chǔ)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(jī)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(chǔ)能電池處于充電狀態(tài)，充電功率為5 kW。

1.5 s時(shí)，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(hù)功能，因此故障發(fā)生時(shí)，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(chǔ)能電池輸出功率迅速增加，儲(chǔ)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(shí)，系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置迅速動(dòng)作，在0.1 s內(nèi)將分區(qū)3整個(gè)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(chǔ)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(jī)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(jìn)行消納。

1.6 s時(shí)，分區(qū)3被成功斷開后，由于整個(gè)系統(tǒng)負(fù)荷減少，因此分區(qū)2中的儲(chǔ)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(jì)、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(kuò)展配電網(wǎng)架設(shè)想，并且深入探討了月表配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分區(qū)互聯(lián)和運(yùn)行控制方法，有助于月球科研任務(wù)的開展，推動(dòng)對(duì)月球進(jìn)行有效探測(cè)和合理開發(fā)，為中國航天事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。