空間站能源系統并網供電技術研究

王宇鵬，周新順，萬成安

（北京衛星制造廠，北京 100190）

0 引言

隨著我國載人航天技術的發展，空間站將成為下一個發展目標。為確保空間站的長期在軌運行，其供電系統的重要性不言而喻[1]。通常，空間站是由多個航天器對接組合而成，各航天器均具備獨立的供電系統。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，有必要實施空間站組合體的電源系統聯合并網供電，以實現各組合體之間電能的有效利用[2]。

空間站并網供電是指各艙段對接組合而成的空間站，通過電源變換技術和管理技術實現對各艙段電源系統的供電以確保空間站全部負載正常工作的技術措施[1,3]。空間站并網供電是實現多電源系統電能傳輸的關鍵技術，具有供電功率大、多電源系統集成、可靠性高和可人工干預等特點，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。

1 “天宮一號”目標飛行器與“神舟”飛船對接后的并網供電

宮一號”目標飛行器與“神舟”飛船實現交會對接后，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，需要采用并網供電設備（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。

對接后進入組合體飛行模式，由目標飛行器發出并網控制接通指令，通過目標飛行器內的并網控制器實現對飛船內負載的供電，其并網供電原理如圖1所示。

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

1.1 “N+1”冗余備份

根據最大輸出功率500 W的要求，并網控制器的功率電路采用 4個輸出功率均為 170 W 的DC/DC變換器（3熱1冷）并聯實現對飛船負載的

我國載人航天工程首個空間試驗平臺——“天供電，如圖2所示。

目標飛行器的100 V一次母線通過并網控制器變換為與飛船兼容的28 V母線電壓。并網控制器在指令控制下可實現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，并能夠反饋設備工作狀態的參數。

圖2 “天宮一號”并網控制器電路圖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）并聯輸出方案的優點在于當某一臺變換器故障時，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完成供電，增加了系統的可靠性與可維護性，相比于單臺整機型大功率變換器，可縮短產品設計和生產周期。

1.2 多變換器自動均流

“天宮一號”目標飛行器內部的并網控制器正常工作時，3臺DC/DC變換器通過各自的隔離二極管并聯輸出約500 W的最大功率。為了使輸出功率不超過要求的最大功率，將每個變換器的最大輸出功率限制在(170±5) W范圍內。由于各變換器輸出電壓不一致，輸出電壓的溫度漂移和時間漂移以及輸出隔離二極管正向V–I特性的差異，并聯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電路將輸出功率限制在170 W以下。而并聯的不均流特性會使各個變換器先后進入輸出過流保護狀態，最終實現自動均流。因此并聯不均流特性不會影響設備的正常工作及變換器的可靠性。

2 國外空間站并網供電方案

國際空間站（ISS）與“和平號”空間站（MIR）是成功運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供電技術方案，對于我國空間站并網供電技術的研發具備借鑒意義。

2.1 ISS的PPC功率互補技術

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

圖3 ISS供電系統結構圖Fig.3 Structure of the power supply system in International Space Station

ISS的太陽電池陣為桁架式結構，8塊太陽電池板兩兩配對，構成4個光伏模塊。每個光伏模塊的2塊太陽電池板分別對應各自的功率母線，經功率母線切換控制單元后向對應的設備供電。各功率母線均配備功率母線控制器，主要負責太陽電池板的轉動控制、分流調節、功率切換、蓄電池充放電控制及熱控設備供電等。但在同一時間，2條功率母線只受一個功率母線控制器控制，另一個功率母線控制器則處于備份狀態。功率母線切換控制單元負責將 2個功率母線的電壓送到次級母線電壓變換單元，當某一母線故障時，通過切換讓另一母線來供電。即當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開關連接，正常情況下開關斷開，必要時閉合。

分析ISS供電系統的結構可以發現，其高壓母線側（初級）是一種多母線、故障（應急）狀態下可切換的供電方式。該方式下，先關閉“故障源”，再讓“替代源”參與供電，兩者不會同時工作。每個功率母線正常狀況下滿足自身設備的供電需求，在故障或應急狀態下切換為由其他母線供電。由于功率母線受切換或遠程輸送等影響，需要通過母線電壓變換單元實現向次級穩定電壓供電，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沒有統一的供電體系，因此降低了供電體系設計的復雜性，提高了系統可靠性（對于閉環系統之間的統一調節越復雜，則系統可靠性越低）。

2.2 ISS主體與“曙光號”艙并網供電機制

由俄羅斯負責研制的“曙光號”（Zarya）艙是ISS的第一個組件，也稱之為“功能艙”（functional energy block，FGB）[8-9]。FGB具有獨立的光伏電源系統，系統組件包括太陽電池陣、分流調節器（RT–50）、鎳鎘電池組、電池充放電設備、蓄電池電流控制器、母線單元、超級電容器構成的母線濾波器、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這兩種設備來實現（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，經由母線電壓變換單元進一步穩壓。USOS的電源系統組裝完成后，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”并網供電原理圖Fig.4 Principle of parallel operation principle between ISS and Zarya

在陽照區，FGB主要依靠太陽電池陣進行供電和充電。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定。進入地影區后，根據ARCU所能提供的功率和負載功率需求有2種情況：若負載需求超過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ARCU的功率不足，同時ARCU工作于恒流模式（constant current mode）；如果負載需求低于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，提供全部的負載需求功率。

2.3 MIR電源系統并網供電技術分析

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，艙段之間通過電壓/電流控制器（voltage/current regulator, VCR）實現并網供電，MIR的電源系統如圖5所示[12]。VCR調節來自其他艙段的能量，其輸出直接掛在電源系統母線的輸出濾波器之前，可實現調壓、調流的功能。在

MIR的供電系統中，其母線回線上接入了由大功率固態開關構成的Buss Block單元，負責把太陽電池陣的電能接入到母線上。Buss Block內部開關可以使太陽電池陣處于“stand by”模式。單艙電源系統如果正常工作，則靠“蓄電池+升壓裝置”供應；如果處于并網模式，則由“蓄電池+升壓裝置”和VCR并網供應。

圖5 MIR電源系統原理圖Fig.5 Configuration of MIR power supply system

對比ISS主體與“曙光號”的并網工作機制，進一步對MIR中的VCR分析可以發現：在陽照區，如果VCR并網工作，則VCR與ARCU一樣，工作于調壓狀態且輸出跟隨母線電壓，實現電能富裕艙向電能缺失艙的功率補充；如果VCR不并網工作，則MIR與ISS類似，通過開關切換來實現由其他艙向缺失艙的功率補充（在Buss Block中實現切換）。在地影區，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向其他艙的負載供電。整體來看，VCR與“蓄電池+升壓裝置”同時工作，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供電模式類型

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

1）可基于“各艙正常情況下都能滿足自身供電需求，應急供電只發生在故障或應急情況下”的原則，在母線單元處由大功率固態開關來實現并網模式的切換。其優點是實現原理簡單、系統可靠、母線電壓穩定；缺點是不能充分利用缺失艙的剩余電能，造成電力浪費（在具體設計上，也可以通過開關配置實現部分設備切換供電、部分設備仍由本艙供電）。

2）可設計智能功率調節設備，具備調壓、限流以及根據指令信號調整參數等功能。設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，智能功率調節設備工作于電壓控制模式，根據母線電壓調整輸出，和太陽電池陣并網向功率缺失艙負載供電；在地影區，智能功率調節設備輸出能力如能滿足負載需求，則獨自為負載供電，否則和缺失艙蓄電池并網向負載供電。

3）也可以將上述2種方式結合起來，即在陽照區，智能功率調節設備不和系統并網，由大功率固態開關來實現只把部分（或全部）負載切換到由此設備供電；在地影區，智能功率調節設備和蓄電池并網供電。其優點是實現相對簡單，并能在地影區充分利用蓄電池資源。

4）通過設置公共母線和智能功率調節設備，將各艙體電源系統通過智能功率調節設備連接在一起，并由統一的電源控制單元集中控制電能的調度，對各艙體內智能功率調節設備的工作模式進行切換，即不論是在陽照區還是在地影區，智能功率調節設備可根據電源控制單元指令，在并網和不參與并網2種工作狀態之間轉換。這種并網模式的優點是可以方便地實現多艙體并網且可靠性較高，缺點是功率傳遞過程要2次經過智能功率調節設備，而且多艙段大功率并網時的線路損耗會降低傳遞效率。

4 我國未來空間站并網供電可采取的方案

我國未來空間站并網供電方案與“天宮一號”并網供電機制相比，在并網系統容量及智能化水平上需要有較大提升。目前，我國后續載人空間站設計為由核心艙、實驗艙I和實驗艙II組成的多艙段組合體，每個艙段設置獨立的電源系統，可在軌獨立工作。當對接形成組合體后，各艙段之間勢必需要進行電能的相互傳遞以確保空間站整體負載的供電需要。根據以上分析的國內外空間站多艙段并網供電技術，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供電系統可采取“電源管理+智能并網控制器”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電能力與負載大小，由電源管理單元控制智能并網控制器來實現空間站電源系統的并網供電控制和在軌自適應調配。通過設置公共母線，將智能并網供電設備以星形方式連接，便于實現多艙段聯合并網。智能并網控制器可置于各個艙體內，靠近一次母線。一方面，智能并網控制器通過內部控制電路控制輸出端電壓，無須遠端采樣；另一方面，智能并網控制器可接收電源管理單元的統一調度，實現自身工作狀態的改變。

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

作為各艙體電源系統間功率傳送和調節的核心執行設備，智能并網控制器由電能雙向傳輸的隔離型功率變換器及控制系統構成，其中控制系統包括功率變換器自身的控制電路以及與能夠接收、響應電源管理單元控制命令的控制器。控制器的主要作用是接收來自電源管理單元的指令，并將該指令轉換成直流變換器自身控制電路能夠接收的控制信號，進而實現變換器的控制。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。智能并網控制器的結構如圖7所示。

圖7 智能并網控制器結構圖Fig.7 Structure of the intelligent parallel supply control equipment

由于單臺并網控制器的容量有限，在空間站大功率并網傳輸供電情況下，可借鑒“天宮一號”目標飛行器并網供電設備的設計理念，采用多臺智能并網控制器進行“N+1”冗余并聯輸出，對多個雙向功率變換器進行統一控制，并聯的智能并網控制器單元需采取并聯均流控制，以保證某一臺變換器單元失效時其余變換器仍然可以提供穩定的輸出功率。功率變換器主電路也可采用單向變換器輸出串聯二極管組合，以提高系統的可靠性和安全性，避免單臺變換器的短路故障對一次母線造成的影響。

5 結束語

本文論述了“天宮一號”目標飛行器與“神舟”飛船并網供電機制，調研并分析了ISS獨立功率通道并網供電機制、ISS主體和“曙光號”艙并網供電方式以及MIR并網供電模式，總結了目前國內外空間組合體的幾種并網供電模式的類型和特點，經過分析、比較和綜合考量，提出了一種適合于我國未來空間站并網供電系統的設計方案。

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