空間核動力平臺電力管理系統的設計

劉世超，李 陽，吳春瑜，靳 洋，高劭倫

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

目前，航天器能源系統均采用太陽電池陣作為主能源，但是，隨著人類航天活動范圍不斷拓展，以及未來所執行航天任務日益豐富，在很多應用場合，太陽電池已經無法滿足需求。

木星、土星附近的太陽輻射照度非常低，太陽能電池已經無法滿足探測器本身的能量需要，如圖1 所示[1-2]。由于核電源系統不受太陽光照的限制，將是空間能源的唯一出路。在高周期雷達觀測、太空垃圾清除、全球生態監測等應用背景下，提出了100 kW 以上，甚至達到MW 級的超大功率需求，需要大面積太陽能電池陣，但其姿態控制非常困難[3-5]。此外，國內外研究成果表明，功率達到100 kW 以上，與太陽電池陣相比，空間核電源系統在功率質量比、功率體積比等方面具有明顯優勢，如圖2所示[6-7]。

圖1 深空探測任務Fig.1 Deep space exploration mission

空間核動力平臺是指基于核反應堆發電推進平臺，其既可為各種負載提供電能，又可提供推進動力，主要由核反應堆、熱電轉換系統、散熱與輻射器、電力管理系統以及電推進系統等組成，如圖3 所示[8]。由于布雷頓熱電轉換方式具有輸出功率擴展方便、超大功率下的功率密度高等特點，本文主要面向采用布雷頓熱電轉換系統的空間核動力平臺開展相關研究工作[9]。

圖2 多種形式能源功率范圍與任務周期比較Fig.2 Comparison of power levels and operating hours of multi-form energy sources

圖3 空間核動力平臺系統組成Fig.3 Configuration of the space nuclear power platform

空間核動力平臺電力管理系統完成對由核反應堆產生、經布雷頓熱電系統轉換的能量進行變換、調節、分配與控制等功能，在全運行周期內，電力管理系統為空間核動力平臺各種負載提供電力來源，還為核反應堆、熱電轉換系統等核發電裝置供電。

1 空間核動力平臺電力系統特點

空間核動力平臺電力系統具有以下幾個特點：

1）交流供電體系。熱電系統本質上是反應堆產生的熱能推動熱機做功，帶動內部發電機發出電能的能量轉換過程，其輸出具有交流特性，即呈“三相四線”、每相之間的相位差恒定。此外，還具有高頻率（幾百Hz 甚至1 kHz）、高電壓（幾百V 甚至幾kV）等特點。

2）多電壓母線。負載具有多樣性，如高功率載荷（如電推力器、雷達等）功率需求幾十kW，甚至幾百kW，供電電壓可達幾kV；高壓載荷（如遙感相機、熱控系統等）供電電壓為100 V、低壓載荷（如綜合電子、測控系統等）供電電壓是28 V，多種載荷母線電壓也不一樣。

3）功率瞬態調節。由于核反應堆、熱電轉換系統自身具有蓄熱性，當負載功率發生瞬變時，反應堆的熱能產生、熱電系統的電能轉換等功率調節過程往往需要幾分鐘甚至更長，反應堆、熱電轉換系統響應嚴重滯后于負載變化，無法滿足負載要求。

4）多能源聯合供電。核反應堆、熱電轉換系統作為主能源，太陽電池陣、蓄電池組作為外部輔助電源，根據主能源工作特點，在啟動前，需要外部輔助電源供電；在啟動后直至滿功率運行前，主能源與輔助電源聯合供電；在滿功率運行后，外部輔助電源退出供電，當負載功率發生瞬變，外部輔助電源又可進行功率補償。其中，外部輔助電源中的蓄電池組既可由太陽電池陣補能，又可由主能源補能。

5）多運行參數相互匹配。空間核動力平臺運行于不同工況，其內部多個參數應準確匹配，如核反應堆出口溫度，熱電轉換系統進口與出口壓力、流量以及電動機轉速，散熱器輻射溫度、變配電系統輸出功率等，如果出現某些參數不匹配，有可能造成空間核動力平臺組成部分工作異常甚至毀壞，如熱電轉換系統，嚴重影響系統運行安全。

2 國外空間核動力平臺電力管理系統

在空間核動力平臺研究方面，國外以美國和俄羅斯為代表，已經開展了深入研究工作。

2.1 美國

美國“普羅米修斯”計劃旨在研制基于反應堆的空間核動力平臺，用于探索木星及冰蓋衛星等任務，電力控制與分配系統（PC&D）是重要組成部分，其主要由電力管理與分配系統（PMAD）、120 V/28 V 轉換器、耗散負載輻射器等組成，如圖4所示[10-13]。

圖4 “普羅米修斯”空間核動力平臺電力控制與分配（PC&D）架構Fig.4 Power control and distribution architecture of Prometheus space nuclear power platform

PMAD 主要由電力管理與分配控制器（PMAD controller）、寄生耗散負載控制器（PLR controller）、降壓器（Buck Transformer）、逆變器（Inverter）、整流器（Rectifer）、功率分配裝置（SG）等組成，其中，PLR controller 通過對大功率航天器負載變化的感知，利用脈寬調制控制方法，保證布雷頓熱電轉換系統負載大小的恒定；Inverter 將120 V 變換成400 V AC（1 kHz），為布雷頓熱電轉換系統熱機啟動、核反應堆冷卻回路的冷卻泵等提供所需能量；Rectifer實現120 V 與28 V 之間變換；Buck Transformer 將熱電轉換系統輸出600 V AC 變換為400 V AC 主功率分配母線；PMAD controller 對電力管理與分配、熱電轉換等系統進行指令控制與狀態監測；SG實現對各個負載配電控制。

此外，120 V/28 V 轉換器是雙向變換器，既對蓄電池組輸出進行轉換，提供能量給逆變器以啟動熱電轉換系統，又對太陽電池陣或整流器輸出進行變換，為平臺負載提供調節28 V 母線，并將28 V 系統與高壓系統隔離。

2.2 俄羅斯

2009 年，俄羅斯提出“基于兆瓦級核能動力裝置的運輸——動力模塊艙”的重大創新項目，擬建造帶有核能動力裝置的空間運輸系統，自動化電力系統是其重要組成部分，主要實現對熱電轉換系統輸出變換、系統功率調節，為核反應堆與熱電轉換系統、電推力器及其他負載配電[14-15]。

3 我國空間核動力平臺電力管理系統方案探討

根據空間核動力平臺任務需求，針對采用布雷頓熱電轉換系統的空間核動力平臺特點，結合國外相關技術調研情況，我國空間核動力平臺電力管理系統主要由兩部分組成：變配電系統與自主控制系統，其中，變配電系統主要實現電能變換、分配與調節等功能；自主控制系統主要針對空間核動力平臺電力系統運行模式，實現電力系統各組成部分控制功能。

3.1 變配電系統方案

3.1.1 系統功能

變配電系統功能包括：為電推力器或高功率載荷等高壓供電；控制平衡負載調節多余能量；為平臺其他各種負載配電；為核反應堆、布雷頓熱電轉換系統、輻射散熱器等控制供電；主電源（核發電系統）與輔助電源（光伏電源系統）能量雙向變換；系統各設備狀態監測及過狀態保護。

3.1.2 負載類型與母線體制

變配電系統負載類型與母線體制包括：高功率類載荷，如電推力器、全球監測雷達等，高壓母線，電壓為kV 以上甚至幾kV；高壓不調節類載荷，如核反應堆執行與保護、熱電轉換系統執行等裝置，一次不調節母線，電壓為80～110 V；高壓調節類載荷，如核反應堆控制、熱電轉換系統控制、輻射散熱器控制、太陽電池陣驅動機構等裝置，一次全調節母線，電壓為（100±1）V；低壓調節類載荷，如切換開關、綜合電子、姿態軌道控制、數據測量傳輸與指令控制等裝置，二次全調節母線，電壓為（28.5±0.5）V。

3.1.3 系統組成與配置

變配電系統是由高壓供電器、高壓調壓器、供電切換裝置、電推力器供電控制模塊、平衡負載及其控制器、二次電源、電能控制與變換器等組成，如圖5 所示。

1）高壓供電器。高壓供電器是由無控整流器、濾波器等組成，用于為電推力器、微波雷達等高功率載荷供電，其中，無控整流器是由多個三相橋式整流器串聯，以實現高電壓輸出；濾波器采用LC 形式，將整流器輸出電壓脈動電壓調整到可接受范圍。

2）高壓調壓器。高壓調壓器是由可控逆變器等組成，可控逆變器也采用三相橋式拓撲電路，用于調節發電機輸出，以解決從空載到滿載工作時發電機輸出電壓跌落問題。

3）供電切換裝置。供電切換裝置是由開關裝置及其控制邏輯電路等組成，開關裝置分為接觸器與繼電器兩種，實現對高功率載荷與電推力器、平臺各種負載之間供電切換控制。

4）平衡負載及其控制器。平衡負載是由金屬電阻器組成，實現核動力裝置啟動與停止、負載變化等工況下功率耗散。

5）二次電源。二次電源主要是由變壓器、不控整流器以及DCDC 變換器等組成，可將發電機交流輸出變換成一次全調節及不調節直流母線。

6）電推力器供電控制器。電推力器供電控制器是由除高壓電源以外的幾種恒流與恒壓輸出特性的電源組成，根據電推力器工作模式，實現對各種電源供電時序控制，保證電推力器供電需求。

圖5 變配電系統組成與配置Fig.5 Composition and configuration of power transformation and distribution system

7）電能變換與控制器。電能變換與控制器可實現二次全調節母線的變換功能，并為核動力裝置（核反應堆、熱電轉換系統）啟動供電。

3.2 自主控制系統方案

3.2.1 工作模式

空間核動力平臺工作模式分為啟動和動力兩種。

1）啟動模式。空間核動力平臺啟動過程大概分為3 個階段：準備、電動機拖動、發電機啟動，而電力管理系統控制空間核動力平臺電力系統其他各組成部分工作，如圖6 所示。

準備階段。控制反應堆，使其達到次臨界狀態；以較小回路壓力向布雷頓熱電轉換系統加注少量工質。

電動機拖動階段。在外部電能供給下，發電機以電動機模式運轉，帶動布雷頓熱電轉換系統從低速運轉到較額定轉速的50%；控制反應堆達到臨界狀態，保證核反應堆穩定輸出功率；不斷提高反應堆輸出水平，加大布雷頓熱電轉換系統回路工質壓力，使反應堆出口工質壓力、溫度與布雷頓熱電轉換系統入口工質壓力、溫度保持一致；快速加速布雷頓熱電轉換系統，使其超過額定轉速的20%。

發電機啟動階段。將發電機從電動機模式切換成發電機模式，降低布雷頓熱電轉換系統功率，進入額定轉速；將發電機連接載荷，同步提高反應堆的功率，使其滿功率輸出。

2）動力模式。動力工作模式分為加載和減載兩種，如圖7 所示。

圖6 啟動模式下電力管理系統控制其他組成部分工作流程Fig.6 Workflow of other components under control of power management system in the start-up mode

加載工作模式控制流程如下：控制儲能裝置放電，提高母線負載供給功率；增加布雷頓熱電轉換系統入口工質壓力，進而提高布雷頓熱電轉換系統輸出功率；提高冷卻輻射器的工質流量，保證布雷頓熱電轉換系統入口前工質流量與其壓力匹配；控制核反應堆，提高核反應堆輸出熱功率。

圖7 動力模式下電力管理系統控制其他組成部分工作流程Fig.7 Workflow of other components under control of power management system in the power mode

減載工作模式過程如下：控制儲能裝置充電，降低母線負載供給功率；提高寄生負載能量消耗，降低母線負載供給功率；降低布雷頓熱電轉換系統入口工質壓力，降低布雷頓熱電轉換系統輸出功率；減小冷卻輻射器的工質流量，與布雷頓熱電轉換系統入口前壓力匹配；控制核反應堆，降低核反應堆輸出熱功率。

3.2.2 自主控制系統架構

在啟動、加減載等幾種工作模式中，空間核動力平臺可靠安全工作是通過核反應堆、熱電轉換系統、輻射散熱器以及電力管理系統等各部分相互配合、協同工作而實現，而其又受自主控制系統控制，自主控制系統與核反應堆、熱電轉換系統、輻射散熱器及變配電系統等之間控制關系如圖8 所示。

空間核動力平臺自主控制系統主要由計算控制器、通信處理器、模數轉換部件等組成；核反應堆、熱電轉換系統、輻射散熱器以及變配電系統等控制單元主要由通信處理器、測量傳感器以及動作執行部件等組成。

圖8 自主控制系統與其他組成部分間關系Fig.8 Control relationship between the autonomous control system and other components

自主控制系統通過對空間核動力平臺核反應堆、熱電轉換系統、輻射散熱器等組成部分的多個參數檢測，監視各組成部分運行狀態，并結合當前空間核動力平臺狀態以及負載工作特性，給各組成部分自身控制系統發送控制指令，保證各組成部分在啟動、動力等各個工況下協同配合，保證空間核動力平臺系統運行安全。

4 擬突破關鍵技術

與光伏電源系統相比，空間核動力平臺電力管理系統具有顯著的不同，需突破多項關鍵技術如下：

1）超高壓高效交/直流變換技術。針對空間核動力平臺熱電轉換系統輸出的高壓交流信號無法滿足直流負載供電需求的問題，突破新型器件應用、整流電路效率提高、電流諧波對發電機及附近系統的影響抑制等的方法，保證交流/直流混合電力系統內部的運行安全和穩定。

2）空間核動力平臺與負載耦合匹配技術。針對載荷需求功率與核動力裝置（核反應堆、熱電轉換系統）輸出功率不匹配的問題，研究基于電能調節方式的分時多級功率調控策略，通過儲能裝置、平衡負載的利用，滿足航天器負載動態變化下的供電需求。

3）空間核動力平臺多源并網供電技術。針對核動力裝置啟動需要輔助電源供電以及主電源（核動力裝置）與輔助電源供電切換等特點，研究靜態啟動供電、多源平滑切換控制技術，通過發電/電動機一體化、啟動負載的利用，實現核動力裝置啟動時核反應堆與熱電轉換系統間參數匹配，保證核動力平臺啟動過程安全可靠。

5 結論

空間核動力平臺是一種新型電源推進一體化平臺，由于其可提供超大功率與推力，未來將在全球生態監測、軌道間拖船、行星研究、清除太空垃圾等領域得到廣泛應用。同時，與傳統光伏+蓄電池組電源系統相比，空間核動力平臺具有能量供給方式與輸出特性不同、系統工況多與運行模式復雜、母線體制眾多且壓差大等特點，其電力管理技術面臨巨大挑戰。

本文通過對空間核動力平臺任務需求、運行特點分析，提出了空間核動力平臺電力管理系統初步方案，闡述了功能特點、系統組成、工作模式、控制機制以及需突破的關鍵技術，為后續空間核動力平臺電力管理系統技術研究以及相關產品研制奠定了基礎。