載人飛船電源系統并網供電特性研究

鐘丹華 唐筱 舒斌 沈冰冰

(上?？臻g電源研究所，上海 200245)

航天器電源系統的并網供電控制技術是電源技術領域研究的重點之一，也是組合體航天器實現在軌長期運營的關鍵技術[1-2]。并網供電控制技術可包括自由并網和受控并網等分類，自由并網通常指工作電壓范圍相近或重疊的多電源間的并聯輸出，各電源的輸出電流大小受電源特性和負載特性的影響，存在較大的變化；通過對電源電壓、電流的主動調節，可以進一步發展為受控并網，受控并網可以實現在各工況下不同電源的能量優先輸出順序設計，并精確分配各個電源間的輸出能量比例。

載人飛船電源系統作為我國研制的高可靠性航天器電源系統[3-4]，具備多種類電源并網、供電比例可調節的功能，是航天器的核心平臺分系統[5-6]。在載人航天二期工程研制過程，飛船電源分系統設計并實現了異構電源的并網供電比例調節技術[7-8]；在載人航天三期工程研制過程，進一步實現了跨航天器電源間的受控并網供電調節技術。

本文根據載人飛船飛行數據和地面試驗數據，開展并網供電特性研究，特別是對復雜的多域并網控制策略和最佳工作區域設計，有助于進一步提高系統的可靠性和穩定性，有利于后續空間站建造和運營階段復雜的并網供電實施，以及能量在艙段間傳遞和分配的規劃。

1 并網供電功能概述

載人飛船電源系統采用儲能蓄電池組-光伏系統，為全調節母線體制，由主電源、應急電源、返回著陸電源、火工品電源4種電源組成。其中，主電源分為太陽電池陣、對日定向驅動子系統、儲能蓄電池組、三機組控制設備等部分組成；應急電源為獨立配置的鋅銀電池組，在主電源發生故障時或出現峰值負載時，接入與主電源存活部分并網供電或獨立供電，以滿足載人飛船應急飛行用電需求。

主電源除了具備與應急電源并網供電的功能外，還具備與對接航天器(空間實驗室、空間站等)并網供電的功能，可以接收來至對接航天器的供電能量，滿足對接?？亢笕豕庹諚l件下自身負載的用電需求。

電源系統電壓工作區域劃分見表1，如圖1所示。

(1)光照區供電陣采用順序線性分流調節，利用控制設備的分流調節功能將母線電壓控制在Vsu(分流調節域上限)以下，當母線電壓低于Vsl(分流調節域下限)時，控制設備不再進行分流調節；當飛船的負載功率P需求超過太陽電池的發電能力時，由儲能蓄電池組補充供電；

(2)陰影區儲能蓄電池組通過控制設備的放電調節功能供電，放電調節采用升壓式調節并對多機組放電均衡控制，使母線電壓控制在Vbu(放電調節域上限)～Vbl(放電調節域下限)之間；陰影區和光照區供電范圍之間建立調節遲滯區；

(3)在主電源發生故障時或出現峰值負載時，由應急電源接入與主電源存活部分并網供電。應急電源并網供電域的上限設置一般應不大于Vsl，以保證光照區盡可能使用太陽電池翼的供電能量；下限設置應滿足系統提出的母線最低工作電壓要求。在本文中將研究在應急電源并網供電域內的供電比例調節技術；

(4)在主電源與對接航天器并網供電總線對接后，可以接收來至對接航天器的供電能量。對接航天器并網供電域由跨航天器電源間的協同設計來共同確定，考慮航天器間傳輸損耗壓降后，下限設置一般應不小于Vbu，以保證儲能蓄電池組在陰影區不參與供電；上限設置需綜合考慮較多因素，在本文中將研究其最佳控制區域設計。

表1 電源系統電壓工作區域劃分

圖1 電源系統電壓工作區域示意Fig.1 Voltage working area of power system

2 主電源與應急電源并網供電特性研究

2.1 自由并網供電特性研究

2.1.1 鋅銀電池放電特性

根據應急電源的設計，鋅銀電池單體在小電流放電開始時，會有一段較高的放電電壓；放電電流較大或已進行預放電后，可直接進入較平穩的放電過程。平均放電電壓視放電倍率會有變化，在典型輸出功率300～1000 W時，單體工作電壓范圍為1.50～1.55 V；電池容量即將放完時，電壓下降較快，可以降到1.35 V左右。

主電源與應急電源并網供電時，應急電源一般可以長時間處于平穩的放電電壓段，相當于一臺穩壓源，具有優良的放電特性。

2.1.2 并網供電特性

載人飛船電源系統在軌運行過程中，可能出現的影響供電安全的故障模式主要有一個太陽電池翼故障不能輸出導致電源系統能量損失1/2，或者部分控制機組故障導致電源系統輸出能量損失1/3，系統設計采取的措施可以將故障部分隔離，通過主電源和應急電源并網供電，對輸出能量進行再分配，實現電源系統故障重構，達到滿足飛船在軌應急飛行的供電要求。

主電源與應急電源并網供電后，在光照區存在分流調節的情況下，應急電源由于工作電壓較主電源母線電壓低，主要由主電源供電；在陰影區主電源母線電壓與應急電源工作電壓存在重疊部分，根據負載功率的變化存在競爭供電的狀態。對于30 V低壓母線體制，鋅銀電池較平穩的放電電壓段一般設計在28～29 V，在額定負載功率(P)段可以近似保持并網供電比例1∶1；隨著負載減小，應急電源的供電比例開始顯著增大，如圖2所示。

圖2 主電源與應急電源自由并網Fig.2 Free parallel between main power and emergency power

2.2 受控并網供電特性研究

2.2.1 應急電源比例并網供電控制

為減小一次性使用的應急電源在并網后的供電輸出能量，延長應急使用時間，最大程度利用主電源的供電能力，通過自動調節主電源電壓輸出范圍，可以實現應急電源有控制的比例輸出。主電源與應急電源的供電電流輸出比例一般可設計為2∶1或3∶1。

單個太陽電池翼故障模式或部分控制機組故障模式下，通過接入應急電源進行故障重構，對于負載功率p，在有n∶1(n≥2)比例供電控制的設計時，可近似計算陰影區應急電源節省的供電能量EAh。

(1)

式中：T為陰影區時間。

按照額定輸出負載功率計算，電源分系統采用2∶1供電比例控制時，應急電源節省的能量EAh可以多延長使用時間8個小時。

2.2.2 比例并網供電特性

以2∶1比例并網供電作為實現例，通過對主電源輸出電流Iz與應急電源輸出電流Iy采樣后作為控制信號，引入主電源放電調節設備的閉環反饋回路(閉環控制參數Ki) 中，采用疊加控制法(疊加控制參數Kz、Ky) 調節主電源母線電壓，從而達到調節應急電源輸出電壓、電流，實現對主電源、應急電源輸出電流比例的調節。原理圖見圖3所示。

圖3 并網供電控制原理圖Fig.3 Principle of parallel power supply

該控制原理實現簡單，可以在放電調節域內實現較高的控制精度，且供電電流越大比例控制精度越高：在全負載功率段可以精確實現2∶1控制比例，誤差不大于10%，滿足延長應急電源使用時間的需求。試驗結果如圖4所示。

圖4 主電源與應急電源比例控制并網Fig.4 Proportional control parallel between main power and emergency powe

3 主電源與對接航天器電源并網供電特性研究

在主電源與對接航天器并網供電總線對接后，可以接收來至對接航天器并網供電設備的供電能量。在光照區，主電源母線電壓與對接航天器并網供電電壓存在重疊部分，主要由飛船太陽電池翼供給自身負載用電需求，不足部分由對接航天器補充供電；在陰影區，對接航天器供電電壓高于放電域工作上限Vbu，完全或大部分由對接航天器提供飛船負載用電需求，儲能蓄電池組不放電，減少或不依賴對充電能量的需求。

在光照區的并網供電特性為兩個航天器間的受控并網，主要有2個階段。

(1)當負載較大，對接航天器端的并網供電設備一般可設置為恒流輸出工作狀態。并網供電輸出電壓不大于飛船電源系統的分流調節域的工作上限時，飛船太陽電池翼的多余供電能量由主電源分流調節設備進行分流調節，飛船母線電壓由飛船電源分系統進行調節，母線電壓的調節范圍即為圖1中的分流域。此時，太陽電池翼的供電能量可以處于太陽電池電路的最大功率點Pmax附近，參見圖5所示的太陽電池工作曲線。

(2)當負載較小，對接航天器端的并網供電設備可轉入恒壓輸出工作狀態。并網供電輸出電壓大于分流調節域的工作上限時，飛船太陽電池翼的多余供電能量不能完全得到分流調節，飛船母線電壓由對接航天器并網控制設備進行調節，母線電壓的調節范圍大于分流域。此時，太陽電池電路的供電工作曲線進入到的恒壓段，參見圖5所示的Vsu→Vdl工作區間。

參考文獻[9-10]介紹了對接航天器端的并網供電設備的工作模式和工作狀態，其中，文獻[10]還對對接航天器端的并網控制設備在并網供電試驗中的調節過程進行了分析，可以看到在負載由30 A突變到10 A后，小負載工況下對接航天器端并網控制設備的供電工作模式即由恒流模式轉入了恒壓模式，符合對接航天器并網供電設備在第二階段的工作特點。

圖5 并網供電太陽電池工作曲線Fig.5 Solar cell operating curve of parallel power supply

對飛船電源系統在并網供電試驗中的調節過程進行分析。在小負載工況下，因對接航天器并網輸出轉入了恒壓工作模式，飛船端的母線電壓隨負載變化而變化，符合飛船電源系統在第二階段的工作特點。隨著負載減小，母線電壓相應升高。在小負載工況下，飛船電源系統太陽電池電路的供電工作曲線進入到恒壓工作區間后，光照區的供電電流保持穩定，不再隨母線變化而調節變化，見表2的數據統計。該工作階段對太陽電池的能量利用率較低，在系統設計和實施上可以通過設置和調整并網電壓控制點Vdl，使其不大于Vsu而盡可能避免進入。

表2 小負載工況下太陽電池工作電流

綜合上述分析，對于載人飛船與對接航天器間的并網供電域的設計，需要綜合考慮供電母線安全性和元器件降額設計等因素，在計算電能在跨航天器間的傳輸損耗壓降后，在飛船電源系統端的最佳控制區域設計可參考如下原則：①以最大并網傳輸電流計算，下限的設置≥Vbu+ΔV(設計誤差限)，以保證飛船電源系統的儲能蓄電池組在陰影區不參與供電，盡可能由能量富裕的對接航天器滿足供電需求；②以最小并網傳輸電流計算，上限的設置≤Vbu-ΔV，使飛船電源系統太陽電池處于最佳工作區域，能量利用率相對較高，且母線電壓處于分流調節域內。

4 結束語

本文對神舟載人飛船電源系統的并網控制技術及工作特性進行了研究，在異構電源并網控制技術中采用電流作為控制參數的疊加控制法，在全負載功率段可以精確實現供電控制比例調節；在跨航天器間的并網控制技術中提出最佳控制區域設計，通過合理選擇和分配控制域和調節區間，可以實現復雜并網控制需求的工程實施。