航天器百千瓦級分布式可重構電源系統設計

張明 劉奕宏 李海津 張文佳 張曉峰 夏寧 朱立穎 穆浩 劉震

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

為適應我國未來航天器任務需求，電源系統將面臨超高壓大功率、高效智能、輕量化高集成、長壽命高可靠等挑戰，新一代航天器平臺的需求大力推動了電源系統向大功率、智能化和高可靠自主管理的方向發展。航天器功率需求在逐步提高，幾乎每隔7年就增加1倍。為了滿足功率需求的不斷增加，同時提高系統效率并降低平臺質量，航天器高壓供電系統已經成為必然的選擇。隨著任務需求和技術的發展，航天器母線電壓也越來越高，從最初28 V發展到50 V(國內為42 V)，100 V，120 V。國內外在100 kW航天器電源系統方面的研究經驗較少，系統拓撲、控制策略、高壓大功率變換、多通道并網管理、高壓元器件等方面亟需開展研究。

本文結合未來航天器任務需求和研制現狀，對100 kW電源系統的任務特點、母線體制、系統拓撲、組成配置和系統控制策略等開展研究；針對高壓大功率變換與安全控制技術、多通道能源智能管理和高壓大功率器件等多項關鍵技術進行分析，可為后續高壓大功率電源系統的設計提供參考。

1 電源系統設計分析

傳統的分布式電源系統是指采用母線變換器將不穩定的源電壓轉化為一個穩定的母線電壓，再通過多級直流/直流(DC/DC)變換器將母線電壓轉化為多種等級的電壓，為負載供電。這類供配電系統是航天器、艦船、通信基站及大型計算機等用電設備的核心部件，它的性能和可靠性直接影響到各個用電設備乃至整個系統的運行情況。分布式電源系統是一種混合電源系統架構，概念來源于分布式可重構空間系統的研究，是空間電源系統發展的方向之一[1]。通常在實際應用中，系統的各個變換器模塊單獨工作時都是穩定的。

在地面應用中，分布式可重構電源系統概念及技術已被廣泛應用，這類分布式電源是促進風能、光伏太陽能等分散式可再生能源的開發利用、提高清潔能源利用效率、解決農村地區電力供應問題的重要途徑。分布式電源是電力系統的有機組成部分，是大電源的重要補充。各個國家根據地理特點發展著不同的分布式電源系統。類比到空間系統中，太陽電池陣列-蓄電池的供配電系統是主要能源來源方式，如圖1所示。除此之外，燃料電池、核能、飛輪儲能或各個獨立的太陽電池陣列-蓄電池的供配電系統都可以作為分布式電源，作為模塊化處理，以某一電壓和功率等級母線作為主母線，通過能量調配和功率變換實現能源并網和結構重構。

圖1 分布式電源系統架構Fig.1 Distributed electrical power system architecture

本文提出的分布式可重構電源系統面向100 kW航天器，在標準化的光伏功率模塊、儲能功率模塊和并網功率模塊的基礎上，設計一套完整的系統控制策略，可實現100 kW航天器電源系統穩定運行。

1.1 母線電壓

通信衛星、民用高分辨合成孔徑雷達(SAR)、空間太陽能電站、空間核動力航天器、大型在軌服務站等大功率航天器，對超大功率能源系統需求不斷增強，50～100 kW級超大功率電源系統成為未來大功率航天器能源系統的發展趨勢[2-3]。根據民用航天“十三五”技術預先研究項目指南，地球靜止軌道(GEO)大功率高分辨率SAR衛星預計短期功率需求為50～80 kW；核動力航天器輸出電功率為100 kW，設計母線電壓為400～600 V；大功率電推進系統使用功率為20～50 kW；超大型可重構綜合航天器平臺總功率大于60 kW；太空發電站演示驗證電站功率為兆瓦級，預計母線電壓將達到5000 V[4-6]。

提高母線電壓是降低線路損耗最有效的途徑。以100 kW電源系統為例，當線路傳輸距離為30 m時，線路阻抗為10 mΩ，若采用100 V母線電壓，線路傳輸電流為1000 A，線路損耗為10 kW，損耗比高達10%；若采用400 V母線電壓，線路傳輸電流為250 A，線路損耗為625 W，線路損耗僅為0.6%。按照傳統定義，200 V以上空間應用的電源系統為高壓電源系統。表1列舉了不同電壓等級，傳輸20 kW和100 kW功率所需配電導線質量，可以看出，100 kW航天器的母線電壓至少需要提高到200 V，電纜質量損失控制才能控制在可接受范圍之內。

考慮到系統功率的可擴展性，結合高壓功率器件的現有技術水平，本文采用400 V系統母線。

表1 配電銅導線線纜質量與功率、電壓關系Table 1 Relationship among copper wire weight, power and voltage

1.2 電源架構與體制分析

按照負載特性分類，電源系統需要適應供電穩定的平臺負載和峰值功率大、響應快的脈沖負載。平臺負載功率需求穩定，對母線品質要求較高，通常設置一條全調節母線，以實現高效、精確的控制，其主要服務對象是航天器平臺分系統，包括數管、測控、控制、推進、熱控等；脈沖負載短期峰值功率大，要求母線輸出阻抗小、響應快，載荷平臺功率比需要越來越大，由目前的5∶1大幅度提升至20∶1，通常設置一條不調節脈沖母線，最大限度地滿足大幅度、高頻率和快響應的脈沖負載需求。母線體制有雙獨立母線體制和復合母線體制2種方式可選擇。

(1)雙獨立母線體制(見圖2)，為2條母線配置獨立的太陽電池陣、電源控制設備及蓄電池組，2條母線在航天器接地點單點共地，一條供給穩定負載，一條供給脈沖負載。雙獨立母線體制的優點是能夠有效避免脈沖負載對穩定負載的干擾，在滿足載荷設備供電需求的同時給平臺設備提供較高供電品質的母線；但其缺點也相對明顯，即電源系統的設備數量較多，體積質量相對較大，由于每條母線電源獨立又都要留有一定的安全余量，導致母線能源利用率不高，功率模塊通用性較差，成本較高，系統的可擴展性和可靠性不高。

圖2 雙獨立母線體制電源系統拓撲Fig.2 Electrical power system topology of double independent bus system

(2)復合母線體制(見圖3)，使用不調節母線作為首次母線，為脈沖負載供電，不調節母線經變換器調節后輸出全調節母線，為平臺設備供電。這種供電體制可以較好地解決大功率SAR衛星使用雙獨立母線體制帶來的矛盾。復合母線架構平臺負載與有效載荷共用太陽電池陣、鋰離子蓄電池組和功率調節模塊，設備利用率高，質量、體積和成本占優勢。復合母線體制滿足了脈沖負載與平臺的差異化供電需求，實現了太陽電池陣和蓄電池組的高效利用，供電系統拓撲簡單。

圖3 復合母線體制電源系統拓撲Fig.3 Electrical power system topology of compound bus system

1.3 能源管理

對100 kW或更大功率的航天器，由于太陽電池陣和蓄電池組規模顯著擴大，傳統太陽電池的統一布陣、統一主誤差放大器(MEA)控制方式將受到嚴重限制，因此必須對太陽電池陣和蓄電池組的規模進行分解，研制通用的功率模塊，依托分布式能源系統拓撲架構，采用能源綜合管理系統，將各功率模塊以“匯流”的方式實現功率集成，形成功率母線；同時，對用電負載進行分類和分區管理，確保實現電源供給的無縫切換。至于系統的擴展性，多個100 kW電源系統之間的能量共享與功率并網同樣需要著重考慮。研制統一通用的功率調節模塊，由太陽電池功率調節(光伏能)、蓄電池充放電調節(化學能)和并網控制調節(轉換電能)3類功率模塊共同組成100 kW電源系統；同時，對3種能源類型實施多通道能源統一管理，這是解決超大功率航天器能源管理的重要方式。

傳統航天器多采用單層或雙層的控制方式實現電源系統的調度和管理，通常的管理功能主要包括蓄電池管理、負載管理和各類保護等內容。傳統的單層或雙層控制方式面向單個航天器，而多個航天器間、多個艙段間能源共享的管理需求越來越復雜，單個航天器內部的分布式能源單元的種類和數量大幅度增加，多個能源單元之間安全、可靠的協同工作成為必須解決的問題，因此分布式大功率航天器能源管理的復雜度比傳統航天器能源管理大幅度提升。100 kW電源系統采用分層控制的多通道能源管理策略，是實現分布式大功率航天器電源系統可靠、安全運行的必要保障。

2 電源系統設計

2.1 系統拓撲架構

100 kW電源系統配置全調節和不調節2種母線規格，設置一條全調節母線用于平臺負載，不調節母線可根據蓄電池組和載荷設備的布局就近設置一條或多條。平臺母線由多個光伏模塊、儲能模塊和并網模塊共同組成，通過高壓配電模塊向平臺負載供電；不調節母線由蓄電池組直接引出，向不調節負載直接供電。圖4為系統拓撲架構。

圖4 系統拓撲架構Fig.4 System topology architecture

(1)光伏模塊。光伏模塊由太陽電池陣和主動功率調節器組成，主動功率調節器對太陽電池陣電能進行調節變換，以標準電壓輸出額定功率，多個完全相同的光伏模塊并聯組成100 kW電源系統。太陽電池陣輸出100 V電壓，主動功率調節器(APR)采用串聯型MPPT拓撲，單個光伏模塊設計輸出功率10 kW/400 V，100 kW電源系統由10個光伏模塊并聯形成400 V光照期調節母線。

(2)儲能模塊。儲能模塊由蓄電池、充放電單元和蓄電池管理系統組成。其中：蓄電池負責能源的儲存；充放電單元對蓄電池充放電進行管理，轉變為平臺母線電壓；蓄電池管理系統負責監測與維護蓄電池組的健康狀態，對蓄電池進行溫控、均衡與故障管理。單個儲能模塊輸出5 kW，100 kW電源系統默認配置1個儲能模塊。可根據實際需要進行多個儲能模塊并聯，實現系統功率擴展。

(3)并網模塊。并網模塊負責2個100 kW電源系統之間的能量共享和傳輸，實現100 kW電源系統內部的平臺母線和脈沖功率母線之間的能量共享。單個并網模塊輸出8 kW，功率雙向輸入輸出。當本地100 kW電源系統功率輸出不足時，可引入外部電源系統功率用于本地負載，外部電源系統出現功率缺口時，本地100 kW電源系統可對外提供輸出功率。

(4)高壓配電模塊。高壓配電模塊負責對平臺母線、脈沖功率母線的功率控制和分配，供電給調節和不調節負載。單個高壓配電模塊輸出10路高壓配電(單路400 V/5 A)。100 kW電源系統默認配置5個高壓配電模塊，可根據實際需要進行多模塊并聯，實現功率擴展和多級重構。

各種能源模塊(光伏模塊、儲能模塊、并網模塊、高壓配電模塊)之間的能源調度管理由綜合調度管理模塊負責，各模塊間的信息通過數據總線傳遞。

本文提出的100 kW電源系統架構共形成3條母線，具體如下。

(1)400 V全調節母線1條。400 V母線由本地的100 kW電源系統產生，由10個光伏模塊、1個儲能模塊和1個并網模塊并聯組成。

(2)不調節脈沖母線2條，即A(270 V)和B(270 V)。A(270 V)由本地電源系統儲能模塊中的蓄電池組直接引出，B(270 V)由并網控制模塊提供，能源來自于外部電源系統。2條母線不并聯，由并網模塊負責切換使用。

2.2 系統控制策略

系統采用分布式硬件控制+中央軟件控制的聯合控制策略。分布式硬件自主控制為主控制方式，當中央軟件不介入系統管理時，分布式硬件系統能夠可靠、安全運行；中央軟件控制作為輔助方式，當分布式硬件出現故障時介入管理，確保系統可靠、安全。分布式硬件包括系統組成的各功率調節器，中央軟件指系統中的綜合調度管理模塊。

分布式硬件控制為基礎控制方式，具有控制快速、穩定性高的優點，廣泛應用于微電網的能量控制中[7-10]。系統中的所有功率調節模塊(APR、分布式可重構雙向功率變換器(DRBC)、蓄電池充電調節器(BCR)均是獨立控制的，各功率調節模塊全部采用下垂控制方式，根據設定的下垂曲線進行調節。下垂控制中的母線電壓參考值不是固定值，而是隨輸出功率變化而波動。

系統分為4個控制域，分別為APR域、DRBC域、BCR域和蓄電池放電調節器(BDR)域，采用母線電壓Vbus來區分4個域之間的界限。相鄰的2個域之間設計域間死區，當功率輸出與需求平衡時所對應的Vbus正好處在域和域之間的切換點時，可以防止域和域之間來回切換，從而避免因此帶來的母線波動。域的劃分如圖5所示。

注：V1和V9分別為母線電壓的最大值和最小值，V2～V8是兩者之間的取值；PSAMAX為10個APR輸出功率的最大值；Pload為負載功率。

功率模塊自身的下垂控制不依賴于通信線，可自主實現功率平衡，缺點是各功率調節器都是電壓源，空載輸出電壓或輸出阻抗的一點偏差，都可以造成輸出電流的較大偏差。系統的多個功率模塊并聯輸出時，功率調節模塊之間存在性能差異，會導致各模塊輸出電流不均衡，輸出電流較大的模塊器件溫度較高，從而使輸出功率大的模塊壽命縮短，降低系統的可靠性，因此必須加以均流控制，克服變換器參數的偏差。均流功能由中央管理軟件(綜合調度管理模塊)負責，可提高系統控制精度，增加靈活性。系統對均流的動態響應要求不高，通過數據總線通信做時間離散的自適應均流，該控制方法無需添加額外的均流母線和相應的電路，抗擾能力和可靠性都優于傳統的模擬均流方式。

2.3 關鍵技術

(1)高壓大功率變換控制技術。光伏模塊中的APR和儲能模塊中的BCDR，都涉及到400 V母線的大功率變換。APR采用串聯型MPPT全調節拓撲，將太陽電池陣輸出的100 V變換為母線400 V。國內的臨近空間任務中已經應用了基于330 V母線的最大功率調節技術，功率等級為20 kW，其太陽電池陣工作點電壓范圍為165～252 V。但在空間環境應用，還需要解決400 V高壓器件選擇和提升效率、降低功率損耗等難題。大功率高壓器件需要通過碳化硅(SiC)器件專題研究來解決，設計高效的高壓功率電路拓撲，降低開關管應力和損耗，降低熱耗，提升效率。

(2)多通道能源管理技術。開展多通道能量管理軟件研制，基于分層管理原則，對100 kW電源系統各組成部分進行動態監控和日常管理。多通道能源管理對APR，BCDR，PDU，DRBC等功率模塊進行能量調度，通過健康狀態監測實現故障診斷和隔離。多通道能量管理單元可對各功率模塊的工作狀態、電壓、電流、溫度等參數進行采集和監測，對各模塊的工作狀態和工作模式進行控制，包括APR模塊的最大功率點計算、BCDR模塊電池充放電管理、DRBC模塊的母線重構和模式切換。當某個模塊發生故障時，多通道能量管理單元可自動切斷故障模塊，避免故障蔓延[11]。多通道智能管理的主要內容包括智能電量管理、健康管理、系統重構管理等。

(3)高壓大功率元器件技術。以SiC和氮化鎵(GaN)為代表的新一代半導體材料，擁有高頻高效、耐高壓、耐高溫等特性，尤其適合應用在航天領域。其中：SiC材料起步較早，技術較為成熟，目前在民用領域的應用正在快速發展，但在航天領域還沒有得到應用。目前，SiC功率整流二極管和功率管的研究已經趨于成熟，國產SiC肖特基二極管的商業產品達到600 V/10 A、1200 V/20 A的水平；SiC JBS二極管能夠實現的正向電流可以在1.8 V達到35 A，比導通電阻為2.41 mΩ·cm2，并聯封裝可使所制器件在3 V時達到100 A正向電流，反向擊穿電壓達到1600 V，反向恢復時間為20～150 ns。

(4)系統可靠性、安全性技術。系統各組成模塊及關鍵元器件的空間環境適應性需要重點研究，開展相關的環境驗證試驗；系統的故障診斷、隔離與恢復能力將成為重點，綜合調度管理模塊的自主健康管理和系統重構管理負責系統出現故障時的快速處理，確保系統安全；400 V母線電壓采用高壓隔離和防護是確保產品和人員安全、可靠的關鍵。

2.4 優勢與特點

本文提出的100 kW電源系統拓撲，相比傳統的航天器電源系統，將基于通用功率調節模塊的下垂控制方式作為主控制策略，配置了綜合能源管理模塊，能確保系統的性能和可靠性，提升系統配置的靈活性。這套系統拓撲架構的主要優勢和特點如下。

(1)系統架構靈活。分布式架構能提高光伏電池的布片率和布片靈活性，支持儲能設備升級為電源包，提高能源利用率和系統功率密度。分布式架構可為電源模塊的模塊化設計提供基礎，針對不同航天器任務的可復用程度高，可實現商用現貨采購。采用的標準模塊也可通過軟件定義適應不同任務及復雜應用場合，極大提升大功率電源系統的設計效率。采用數字智能化技術使得模塊具有高度的柔性設計，為用戶提供系統后續升級、重組、拓展的能力。

(2)系統功率擴展性好。通過增加光伏模塊或儲能模塊的數量來增加系統輸出功率，通過增加并網模塊的數量或功率等級來增加本地電源系統與外部電源系統間的共享功率，通過增加配電模塊的數量來適應負載數量的增加，緩解母線電壓持續提升的迫切程度。

(3)系統可靠性高。系統中包含多個發電模塊、多個儲能模塊、多個配電模塊，各個模塊互為冗余，能提高整個系統供電的可靠性。由于系統中各模塊采用下垂控制，上位機故障時系統中各模塊仍能正常工作，為負載提供功率。此外，系統具備健康管理及可重構能力，出現在軌故障時，可將故障模塊從系統中切除，避免故障蔓延。另外，可根據系統運行狀態對系統架構進行重構，滿足負載的供電需求。

(4)適用廣泛的多特性雙母線。設置平臺母線和脈沖功率母線2條不同特性的母線，適用于航天器多種負載特性，適應性強，應用廣泛。平臺母線主要提供給各類超大型綜合航天器平臺負載，脈沖功率母線主要應用于大功率高分辨率SAR衛星、空間攻防平臺等航天裝備。根據需要設置多條獨立的平臺母線和脈沖功率母線，通過并網控制和配電匯流，顯著提升在軌故障容限能力，增加系統可靠性。

(5)系統管理智能化程度高。綜合調度管理模塊負責整個系統的能量調度，具有較高的靈活性，可實現系統的智能管理，自主識別與處理部分故障，提升系統的故障容限能力。

3 系統仿真驗證

為驗證本文提出的100 kW電源系統設計的可行性，在PSIM仿真軟件中搭建了系統模型，對系統在APR域、DRBC域、BCR域、BDR域及域間切換時的系統運行情況進行仿真，同時對典型故障模式下的系統可靠性進行初步分析。搭建的仿真模型中包括2個APR、1個DRBC和1個BCDR共4個功率模塊，直流母線電壓設置為400 V。域內母線電壓按照APR域403.0～405.0 V，DRBC域401.7～403.0 V，BCDR域400.0～401.7 V來劃分。具體的系統及模塊的仿真參數見表2。

圖6為仿真波形。在圖6中：S1段表示系統工作在APR域，2個APR模塊為負載提供功率，BCDR和DRBC模塊不提供負載功率；S2段表示并網控制器DRBC對外輸出功率2 kW，此時系統仍工作在APR域，由APR模塊提供負載功率及并網輸出功率；S3段與S1段相同；S4段表示負載增加8 kW，此時系統工作在DRBC域，2個APR模塊工作在最大功率模式，單模塊輸出功率8 kW，合計16 kW，DRBC輸入5 kW，BCDR不輸出功率；S5段表示負載增加2 kW，此時系統工作在DRBC域，DRBC輸入7 kW，2個APR模塊提供最大功率16 kW；S6段與S4段相同；S7段表示負載增加6 kW，此時系統工作在BCDR域，2個APR模塊提供最大功率16 kW，1個DRBC模塊提供最大輸入功率8 kW，1個BCDR模塊提供放電功率3 kW。從各個工作域的切換可以看出：系統母線電壓變化范圍始終小于0.5%，工作狀態穩定。表3為系統工作狀態。

表2 仿真參數Table 2 Simulation parameters

圖6 系統各工作模式仿真波形Fig.6 System simulation waveforms of each working mode

表3 系統工作狀態Table 3 System operation states

為了驗證系統控制策略的魯棒性，對1個APR模塊發生故障時系統的工作情況進行仿真，仿真波形如圖7所示。系統工作在APR域，2個APR模塊提供負載功率13 kW，在0.5 s時，APR1模塊發生故障，輸出功率變為0。母線電壓從403.6 V下降到402.8 V，系統進入DRBC域，APR2提供最大功率8 kW，DRBC提供剩余的5 kW；在1.0 s時，負載增加到21 kW；在1.2 s時，增加到23 kW；在1.3 s時又下降到21 kW。負載增加變化過程中母線電壓變化范圍始終小于0.5%，驗證了系統在在單個模塊發生故障后仍能繼續為負載穩定供電，無需通信參與，控制策略具有較高的魯棒性。

圖7 APR1模塊故障時的系統仿真波形Fig.7 System simulation waveforms with APR1 module failed

4 結束語

未來新一代航天器平臺的需求推動了航天器電源系統向大功率、智能化和高可靠自主管理的方向發展。航天器任務對超大功率能源系統需求不斷增強，50～100 kW超大功率電源系統成為未來大功率航天器能源系統的發展趨勢。本文結合任務需求和研制現狀，對100 kW電源系統的系統架構、母線體制、配置組成和系統控制策略等開展研究；結合現有研制基礎，對大功率電源系統設計與研制的關鍵技術進行了梳理和分析，并采用了PSIM軟件對系統進行建模和仿真，驗證了技術的可行性，可為后續高壓大功率電源系統的設計提供技術參考。