空間太陽(yáng)能電站統(tǒng)一調(diào)度設(shè)計(jì)及電能管理分析

劉治鋼，朱立穎，張曉峰，侯欣賓，陳明軒，武建文

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100194；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100194；3. 北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 引 言

空間太陽(yáng)能電站(Space Solar Power Station，SSPS)是在空間將太陽(yáng)能收集、轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)無(wú)線能量傳輸裝置傳回地面，再經(jīng)由地面裝置轉(zhuǎn)換為地面電力的系統(tǒng)[1]。太空發(fā)電站概念自上世紀(jì)六十年代末由美國(guó)科學(xué)家提出以來(lái)，國(guó)際上已對(duì)此研究四十余年[2]。SSPS以其近似無(wú)限供應(yīng)、持續(xù)穩(wěn)定、能流密度大、不受晝夜影響及清潔無(wú)污染等的優(yōu)點(diǎn)，成為各國(guó)能源研究的重要方向。世界發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美國(guó)[3]、日本[4]都在積極開(kāi)展研究工作，并已經(jīng)取得初步成果。

SSPS功率巨大，比傳統(tǒng)航天器高出5個(gè)數(shù)量級(jí)[5]，空間超大功率電力傳輸與管理技術(shù)是制約太空發(fā)電站發(fā)展的核心技術(shù)，其技術(shù)水平的進(jìn)步將帶動(dòng)空間技術(shù)的跨越式發(fā)展。SSPS系統(tǒng)對(duì)于大功率電能管理技術(shù)有著迫切的需求。SSPS電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及管理成為國(guó)際熱點(diǎn)的研究方向之一。

2018年日本的Yermoldina GT等人[6]通過(guò)在橢圓低軌道段進(jìn)行示范空間太陽(yáng)能電站能量傳輸仿真，相關(guān)結(jié)果為在低軌道上建造示范空間太陽(yáng)能電站提供了參照。2017年中國(guó)的Wang等人[7]闡述了空間能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決方案，但未涉及電力系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計(jì)內(nèi)容。2014年西安電子科技大學(xué)的楊陽(yáng)等人提出OMEGA型空間太陽(yáng)能電站架構(gòu)[8]。2015年中國(guó)空間技術(shù)研究院侯欣賓等人提出了多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站[9]概念方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)圍繞SSPS系統(tǒng)架構(gòu)展開(kāi)。2016年楊陽(yáng)等人基于SSPS-OMEGA系統(tǒng)介紹了光學(xué)原理，結(jié)構(gòu)配置，有線和無(wú)線電力傳輸[11]。2017年董亞洲等人根據(jù)SSPS的工作模式給出了全面驗(yàn)證空間太陽(yáng)能電站載荷側(cè)微波能量傳輸?shù)尿?yàn)證系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，對(duì)收發(fā)天線進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)[12]。

綜上，國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于SSPS的研究仍以系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究為主，對(duì)電力系統(tǒng)架構(gòu)和能量調(diào)度策略細(xì)化設(shè)計(jì)未見(jiàn)報(bào)道。本文針對(duì)文獻(xiàn)[8]提出的多旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)空間太陽(yáng)能電站，開(kāi)展電力系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及調(diào)度策略設(shè)計(jì)。提出一種環(huán)形拓?fù)涞目臻g太陽(yáng)能電力系統(tǒng)架構(gòu)，擬解決SSPS超大容量空間電力傳輸和控制問(wèn)題。針對(duì)分層架構(gòu)中多太陽(yáng)電池陣子陣并聯(lián)(U6層)，提出的采用虛擬電阻的下垂控制及MPPT混合控制策略，擬解決母線電壓無(wú)法穩(wěn)定的問(wèn)題。

1 SSPS電力系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

SSPS電力拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中由發(fā)電單元、正母線、負(fù)母線、導(dǎo)電關(guān)節(jié)、磁控管負(fù)載、主母線開(kāi)關(guān)等部分組成。發(fā)電站拓?fù)洳捎铆h(huán)繞式設(shè)計(jì)，不同發(fā)電組向磁控管負(fù)載輸出功率，有效減少主母線電流。其中：U6為太陽(yáng)電池分陣，每?jī)陕诽?yáng)電池分陣組成一個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)體，對(duì)應(yīng)微波磁控管，每一個(gè)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)體均在主母線側(cè)有開(kāi)關(guān)，主母線側(cè)的能源通路可控，利于實(shí)現(xiàn)故障等工況下的冗余重構(gòu)。

SSPS采用逐級(jí)分層功率設(shè)計(jì)原則，其中電源側(cè)由7個(gè)層級(jí)構(gòu)成，分別為：太陽(yáng)能電池單板U1、最小太陽(yáng)能電池陣U2、太陽(yáng)電池子陣U3、子陣升壓?jiǎn)卧猆4、子陣串聯(lián)升壓?jiǎn)卧猆5、太陽(yáng)電池分陣U6，獨(dú)立旋轉(zhuǎn)體U7組成：

1)太陽(yáng)能電池單板U1。

2)最小太陽(yáng)能電池陣U2，由太陽(yáng)能電池單板串聯(lián)U1組成。

3)太陽(yáng)電池子陣U3，通過(guò)并聯(lián)擴(kuò)容，構(gòu)成太陽(yáng)電池子陣，多個(gè)最小太陽(yáng)能電池陣(U2)并聯(lián)組成太陽(yáng)電池子陣(U3)。

4)子陣升壓?jiǎn)卧猆4，由U3接入Boost電路升壓后，并接入相應(yīng)變換器供帶載(電推系統(tǒng)、蓄電池、服務(wù)系統(tǒng)等)。

5)子陣串聯(lián)升壓?jiǎn)卧猆5，U5由U4串聯(lián)升壓構(gòu)成直流母線電壓。

6)太陽(yáng)電池分陣U6，U6由多個(gè)子陣串聯(lián)升壓?jiǎn)卧?U5)并聯(lián)構(gòu)成，下圖以6個(gè)U5并聯(lián)為例。

7)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)體U7，兩個(gè)太陽(yáng)電池分陣分別接入導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，組成一對(duì)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)體(U7)。

SSPS的分層功率設(shè)計(jì)方式采用了分布式發(fā)電、分布式傳輸和控制的模式，且具有傳輸距離短、電力損耗小、可重構(gòu)、系統(tǒng)可靠性高、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。表1給出了空間電站分層功率設(shè)計(jì)的示例，U7獨(dú)立旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)功率等級(jí)達(dá)到1 MW。

表1 空間電站分層功率設(shè)計(jì)示例Table 1 SSPS hierarchical power design example

2 分層的功率平衡控制及統(tǒng)一調(diào)度策略研究

2.1 分層功率平衡控制策略

目前航天器常用功率管理方案基于S3R[12]或S4R技術(shù)[13]。S3R系統(tǒng)由分流調(diào)節(jié)單元(SR)、蓄電池充電單元(BCR)、蓄電池放電單元(BDR)組成。S4R相較S3R型技術(shù)在母線調(diào)節(jié)及充電調(diào)節(jié)上沒(méi)有電感，提高了效率和可靠性，更易模塊化設(shè)計(jì)。

然而，SSPS由于功能設(shè)計(jì)與航天器不盡相同，在功率等級(jí)、體積、重量等方面均存在較大差異，因此空間發(fā)電站的能量管理方案不能直接采用航天器系統(tǒng)的常規(guī)模式。空間發(fā)電站無(wú)法在高壓母線側(cè)配置足夠容量的儲(chǔ)能裝置，如何在空間發(fā)電站主母線側(cè)無(wú)儲(chǔ)能和在滿足空間發(fā)電站功率輸出的前提下，確保直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

SSPS需要盡可能將光伏功率通過(guò)導(dǎo)電關(guān)節(jié)傳輸至磁控管，向地面發(fā)射。由于空間發(fā)電站的裝機(jī)容量較大，其結(jié)構(gòu)與地面直流微電網(wǎng)相似，可借鑒地面微電網(wǎng)的運(yùn)行控制模式。

直流微網(wǎng)中Boost變換器的工作模式主要由MPPT、雙閉環(huán)穩(wěn)壓、下垂控制三種方式組成。三種控制策略的合理配置和組合構(gòu)成了直流微網(wǎng)的功率管理方案。發(fā)電站的功率變換器，既需要直流母線電壓穩(wěn)定的電壓源工作模式，也需要有處于維持功率平衡、跟蹤功率指令的電流源變換器模式。

基于前文提出的環(huán)形拓?fù)涞目臻g發(fā)電站結(jié)構(gòu)，以U6為控制對(duì)象，進(jìn)行功率調(diào)節(jié)控制策略研究，針對(duì)MPPT、雙閉環(huán)穩(wěn)壓、下垂控制三種控制策略的不同組合方式，進(jìn)行仿真分析，假設(shè)存在T路U5升壓電路并聯(lián)，其中MPPT最大功率跟蹤、雙閉環(huán)穩(wěn)壓控制以及下垂穩(wěn)壓控制，所對(duì)應(yīng)的路數(shù)分別是NM、NUd、NUI，T=NM+NUd+NUI，組成的U6太陽(yáng)電池分陣單元結(jié)構(gòu)如下圖所示：

本文針對(duì)上述三種控制策略的組合開(kāi)展研究，對(duì)于U6單元分三種控制方式：

控制策略1：光伏MPPT算法向負(fù)載供電；

控制策略2：光伏MPPT算法+穩(wěn)定直流母線電壓控制；

控制策略3：光伏MPPT算法+下垂穩(wěn)定直流母線電壓控制。

下面分別對(duì)MPPT控制算法、穩(wěn)壓控制、下垂控制進(jìn)行介紹：

圖6為MPPT控制策略框圖，MPPT方式采用常用的P&O擾動(dòng)觀察法，光伏太陽(yáng)板輸出的電壓電流作為MPPT控制器的輸入量，通過(guò)對(duì)功率進(jìn)行擾動(dòng)后判斷最大功率點(diǎn)的位置和下一次的擾動(dòng)方向，最后找到最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

圖7為雙閉環(huán)穩(wěn)壓控制策略框圖，光伏Boost升壓電路的輸出側(cè)電壓作為控制策略的輸入量，與給定期望電壓值做差，通過(guò)電壓外環(huán)PI控制器后，輸出值與Boost電路電感電流做差，通過(guò)電流內(nèi)環(huán)PI控制器后，生成占空比控制Boost電路以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制目的。

圖8為下垂控制策略框圖，光伏Boost升壓電路的輸出側(cè)電壓和輸出電流作為該控制策略的兩個(gè)輸入量，輸出電流乘以下垂系數(shù)k后，與給定期望電壓值做差，同時(shí)再與輸出電壓做差，差值通過(guò)電壓環(huán)PI控制器后，輸出值與電感電流做差，通過(guò)電流環(huán)PI控制器后，生成占空比控制Boost電路以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制目的。

2.2 控制策略仿真分析及結(jié)果

本節(jié)以發(fā)電組U6為控制對(duì)象，建立相應(yīng)的仿真模型，以對(duì)比和驗(yàn)證不同功率控制方案的差異和控制效果。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)置U6發(fā)電組內(nèi)由5路U5發(fā)電單元構(gòu)成。仿真參數(shù)如下：U5接入太陽(yáng)能電池板功率20 kW，一共5路，構(gòu)成100kW的U6發(fā)電組。仿真策略如前文所示，分為三類：

(1)策略1-光伏MPPT算法向負(fù)載供電；

(2)策略2-光伏MPPT算法+穩(wěn)定直流母線電壓控制；

(3)策略3-光伏MPPT算法+下垂穩(wěn)定直流母線電壓控制。

表2 仿真工況說(shuō)明Table 2 Simulation conditions

假設(shè)本系統(tǒng)存在T路并聯(lián)Boost升壓電路，其中控制算法分為三類，即MPPT最大功率跟蹤、直接雙閉環(huán)穩(wěn)壓控制以及下垂穩(wěn)壓控制，所對(duì)應(yīng)的路數(shù)分別是NM、NUd、NUI，則T=NM+NUd+NUI。電路參數(shù)及仿真參數(shù)見(jiàn)表3，表4所示。

(1)策略1-光伏MPPT策略下向負(fù)載供電

在仿真進(jìn)行至0.6 s時(shí)，負(fù)載電阻由16.7 Ω變化至50 Ω，光伏輸出功率和負(fù)載電流、電壓及功率的變化如圖9和10所示。

表3 Boost電路參數(shù)Table 3 Boost circuit parameters

表4 仿真參數(shù)Table 4 Simulation parameters

從圖9和10中可以看出，由MPPT控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)直接向負(fù)載供電過(guò)程，在滿足功率平衡條件下，負(fù)載電壓可以穩(wěn)定在由功率平衡所計(jì)算的電壓值處，即滿足：

(1)

其中，Pout為輸出功率；Uout為輸出電壓；R為負(fù)載電阻；PMPPT為光伏發(fā)電最大功率。

假設(shè)NM=2，仿真在0.6 s時(shí)，負(fù)載電阻由16.7 Ω變化至50 Ω，各光伏輸出功率和負(fù)載電流、電壓及功率的變化如圖11和12所示。

從圖11和12中可以看出，由MPPT控制的兩路光伏發(fā)電系統(tǒng)直接向負(fù)載供電過(guò)程，在滿足功率平衡條件下，負(fù)載電壓可以穩(wěn)定在由功率平衡所計(jì)算的電壓值處，即滿足：

(2)

其中：NM為MPPT控制總路數(shù)；i為MPPT控制的第幾路，其余參數(shù)與公式(1)相同。

由仿真工況(1)光伏MPPT算法向負(fù)載供電可知，NM路光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)直接向負(fù)載供電，如各路均采用MPPT算法輸出功率，則負(fù)載電壓將由式(2)決定，電壓可以穩(wěn)定，但是不能隨著負(fù)載功率指令變化過(guò)程而穩(wěn)定在某一固定的特定的值，此時(shí)多路MPPT變換器輸出類似于電流源特性，因此單獨(dú)采用多路MPPT控制法無(wú)法達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

(2)策略2-光伏MPPT算法+穩(wěn)定直流母線電壓控制

假設(shè)NM=2，NUd=2的情況下，空間站存在長(zhǎng)距離傳輸導(dǎo)線，線路壓降導(dǎo)致控制目標(biāo)與實(shí)際輸出不可避免存在一定差異，為模擬實(shí)際工況，凸顯此差異性，給定兩路的期望母線電壓指令不同，一路為1000 V，另一路為900 V。

當(dāng)負(fù)載電阻由16.7 Ω至14 Ω再至50 Ω，仿真時(shí)間1.7 s，且在0.6 s和1.5 s處兩次切換負(fù)載，所得光伏陣列輸出特性、直流母線電壓仿真結(jié)果如圖13和14所示。

由圖13和14可知，

1)0～0.19 s內(nèi)，負(fù)載阻值16.7 Ω，直流母線電壓從0上升，電路處于功率構(gòu)建暫態(tài)，存在兩路穩(wěn)壓控制回路共同出力過(guò)程，在高期望直流母線電壓下的功率為59.88 kW<(21.96 kW×2+21.96 kW)的條件下，低期望電壓回路的光伏電流向零趨近，直流母線電壓向高期望電壓趨近；

2)而在0.19～0.6 s內(nèi)，負(fù)載阻值16.7 Ω，進(jìn)入低期望電壓回路完全不輸出功率，由高期望電壓回路穩(wěn)定直流母線電壓到1000 V至穩(wěn)態(tài)；

3)在0.6 s～0.8 s，負(fù)載變?yōu)?4 Ω，若想維持高期望電壓則需向負(fù)載提供功率為71.43 kW>(21.96 kW×2+21.96 kW)，則高期望直流母線電壓回路希望繼續(xù)輸出功率，但是由光伏陣列電壓功率曲線特性決定其只能向短路靠近，輸出功率降低；

4)在0.8～1.2 s內(nèi)，由于高期望穩(wěn)壓回路的光伏短路輸出功率為零，而且在低期望電壓下當(dāng)前負(fù)載所需功率57.86<(21.96 kW×2+21.96 kW)的條件下，低期望電壓回路可以穩(wěn)定直流母線電壓，但是受控制參數(shù)和前一階段的誤差積分影響，使處于斷路的低期望回路光伏陣列輸出需要時(shí)間，故此階段直流母線電壓變成由兩路MPPT輸出功率和負(fù)荷進(jìn)行的匹配電壓，即784.14 V；

5)1.2～1.5 s內(nèi)，低期望電壓回路輸出功率，穩(wěn)定直流母線電壓至900 V；

6)1.5～1.7 s內(nèi)，負(fù)載再度變化為50 Ω，則在低期望電壓下所需功率為16.2 kW<(21.96 kW×2)，則低期望電壓環(huán)路失去作用，再次進(jìn)入短路狀態(tài)，而直流母線電壓將再次由兩路MPPT輸出功率和負(fù)荷進(jìn)行的匹配電壓，即1481.9 V。

可以看出，在由多路穩(wěn)壓?jiǎn)卧岸嗦稭PPT結(jié)構(gòu)下，系統(tǒng)可能由于線路損耗、傳感器采樣誤差等原因的共同作用下，僅依靠穩(wěn)壓控制+MPPT控制方式，負(fù)載突增情況下，MPPT響應(yīng)速度過(guò)慢，由于Boost電路沒(méi)有吸收能量的能力，最后負(fù)載電壓超過(guò)指令電壓，可能出現(xiàn)母線電壓失穩(wěn)等工況。

(3)策略3-虛擬阻抗的下垂控制+MPPT混合控制策略

設(shè)NM=2，NUI=2的情況下，為凸顯每一路的差異性，假設(shè)兩路的期望母線電壓的給定不同，一路是1000 V，另一路是900V。負(fù)載定義為[50 Ω，16.7 Ω，14 Ω，11.1 Ω]，即超輕載、輕載、重載和超重載(由NM路MPPT功率、NUI路下垂穩(wěn)壓回路直流母線電壓)，負(fù)載變化與策略(2)一致，仿真結(jié)果如圖15和16所示。

可以看出，在基于虛擬電阻的下垂控制+MPPT混合控制策略下，在0.6 s及1.5 s切換負(fù)載時(shí)刻前后，兩路虛擬阻抗單元均輸出功率，維持功率平衡，MPPT單元處于最大功率輸出狀態(tài)。

基于虛擬阻抗的下垂控制策略對(duì)通信依賴較小，控制策略簡(jiǎn)單、控制方式靈活、可實(shí)現(xiàn)即插即用，利于模塊化設(shè)計(jì)。發(fā)電站系統(tǒng)均可以在滿足功率平衡的基礎(chǔ)上，直流母線電壓穩(wěn)定，在空間發(fā)電站正常運(yùn)行的前提下，做到功率的最大化輸出，證明了基于虛擬阻抗下垂控制策略的必要性及有效性。

3 結(jié) 論

針對(duì)目前空間太陽(yáng)能電站缺乏電力系統(tǒng)調(diào)度策略設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文提出了一種環(huán)形拓?fù)涞奶?yáng)能光伏空間發(fā)電站結(jié)構(gòu)，并開(kāi)展了設(shè)計(jì)分析和驗(yàn)證工作，得到了如下結(jié)論：

1)SSPS的分層功率設(shè)計(jì)方式采用了分布式發(fā)電、分布式傳輸和控制的模式電力系統(tǒng)構(gòu)架由7個(gè)層級(jí)組成。解決了超大容量空間電力傳輸和控制的問(wèn)題。

2)提出在空間發(fā)電站功率平衡基礎(chǔ)上，以下垂控制為第一層控制策略，并進(jìn)行電壓恢復(fù)控制和組網(wǎng)控制，形成多層控制策略結(jié)構(gòu)。

3)針對(duì)分層架構(gòu)中多太陽(yáng)電池陣子陣并聯(lián)(U6層)，提出的采用虛擬電阻的下垂控制及MPPT混合控制策略，解決了直流側(cè)母線電壓無(wú)法穩(wěn)定的問(wèn)題，開(kāi)展了仿真驗(yàn)證工作，證明了方法的有效性。