天舟一號貨運飛船分散配電控制系統(tǒng)

王宏佳，于 磊，黨 蓉

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

1 引言

隨著中國載人航天工程的推進(jìn)，載人航天器配電控制系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)出配電電壓高、設(shè)備數(shù)量多、控制需求復(fù)雜的特點，對設(shè)計研制高電壓、高效率配電控制系統(tǒng)提出了要求[1-2]。

目前，國際空間站采用124 V母線，系統(tǒng)配電采用兩級電源變換的方案[3]，歐洲的自動轉(zhuǎn)移飛行器(Automated Transfer Vehicle，ATV)采用28 V母線[4]，SpaceX公司龍飛船采用120 V/28 V兩種母線電壓[5]。國內(nèi)深空探測[6]、遙感衛(wèi)星[7]、小衛(wèi)星[8]等采用將母線直接輸送到負(fù)載或?qū)⒛妇€統(tǒng)一變換到負(fù)載所需電壓后輸送到負(fù)載兩種形式，但大都采用低壓42 V、28 V母線體制。我國天宮一號空間實驗室、東四平臺采用100 V母線，大部分負(fù)載供電為兩級電源變換方案，負(fù)載用電設(shè)備的工作電壓一般為±12 V、±5 V、3.3 V等低電壓[9-10]。100 V配電的航天器通常采用兩級變換方案：第一級通常設(shè)置在一次母線配電器內(nèi)部進(jìn)行集中變換為低壓傳輸使用，第二級變換設(shè)置在負(fù)載設(shè)備端。第一級功率變換可以采用定制大功率DC/DC實現(xiàn)，低壓傳輸保證了供電安全性[11-12]。由于配電通路存在兩個功率變換環(huán)節(jié)，隨著負(fù)載設(shè)備數(shù)量和功耗的增加，變換損耗隨之提高，傳輸效率降低，導(dǎo)致配電可靠性降低[13-14]。此外，在載人航天器內(nèi)部，負(fù)載設(shè)備經(jīng)常是分散布局，配電電纜布線復(fù)雜，低壓輸電會帶來電纜質(zhì)量的增加[15]。

本文針對天舟一號貨運飛船配電系統(tǒng)的設(shè)計特點，綜合負(fù)載設(shè)備配電、火工裝置引爆、組合體間并網(wǎng)供電等需求，統(tǒng)籌負(fù)載設(shè)備安裝位置、功率變換效率、電纜壓降等設(shè)計因素，對負(fù)載設(shè)備低壓供電需求采用單級變換形式，采用通用化方法設(shè)計配電控制器，以實現(xiàn)配電系統(tǒng)的高效、安全、可靠和在軌運行。

2 分散配電控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 配電控制系統(tǒng)設(shè)計

天舟一號貨運飛船的負(fù)載配電具有以下特點：

1)供電電壓高。除部分熱控加熱片、推進(jìn)閥門、電機(jī)、傳感器采用28 V供電外，其余電子單機(jī)均采用100 V供電。多數(shù)設(shè)備都有配電開關(guān)控制的要求。

2)數(shù)量多、布局分散。不同種類的采用100 V、28 V供電的設(shè)備，分散布局在各個艙段的儀器板、艙內(nèi)壁、艙外安裝支架等位置。相應(yīng)的配電電纜網(wǎng)布線復(fù)雜，電纜傳輸損耗不容忽視。

3)能量轉(zhuǎn)換效率要求高。負(fù)載設(shè)備接收100 V或28 V電壓后通常需變換為低壓使用，傳統(tǒng)兩級電壓變換方式導(dǎo)致的效率較低問題需優(yōu)化解決。

4)新增并網(wǎng)供電功能。未來載人航天器?？靠臻g站期間，從能源供給角度提出了組合體之間雙向并網(wǎng)供電要求。

本文針對上述配電特點，提出“100 V傳輸、區(qū)域分散配電、配電設(shè)備通用”的分散配電控制設(shè)計思路，建立100 V分散配電控制系統(tǒng)(如圖1所示)，實現(xiàn)負(fù)載的配電控制。其中，功率管理器作為電源系統(tǒng)到配電控制系統(tǒng)的功率輸出端口，匯集了分流調(diào)節(jié)器和放電調(diào)節(jié)器的功率輸出，為配電系統(tǒng)提供100 V功率母線。

分散配電控制系統(tǒng)主要由母線控制單元、100 V/28 V配電控制器、火工控制裝置、并網(wǎng)控制器及電纜網(wǎng)組成，分別實現(xiàn)負(fù)載設(shè)備配電控制、火工裝置引爆控制、并網(wǎng)供電控制功能：

1)配電功能。為減少主功率線路中的串聯(lián)環(huán)節(jié)，首先將電源系統(tǒng)提供的100 V主功率線路，通過1臺母線控制單元轉(zhuǎn)接成若干路100 V，通過電纜網(wǎng)送到航天器各艙段配電區(qū)域的100 V配電控制器，實現(xiàn)100 V直接傳輸，分散配置。同時由母線控制單元內(nèi)部DC/DC變換產(chǎn)生指令母線，實現(xiàn)與100 V供電母線隔離。同以往集中式低壓配電控制系統(tǒng)相比，從傳輸效率、系統(tǒng)重量、配電網(wǎng)拓?fù)淇煽啃?、電纜網(wǎng)布局布線、配電產(chǎn)品繼承性等進(jìn)行了綜合比較，根據(jù)各艙段負(fù)載設(shè)備布局，就近設(shè)置若干臺100 V配電控制器和28 V配電控制器實現(xiàn)區(qū)域配電控制。根據(jù)各個配電區(qū)域的配電輸出通路的數(shù)量、功率和分布位置，按照通用化設(shè)計思路進(jìn)行配電功能整合，實現(xiàn)各個區(qū)域100 V、28 V配電控制器的統(tǒng)一設(shè)計。

圖1 100 V分散配電控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of 100 V power distribution system with disperse control

2)火工裝置引爆功能。根據(jù)火工品布局位置，在不同艙段配置若干火工控制裝置，根據(jù)指令實現(xiàn)可靠引爆。為保證火工品供電電源的獨立可靠，火工品供電電源采用從電源分系統(tǒng)電池組通過中間抽頭的形式提供，從不同電池組引出多個獨立火工品母線以實現(xiàn)冗余備份。

3)并網(wǎng)供電控制功能。根據(jù)?？靠臻g站期間的并網(wǎng)功率需求設(shè)置并網(wǎng)控制器，實現(xiàn)組合體間的雙向并網(wǎng)供電?？臻g站側(cè)作為并網(wǎng)主導(dǎo)端，采用恒流限壓工作方式，以實現(xiàn)并網(wǎng)功率的精確調(diào)節(jié)；來訪飛行器側(cè)作為并網(wǎng)從屬端，設(shè)置雙向功率控制開關(guān)，控制功率流向，并采取必要的限流保護(hù)措施以確保并網(wǎng)安全。

分散配電控制系統(tǒng)設(shè)計主要優(yōu)勢在于：①在100 V分散配電控制系統(tǒng)中，采用單級功率變換設(shè)計方式，將電源系統(tǒng)產(chǎn)生的100 V高壓直流母線長距離直接輸送到用電負(fù)載端，由負(fù)載端DC/DC變換器進(jìn)行一次電壓變換后使用，可以解決傳統(tǒng)兩級串聯(lián)變換帶來的變換損耗大、整體變換效率低的問題；②按照配電系統(tǒng)重量最優(yōu)、電纜損耗最小、配電通路使用效率最高、配電路徑及電纜長度最短、盡量避免熱分布集中的目標(biāo)，對航天器的配電系統(tǒng)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可實現(xiàn)配電控制器乃至配電功率通路的通用化設(shè)計。

2.2 單級功率變換設(shè)計

為實現(xiàn)100 V輸電，降低變換損耗，提高配電功率利用率，在配電通路設(shè)計方面，100 V配電控制器端不再設(shè)置DC/DC變換器，100 V直接傳輸?shù)截?fù)載設(shè)備，在負(fù)載設(shè)備端設(shè)置一級DC/DC變換器，實現(xiàn)負(fù)載設(shè)備內(nèi)部電路板供電。同時，將28 V配電控制器也視為100 V配電控制器的負(fù)載，接收100 V直接配電后，經(jīng)過一級DC/DC變換為28 V電壓，為加熱片、電磁閥等28 V負(fù)載直接配電。

傳統(tǒng)兩級變換結(jié)構(gòu)與單級變換結(jié)構(gòu)比較見圖2。單級變換結(jié)構(gòu)中，從100 V母線到負(fù)載設(shè)備的配電通路上僅存在單級功率變換，在設(shè)計上保證了降低損耗、提高效率。

圖2 配電通路上功率變換結(jié)構(gòu)比較Fig.2 Comparison of voltage conversion structure in the power channels

2.3 配電控制器通用化設(shè)計

根據(jù)負(fù)載電壓需求不同，配電控制器分為100 V配電控制器和28 V配電控制器。

1)100 V配電控制器

100 V配電控制器的配電通道按照最大區(qū)域負(fù)載需求進(jìn)行配置，包括：艙內(nèi)100 V供電控制通路、艙外100 V供電控制通路；同時設(shè)置若干路100 V直接輸出供電通路，用以滿足分系統(tǒng)單機(jī)內(nèi)部供電控制的負(fù)載需求。其中，100 V供電控制通路采用繼電器控制輸出，均帶有霍爾電流測量功能，其中部分按照8 A通道設(shè)計，用于滿足峰值功率輸出要求；其余均按照5 A通道設(shè)計。為防止艙外100 V負(fù)載設(shè)備短路故障時對主母線造成影響，在艙外100 V供電控制通路輸出端設(shè)置熔斷器電路。

每臺100 V配電控制器設(shè)置若干路100 V直接輸出，其中部分按照最大允許電流a檔設(shè)計，帶有霍爾電流測量功能，用以滿足隨整船啟動設(shè)備等小功率負(fù)載需求；另一部分按照最大允許電流b檔設(shè)計，無霍爾電流測量功能，用于滿足28 V配電控制、試驗載荷等大功率設(shè)備需求，由負(fù)載進(jìn)行電流測量。

100 V配電控制器功能框圖如圖3。

圖3 100 V配電控制器功能框圖Fig.3 Function diagram of 100 V power distributor

2)28 V配電控制器

28 V配電控制器接收100 V配電控制器提供的100 V電源，通過內(nèi)部100 V/28 V電壓變換，為28 V負(fù)載設(shè)備提供電源。采用類似設(shè)計思想，28 V配電通道設(shè)計包括：若干路15 A供電控制通路，1 A開關(guān)供電控制通路；同時設(shè)置28 V直接輸出供電通路。

28 V配電控制器采用若干個DC/DC模塊并聯(lián)輸出熱備份的結(jié)構(gòu),每個DC/DC模塊均可通過發(fā)送指令進(jìn)行通斷控制。實現(xiàn)了負(fù)載輸出能力的提升和配電冗余設(shè)計。

28 V配電控制器功能框圖如圖4。

圖4 28 V配電控制器功能框圖Fig.4 Function diagram of 28 V power distributor

2.4 并網(wǎng)控制器設(shè)計

來訪飛行器與空間站之間的雙向并網(wǎng)供電通過配置并網(wǎng)控制器來實現(xiàn)。并網(wǎng)控制器的功率通道，一方面接收100 V空間站母線輸入，提供100 V控制輸出給來訪飛行器母線控制單元，另一方面接收100 V來訪飛行器母線輸入，提供100 V控制輸出給空間站母線。

采用變流限壓式功率變換實現(xiàn)航天器間并網(wǎng)供電，并網(wǎng)控制器輸出特性為恒流限壓源，并網(wǎng)功率(電流)輸出可調(diào)。正常并網(wǎng)工作時，并網(wǎng)控制器以恒流源形式輸出功率，并網(wǎng)控制器不參與母線電壓控制，空間站及來訪飛行器分別由各自的電源系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)實現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載功率小于并網(wǎng)控制器設(shè)定輸出功率時，并網(wǎng)控制器輸出限壓，對并網(wǎng)功率輸出側(cè)母線電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，防止母線電壓不可控。

為確保并網(wǎng)供電安全，在來訪飛行器向空間站并網(wǎng)供電前，需檢測輸出通道是否存在短路；在來訪飛行器向空間站并網(wǎng)供電過程中，實時檢測并網(wǎng)電流，若并網(wǎng)電流達(dá)到限流值，跳閘斷開并網(wǎng)功率通路。

并網(wǎng)控制器功能框圖如圖5。

圖5 并網(wǎng)控制器功能框圖Fig.5 Function diagram of grid-connection controller

3 地面試驗及飛行試驗驗證

本文提出的分散配電控制系統(tǒng)設(shè)計在中國首艘貨運飛船天舟一號上獲得應(yīng)用，經(jīng)過了地面試驗及在軌飛行試驗驗證。

3.1 地面試驗

綜合測試期間，對100 V配電、28 V配電控制通路進(jìn)行了全面驗證，經(jīng)過測試表明，配電控制體系設(shè)計協(xié)調(diào)，100 V、28 V配電控制開關(guān)設(shè)置合理，滿足各飛行任務(wù)設(shè)備加斷電控制需求。圖6所示為穩(wěn)態(tài)供電期間母線電壓紋波和進(jìn)出影期間母線電壓測試波形：穩(wěn)態(tài)工作期間100 V、28 V狀態(tài)穩(wěn)定，電壓紋波滿足要求；進(jìn)、出影期間100 V母線電壓波動滿足設(shè)計指標(biāo)要求，其中出影后母線電壓由太陽電池陣輸出分流調(diào)節(jié)，進(jìn)影后母線電壓由蓄電池輸出放電調(diào)節(jié)。

圖6 試驗波形Fig.6 Experimental waveforms

對空間站與來訪飛行器恒流限壓式并網(wǎng)供電方案進(jìn)行試驗，驗證2000 W并網(wǎng)功能、并網(wǎng)功率分檔調(diào)節(jié)功能、并網(wǎng)功率接入/斷開工作時序、故障隔離功能。試驗結(jié)果表明，并網(wǎng)功能工作正常，時序設(shè)計合理、并網(wǎng)供電效率實測大于90%，滿足要求。

圖7為并網(wǎng)功率階躍調(diào)節(jié)試驗波形，系統(tǒng)負(fù)載設(shè)置為2200 W，并網(wǎng)輸出功率進(jìn)行從0到2000 W階躍測試，在此期間并網(wǎng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并網(wǎng)控制器工作在恒流模式，母線電壓由航天器器電源系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在100.5～101.2 V范圍內(nèi)。

圖7 并網(wǎng)功率階躍調(diào)節(jié)試驗波形Fig.7 Grid-connection power step adjustment test waveforms

3.2 飛行試驗

2017年4月20日天舟一號貨運飛船發(fā)射入軌后，與天宮二號空間實驗室完成了首次在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)和首次自主快速交會對接任務(wù)。

圖8為100 V配電母線電壓、28 V配電電壓遙測波形。飛行任務(wù)期間100 V、28 V電壓穩(wěn)定，供電能力充足，進(jìn)影、出影期間100 V母線電壓波動滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

圖8 100 V、28 V母線電壓波形Fig.8 100 V and 28 V bus voltage waveforms

圖9為整船負(fù)載曲線。整船負(fù)載設(shè)備按飛行程序安排實現(xiàn)了可靠的加斷電控制，配電功率滿足負(fù)載所需，配電控制器、火工控制裝置、并網(wǎng)控制器工作狀態(tài)穩(wěn)定，遙測參數(shù)正常。所設(shè)計的分散配電控制系統(tǒng)經(jīng)過了飛行試驗的考核。

圖9 整船負(fù)載曲線Fig.9 Load power waveforms

相對傳統(tǒng)兩級變換，配電系統(tǒng)變換效率提高了8%。模塊體積、重量均變小，優(yōu)化了系統(tǒng)重量。經(jīng)實際評估，功耗節(jié)約近200 W，系統(tǒng)重量優(yōu)化近30 kg。

4 結(jié)論

根據(jù)天舟一號貨運飛船負(fù)載配電控制特點，提出了“100 V傳輸、區(qū)域分散配電、配電設(shè)備通用”的分散配電控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

1)綜合配電分散控制和單級功率變換的設(shè)計思路，給出了配電器、并網(wǎng)控制器設(shè)計方案，經(jīng)過了地面試驗和飛行試驗驗證。

2)經(jīng)在軌評估，配電系統(tǒng)傳輸效率提高了8%，電纜重量優(yōu)化約30 kg。

3)實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的高效、安全、可靠運行，為后續(xù)載人型號配電控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。