空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉世超，李 陽(yáng)，吳春瑜，靳 洋，高劭倫

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

目前，航天器能源系統(tǒng)均采用太陽(yáng)電池陣作為主能源，但是，隨著人類航天活動(dòng)范圍不斷拓展，以及未來(lái)所執(zhí)行航天任務(wù)日益豐富，在很多應(yīng)用場(chǎng)合，太陽(yáng)電池已經(jīng)無(wú)法滿足需求。

木星、土星附近的太陽(yáng)輻射照度非常低，太陽(yáng)能電池已經(jīng)無(wú)法滿足探測(cè)器本身的能量需要，如圖1 所示[1-2]。由于核電源系統(tǒng)不受太陽(yáng)光照的限制，將是空間能源的唯一出路。在高周期雷達(dá)觀測(cè)、太空垃圾清除、全球生態(tài)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用背景下，提出了100 kW 以上，甚至達(dá)到MW 級(jí)的超大功率需求，需要大面積太陽(yáng)能電池陣，但其姿態(tài)控制非常困難[3-5]。此外，國(guó)內(nèi)外研究成果表明，功率達(dá)到100 kW 以上，與太陽(yáng)電池陣相比，空間核電源系統(tǒng)在功率質(zhì)量比、功率體積比等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，如圖2所示[6-7]。

圖1 深空探測(cè)任務(wù)Fig.1 Deep space exploration mission

空間核動(dòng)力平臺(tái)是指基于核反應(yīng)堆發(fā)電推進(jìn)平臺(tái)，其既可為各種負(fù)載提供電能，又可提供推進(jìn)動(dòng)力，主要由核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、散熱與輻射器、電力管理系統(tǒng)以及電推進(jìn)系統(tǒng)等組成，如圖3 所示[8]。由于布雷頓熱電轉(zhuǎn)換方式具有輸出功率擴(kuò)展方便、超大功率下的功率密度高等特點(diǎn)，本文主要面向采用布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的空間核動(dòng)力平臺(tái)開展相關(guān)研究工作[9]。

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

圖3 空間核動(dòng)力平臺(tái)系統(tǒng)組成Fig.3 Configuration of the space nuclear power platform

空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)完成對(duì)由核反應(yīng)堆產(chǎn)生、經(jīng)布雷頓熱電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的能量進(jìn)行變換、調(diào)節(jié)、分配與控制等功能，在全運(yùn)行周期內(nèi)，電力管理系統(tǒng)為空間核動(dòng)力平臺(tái)各種負(fù)載提供電力來(lái)源，還為核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等核發(fā)電裝置供電。

1 空間核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)特點(diǎn)

空間核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）交流供電體系。熱電系統(tǒng)本質(zhì)上是反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱能推動(dòng)熱機(jī)做功，帶動(dòng)內(nèi)部發(fā)電機(jī)發(fā)出電能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)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(diǎn)。

2）多電壓母線。負(fù)載具有多樣性，如高功率載荷（如電推力器、雷達(dá)等）功率需求幾十kW，甚至幾百kW，供電電壓可達(dá)幾kV；高壓載荷（如遙感相機(jī)、熱控系統(tǒng)等）供電電壓為100 V、低壓載荷（如綜合電子、測(cè)控系統(tǒng)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(tài)調(diào)節(jié)。由于核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)自身具有蓄熱性，當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生瞬變時(shí)，反應(yīng)堆的熱能產(chǎn)生、熱電系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換等功率調(diào)節(jié)過(guò)程往往需要幾分鐘甚至更長(zhǎng)，反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)響應(yīng)嚴(yán)重滯后于負(fù)載變化，無(wú)法滿足負(fù)載要求。

4）多能源聯(lián)合供電。核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)作為主能源，太陽(yáng)電池陣、蓄電池組作為外部輔助電源，根據(jù)主能源工作特點(diǎn)，在啟動(dòng)前，需要外部輔助電源供電；在啟動(dòng)后直至滿功率運(yùn)行前，主能源與輔助電源聯(lián)合供電；在滿功率運(yùn)行后，外部輔助電源退出供電，當(dāng)負(fù)載功率發(fā)生瞬變，外部輔助電源又可進(jìn)行功率補(bǔ)償。其中，外部輔助電源中的蓄電池組既可由太陽(yáng)電池陣補(bǔ)能，又可由主能源補(bǔ)能。

5）多運(yùn)行參數(shù)相互匹配?？臻g核動(dòng)力平臺(tái)運(yùn)行于不同工況，其內(nèi)部多個(gè)參數(shù)應(yīng)準(zhǔn)確匹配，如核反應(yīng)堆出口溫度，熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)口與出口壓力、流量以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，散熱器輻射溫度、變配電系統(tǒng)輸出功率等，如果出現(xiàn)某些參數(shù)不匹配，有可能造成空間核動(dòng)力平臺(tái)組成部分工作異常甚至毀壞，如熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行安全。

2 國(guó)外空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)

在空間核動(dòng)力平臺(tái)研究方面，國(guó)外以美國(guó)和俄羅斯為代表，已經(jīng)開展了深入研究工作。

2.1 美國(guó)

美國(guó)“普羅米修斯”計(jì)劃旨在研制基于反應(yīng)堆的空間核動(dòng)力平臺(tái)，用于探索木星及冰蓋衛(wèi)星等任務(wù)，電力控制與分配系統(tǒng)（PC&D）是重要組成部分，其主要由電力管理與分配系統(tǒng)（PMAD）、120 V/28 V 轉(zhuǎn)換器、耗散負(fù)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(dòng)力平臺(tái)電力控制與分配（PC&D）架構(gòu)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(fù)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(guò)對(duì)大功率航天器負(fù)載變化的感知，利用脈寬調(diào)制控制方法，保證布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)負(fù)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(zhuǎn)換系統(tǒng)熱機(jī)啟動(dòng)、核反應(yīng)堆冷卻回路的冷卻泵等提供所需能量；Rectifer實(shí)現(xiàn)120 V 與28 V 之間變換；Buck Transformer 將熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出600 V AC 變換為400 V AC 主功率分配母線；PMAD controller 對(duì)電力管理與分配、熱電轉(zhuǎn)換等系統(tǒng)進(jìn)行指令控制與狀態(tài)監(jiān)測(cè)；SG實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)負(fù)載配電控制。

此外，120 V/28 V 轉(zhuǎn)換器是雙向變換器，既對(duì)蓄電池組輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提供能量給逆變器以啟動(dòng)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，又對(duì)太陽(yáng)電池陣或整流器輸出進(jìn)行變換，為平臺(tái)負(fù)載提供調(diào)節(jié)28 V 母線，并將28 V 系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)隔離。

2.2 俄羅斯

2009 年，俄羅斯提出“基于兆瓦級(jí)核能動(dòng)力裝置的運(yùn)輸——?jiǎng)恿δK艙”的重大創(chuàng)新項(xiàng)目，擬建造帶有核能動(dòng)力裝置的空間運(yùn)輸系統(tǒng)，自動(dòng)化電力系統(tǒng)是其重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出變換、系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，為核反應(yīng)堆與熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電推力器及其他負(fù)載配電[14-15]。

3 我國(guó)空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)方案探討

根據(jù)空間核動(dòng)力平臺(tái)任務(wù)需求，針對(duì)采用布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的空間核動(dòng)力平臺(tái)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)外相關(guān)技術(shù)調(diào)研情況，我國(guó)空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)主要由兩部分組成：變配電系統(tǒng)與自主控制系統(tǒng)，其中，變配電系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)電能變換、分配與調(diào)節(jié)等功能；自主控制系統(tǒng)主要針對(duì)空間核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)各組成部分控制功能。

3.1 變配電系統(tǒng)方案

3.1.1 系統(tǒng)功能

變配電系統(tǒng)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(fù)載調(diào)節(jié)多余能量；為平臺(tái)其他各種負(fù)載配電；為核反應(yīng)堆、布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輻射散熱器等控制供電；主電源（核發(fā)電系統(tǒng)）與輔助電源（光伏電源系統(tǒng)）能量雙向變換；系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及過(guò)狀態(tài)保護(hù)。

3.1.2 負(fù)載類型與母線體制

變配電系統(tǒng)負(fù)載類型與母線體制包括：高功率類載荷，如電推力器、全球監(jiān)測(cè)雷達(dá)等，高壓母線，電壓為kV 以上甚至幾kV；高壓不調(diào)節(jié)類載荷，如核反應(yīng)堆執(zhí)行與保護(hù)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)執(zhí)行等裝置，一次不調(diào)節(jié)母線，電壓為80～110 V；高壓調(diào)節(jié)類載荷，如核反應(yīng)堆控制、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制、輻射散熱器控制、太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等裝置，一次全調(diào)節(jié)母線，電壓為（100±1）V；低壓調(diào)節(jié)類載荷，如切換開關(guān)、綜合電子、姿態(tài)軌道控制、數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸與指令控制等裝置，二次全調(diào)節(jié)母線，電壓為（28.5±0.5）V。

3.1.3 系統(tǒng)組成與配置

變配電系統(tǒng)是由高壓供電器、高壓調(diào)壓器、供電切換裝置、電推力器供電控制模塊、平衡負(fù)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(wú)控整流器、濾波器等組成，用于為電推力器、微波雷達(dá)等高功率載荷供電，其中，無(wú)控整流器是由多個(gè)三相橋式整流器串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)高電壓輸出；濾波器采用LC 形式，將整流器輸出電壓脈動(dòng)電壓調(diào)整到可接受范圍。

2）高壓調(diào)壓器。高壓調(diào)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?fù)潆娐?，用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出，以解決從空載到滿載工作時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電壓跌落問(wèn)題。

3）供電切換裝置。供電切換裝置是由開關(guān)裝置及其控制邏輯電路等組成，開關(guān)裝置分為接觸器與繼電器兩種，實(shí)現(xiàn)對(duì)高功率載荷與電推力器、平臺(tái)各種負(fù)載之間供電切換控制。

4）平衡負(fù)載及其控制器。平衡負(fù)載是由金屬電阻器組成，實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力裝置啟動(dòng)與停止、負(fù)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(fā)電機(jī)交流輸出變換成一次全調(diào)節(jié)及不調(diào)節(jié)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(jù)電推力器工作模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電源供電時(shí)序控制，保證電推力器供電需求。

圖5 變配電系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)二次全調(diào)節(jié)母線的變換功能，并為核動(dòng)力裝置（核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）啟動(dòng)供電。

3.2 自主控制系統(tǒng)方案

3.2.1 工作模式

空間核動(dòng)力平臺(tái)工作模式分為啟動(dòng)和動(dòng)力兩種。

1）啟動(dòng)模式?？臻g核動(dòng)力平臺(tái)啟動(dòng)過(guò)程大概分為3 個(gè)階段：準(zhǔn)備、電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)、發(fā)電機(jī)啟動(dòng)，而電力管理系統(tǒng)控制空間核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)其他各組成部分工作，如圖6 所示。

準(zhǔn)備階段?？刂品磻?yīng)堆，使其達(dá)到次臨界狀態(tài)；以較小回路壓力向布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)加注少量工質(zhì)。

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)階段。在外部電能供給下，發(fā)電機(jī)以電動(dòng)機(jī)模式運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)從低速運(yùn)轉(zhuǎn)到較額定轉(zhuǎn)速的50%；控制反應(yīng)堆達(dá)到臨界狀態(tài)，保證核反應(yīng)堆穩(wěn)定輸出功率；不斷提高反應(yīng)堆輸出水平，加大布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)回路工質(zhì)壓力，使反應(yīng)堆出口工質(zhì)壓力、溫度與布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)入口工質(zhì)壓力、溫度保持一致；快速加速布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使其超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的20%。

發(fā)電機(jī)啟動(dòng)階段。將發(fā)電機(jī)從電動(dòng)機(jī)模式切換成發(fā)電機(jī)模式，降低布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功率，進(jìn)入額定轉(zhuǎn)速；將發(fā)電機(jī)連接載荷，同步提高反應(yīng)堆的功率，使其滿功率輸出。

2）動(dòng)力模式。動(dòng)力工作模式分為加載和減載兩種，如圖7 所示。

圖6 啟動(dòng)模式下電力管理系統(tǒng)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(chǔ)能裝置放電，提高母線負(fù)載供給功率；增加布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)入口工質(zhì)壓力，進(jìn)而提高布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出功率；提高冷卻輻射器的工質(zhì)流量，保證布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)入口前工質(zhì)流量與其壓力匹配；控制核反應(yīng)堆，提高核反應(yīng)堆輸出熱功率。

圖7 動(dòng)力模式下電力管理系統(tǒng)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(guò)程如下：控制儲(chǔ)能裝置充電，降低母線負(fù)載供給功率；提高寄生負(fù)載能量消耗，降低母線負(fù)載供給功率；降低布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)入口工質(zhì)壓力，降低布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出功率；減小冷卻輻射器的工質(zhì)流量，與布雷頓熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)入口前壓力匹配；控制核反應(yīng)堆，降低核反應(yīng)堆輸出熱功率。

3.2.2 自主控制系統(tǒng)架構(gòu)

在啟動(dòng)、加減載等幾種工作模式中，空間核動(dòng)力平臺(tái)可靠安全工作是通過(guò)核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輻射散熱器以及電力管理系統(tǒng)等各部分相互配合、協(xié)同工作而實(shí)現(xiàn)，而其又受自主控制系統(tǒng)控制，自主控制系統(tǒng)與核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輻射散熱器及變配電系統(tǒng)等之間控制關(guān)系如圖8 所示。

空間核動(dòng)力平臺(tái)自主控制系統(tǒng)主要由計(jì)算控制器、通信處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換部件等組成；核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輻射散熱器以及變配電系統(tǒng)等控制單元主要由通信處理器、測(cè)量傳感器以及動(dòng)作執(zhí)行部件等組成。

圖8 自主控制系統(tǒng)與其他組成部分間關(guān)系Fig.8 Control relationship between the autonomous control system and other components

自主控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)空間核動(dòng)力平臺(tái)核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輻射散熱器等組成部分的多個(gè)參數(shù)檢測(cè)，監(jiān)視各組成部分運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合當(dāng)前空間核動(dòng)力平臺(tái)狀態(tài)以及負(fù)載工作特性，給各組成部分自身控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，保證各組成部分在啟動(dòng)、動(dòng)力等各個(gè)工況下協(xié)同配合，保證空間核動(dòng)力平臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)行安全。

4 擬突破關(guān)鍵技術(shù)

與光伏電源系統(tǒng)相比，空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)具有顯著的不同，需突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如下：

1）超高壓高效交/直流變換技術(shù)。針對(duì)空間核動(dòng)力平臺(tái)熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的高壓交流信號(hào)無(wú)法滿足直流負(fù)載供電需求的問(wèn)題，突破新型器件應(yīng)用、整流電路效率提高、電流諧波對(duì)發(fā)電機(jī)及附近系統(tǒng)的影響抑制等的方法，保證交流/直流混合電力系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)行安全和穩(wěn)定。

2）空間核動(dòng)力平臺(tái)與負(fù)載耦合匹配技術(shù)。針對(duì)載荷需求功率與核動(dòng)力裝置（核反應(yīng)堆、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）輸出功率不匹配的問(wèn)題，研究基于電能調(diào)節(jié)方式的分時(shí)多級(jí)功率調(diào)控策略，通過(guò)儲(chǔ)能裝置、平衡負(fù)載的利用，滿足航天器負(fù)載動(dòng)態(tài)變化下的供電需求。

3）空間核動(dòng)力平臺(tái)多源并網(wǎng)供電技術(shù)。針對(duì)核動(dòng)力裝置啟動(dòng)需要輔助電源供電以及主電源（核動(dòng)力裝置）與輔助電源供電切換等特點(diǎn)，研究靜態(tài)啟動(dòng)供電、多源平滑切換控制技術(shù)，通過(guò)發(fā)電/電動(dòng)機(jī)一體化、啟動(dòng)負(fù)載的利用，實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力裝置啟動(dòng)時(shí)核反應(yīng)堆與熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)間參數(shù)匹配，保證核動(dòng)力平臺(tái)啟動(dòng)過(guò)程安全可靠。

5 結(jié)論

空間核動(dòng)力平臺(tái)是一種新型電源推進(jìn)一體化平臺(tái)，由于其可提供超大功率與推力，未來(lái)將在全球生態(tài)監(jiān)測(cè)、軌道間拖船、行星研究、清除太空垃圾等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，與傳統(tǒng)光伏+蓄電池組電源系統(tǒng)相比，空間核動(dòng)力平臺(tái)具有能量供給方式與輸出特性不同、系統(tǒng)工況多與運(yùn)行模式復(fù)雜、母線體制眾多且壓差大等特點(diǎn)，其電力管理技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

本文通過(guò)對(duì)空間核動(dòng)力平臺(tái)任務(wù)需求、運(yùn)行特點(diǎn)分析，提出了空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)初步方案，闡述了功能特點(diǎn)、系統(tǒng)組成、工作模式、控制機(jī)制以及需突破的關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)空間核動(dòng)力平臺(tái)電力管理系統(tǒng)技術(shù)研究以及相關(guān)產(chǎn)品研制奠定了基礎(chǔ)。