月球科研站分布式能源系統(tǒng)方案設計

劉奕宏，張 明，楊 祎，劉 枝

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

引 言

隨著對空間探索的深入，未來將從深化月球科學、提升月球探測能力和開展月球資源應用等方面實施全面的系統(tǒng)探測[1]。中國擬在2030年前后建成月球科研站基本型，形成人類長期開展科學探測和資源利用的月面設施[1-2]。將采用3次工程任務+關鍵技術先期攻關的方式，建成月球科研站的基本型[2-6]，并對未來月球科研站擴展與應用展開相關的關鍵技術研究。

本文針對月球極區(qū)特征及月球科研站任務需求，結合月球科研站的組成與建設目標，提出一套多類型分布式能源系統(tǒng)構架技術，實現能源系統(tǒng)的設計。

1 月球科研站任務

1.1 總體任務

月球科研站是一個系統(tǒng)性的工程任務，需具備可維護、可擴展，長期自主運行、短期有人參與的能力，可持續(xù)開展月球科學研究、技術驗證和資源開發(fā)利用。月球科研站分為地月運輸、月面長期支持、月面運輸與操作、月面科學、地面支持及應用等5大設施，功能模塊如圖1所示。任務的主要目標：①開展月球科學研究，推動空間科學發(fā)展；②開展月球資源的原位利用，為太空資源利用奠定基礎；③為載人探月提供短期駐留環(huán)境和技術驗證；④構建國際合作、軍民融合的基礎平臺；⑤開展新技術驗證，支持更遠的深空探測活動。建成后的科研站如圖2所示。

圖1 月球科研站基本組成Fig.1 Basic composition of lunar scientific research station

圖2 建成后的國際月球科研站Fig.2 International lunar scientific research station compled

經過對月球不同區(qū)域的研究與分析，建議月球科研站在月球南極選址[5，7]，其對能源系統(tǒng)約束條件主要有溫度、光照、月塵3個方面。

1）溫度約束

月球南極地區(qū)月晝期間表面溫度范圍-170～-110 ℃，月夜期間達到- 230 ℃，極區(qū)環(huán)境溫度較低，月面生存條件差，能源系統(tǒng)需具備低溫適應和生存能力[7]。

2）光照約束

極區(qū)的復雜地形對太陽光照產生了十分顯著的影響，部分撞擊坑底部存在永久陰影區(qū)，而在海拔比較高的區(qū)域，如撞擊坑的坑緣、山頂、山脊等，可獲得長時間的連續(xù)光照，南極特定區(qū)域光照時間年占比最大可達80%，利于長期開展科學探測，著陸區(qū)應選擇連續(xù)光照時間長的位置。南極地區(qū)的光照具有太陽高度角低、受地形地貌影響大等特點，月球赤道面與黃道面成1.54°的夾角，在不考慮地形高程的前提下，以1個恒星月為周期，標準月球模型的南極點的太陽高度角在±1.54°之間變化，方位角在0°～360°變化，受物理天平動對緯度所產生的影響（0.04°），南緯88.4°～90°的區(qū)域內會出現周期約為半年的極晝極夜[7]。上述約束條件都是能源系統(tǒng)設計需充分考慮的因素。

3）月塵影響

因在月面長期工作，月球科研站月塵的累積影響不可忽略，能源系統(tǒng)需重點考慮月塵覆蓋太陽電池陣，對太陽電池發(fā)電效率造成的影響。

1.2 能源系統(tǒng)任務

月球南極地區(qū)的光照具有太陽高度角低、受地形和地貌影響大等特點。對于月球極區(qū)的永久陰影區(qū)（如撞擊坑底部），陽光永遠無法照射，其內溫度極低，表層和次表層溫度常年維持在40 K左右；而在海拔較高的區(qū)域，如撞擊坑坑緣、山頂、山脊等，往往能得到長時間的連續(xù)光照，溫度也相對較高。經過對2007年在月球兩極獲取的極區(qū)太陽輻照度強度計算分析，南北極地區(qū)地表太陽輻照度在0～38 W/m2，月表溫度約為100～160 K。另外，月球南極還存在為期半年的極晝和極夜現象，探測器需要度過極夜[8-9]。

結合月球科研站的建設目標，能源系統(tǒng)較為復雜，既包括大功率或超大功率等級的主站能源系統(tǒng)，中功率的月面巡視/飛躍/采樣等多任務航天器電源系統(tǒng)，又可能包括小功率的小型航天器電源系統(tǒng)，存在功率等級跨度大，電源類型眾多的特點。

1） 功率等級

（1）主站能源系統(tǒng)：輸出功率≥100 kW，可由多個通用化能源模塊組成；

（2）多任務中型航天器電源系統(tǒng)：輸出功率1 kW，可支持多類型月面探測任務，如巡視/飛躍/采樣等；

（3）小型航天器電源系統(tǒng)：輸出功率不超過100 W，可支持緊急通信、地形預先探測等短期任務，如短期巡游/緊急通信等。

2） 能源系統(tǒng)特點

（1）復雜的工作模式

主站、中型月面航天器、小型航天器任務差異較大，其能源系統(tǒng)組成各不相同，不同任務階段能源系統(tǒng)處于不同的工作狀態(tài)，各階段供電需求不同。

（2）高標準要求的能源系統(tǒng)架構

月球科研站能源系統(tǒng)多種多樣，能源系統(tǒng)的管理架構需具備較強的可擴展性和通用性，這對系統(tǒng)拓撲和控制策略提出了極高要求，尤其是能源系統(tǒng)供電接口應具有較高的通用化和標準化。

（3）嚴格約束的重量

受運載發(fā)射能力約束的限制，能源系統(tǒng)重量要求極其嚴格。需開展高可靠、高功率質量比電源系統(tǒng)的研究，考慮探測器能源系統(tǒng)之間的功能復用，可通過器間系統(tǒng)優(yōu)化實現減重目標。

（4）迫切的能源自主管理需求

與常規(guī)探測器相比，月球科研站能源系統(tǒng)功率規(guī)模、控制系統(tǒng)復雜度、能源類型等發(fā)生了較大的變化，系統(tǒng)的魯棒性要求極高，各類型能源系統(tǒng)需要具備智能融合管理能力，并為科研站的自主任務規(guī)劃提供決策支持。

2 月球能源系統(tǒng)關鍵技術

2.1 核反應堆發(fā)電與防護技術

核反應堆發(fā)電不受外界環(huán)境變化的影響，具有在月晝和月夜連續(xù)供電的能力，尤其在大功率供電方面具有突出的重量優(yōu)勢[10-14]。對月球科研站核反應堆需求分析，完成月面核反應堆發(fā)電系統(tǒng)設計，主要包括反應堆設計、燃料元件設計與樣件研制、高溫熱管組件設計與樣件研制、熱電轉換器件設計與樣件研制和關鍵部組件環(huán)境試驗考核，對關鍵物理過程和性能參數的試驗考核驗證非常重要。在安全分析的基礎上，開展月面核反應堆電源系統(tǒng)的集成與防護設計。

溫差發(fā)電具有高可靠性、斯特林發(fā)電具有熱電轉換效率高的優(yōu)勢，是10 kWe核反應堆電源最具應用前景的兩種熱電轉換技術路線[12，15]。溫差發(fā)電擬采用的方鈷礦（CoSb3）熱電器件，面臨方鈷礦溫差發(fā)電器設計功率較低的問題，需開展方鈷礦熱電器件大批量生產性能優(yōu)化和工藝穩(wěn)定性研究?？臻g斯特林發(fā)電機在比功率及發(fā)電效率與應用等方面，中國還存在較大差距，需通過完善斯特林發(fā)電機多場系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化設計模型，完成緊湊、高效的高性能斯特林電機設計。

2.2 高效輕質同位素發(fā)電技術

面對月球嚴酷的自然環(huán)境，同位素發(fā)電展示出很高的適應和生存能力，而且還具備重量輕、體積小、能經受強烈振動、壽命長等空間應用潛力。當前同位素存在電源效率低和壽命不滿足使用要求的問題，需突破空間同位素發(fā)電系統(tǒng)設計、高效低衰減溫差發(fā)電、長壽命高可靠斯特林發(fā)電和空間同位素電源安全技術，形成溫差發(fā)電系統(tǒng)樣機、斯特林發(fā)電系統(tǒng)樣機和涉核安全標準規(guī)范，支持同位素電源在月球長期探測任務的應用[16-17]。

2.3 遠場無線能量傳輸技術

面向月球科研站月面能源供給重大需求，通過激光或微波傳輸，開展月面遠距離無線能量傳輸技術研究，采用大功率微波能量高效產生與發(fā)射、收發(fā)天線一體化設計、高精度波束指向控制、微波能量高效接收整流；空間高光束質量大功率激光器、高精度捕獲、瞄準和跟蹤（Acquisition，Pointing Tracking，APT）控制、高效光電轉換及散熱等技術，確定遠場無線能量傳輸實施方案，實現5 km距離下，400 W無線能量傳輸樣機研制，滿足極區(qū)坑底探測器、月面用電終端等要求。

2.4 近場無線能量傳輸技術

利用無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）技術代替有線連接，實現能量發(fā)射部分與負載設備之間的能量傳輸功能。構建一種可實現高可靠、高效率和高功率密度要求的WPT系統(tǒng)，提升月面任務的多樣性和靈活性。

2.5 多通道高效電力變換和功率調節(jié)技術

面向月球科研站等超大功率復雜能源系統(tǒng)應用需求而提出多通道電力變換和功率調節(jié)技術，在滿足基地主站中不同種類能源的超大功率調節(jié)及能量平衡時，還應兼顧主站之間的功率變換，完成能量的調配控制；完成主站對多任務探測器、多功能維護機器人等中型探測器，對有線或無線等多種形式完成能源的雙向補給；多任務探測器等中功率子站的功率調節(jié)及能量平衡及子站之間的能量補給、以有線或無線等多種形式完成對緊急通訊、地形勘探、巡視器及其它用電設備的能源管理補給[18]。

多通道電力變換和功率調節(jié)技術包括光伏發(fā)電、大功率核反應堆發(fā)電、儲能雙向、高效多模式溫差發(fā)電變換和功率調節(jié)等相關電源管理控制等的研究，以解決極端環(huán)境下復雜能源生態(tài)系統(tǒng)用電要求。

2.6 高效低阻大功率傳輸與分配技術

開展大功率配電體制的設計、分析與驗證，在傳統(tǒng)低壓固態(tài)功率控制器（Solid-State Power Controller，SSPC）基礎上，研究基于新型高壓功率器件的大功率配電架構、高壓功率器件驅動、超導功率傳輸通路、高升壓比DC/DC輔助電源等，制定高效低阻大功率傳輸及分配實施方案，設計新型配電平臺，實現800 V高壓，2 km配電傳輸，最終實現多路5 A配電控制，配電功率達到20 kW，提升月面任務的適配能力。

2.7 多通道能源管理技術

多源多通道能源綜合管理與調度控制架構，對核反應堆電源、光伏電源、儲能電源、同位素電源、并網供電模塊、無線能量傳輸模塊、功率調節(jié)與變換模塊等多源多通道綜合調度與統(tǒng)一管理控制。采用分布式多通道電源統(tǒng)一融合管理及調配策略，涉及能源系統(tǒng)體系架構、能量平衡計算方法、功耗傳輸效率、自主運行、故障識別與處理等關鍵問題。結合各階段能源系統(tǒng)任務優(yōu)先級，綜合考慮系統(tǒng)規(guī)模、具體配置、系統(tǒng)可靠性與魯棒性、能源系統(tǒng)物理約束等因素，分階段分類研究確定能源管理策略。

2.8 分布式并網供電技術

月球科研站能源系統(tǒng)通過并網供電模塊，大型與大型能源系統(tǒng)之間、大型與中型能源系統(tǒng)之間、中型與小型能源系統(tǒng)之間的功率并網與能源互通，實現多個系統(tǒng)之間的能量調度。兩母線之間的能量傳遞通過具有大功率隔離功能的雙向電源并網控制設備實現，研制并網控制器原理樣機。

3 能源系統(tǒng)設計

3.1 能源系統(tǒng)

3.1.1 能源系統(tǒng)分類

月球科研站任務復雜、類型多樣、特點各異，月球科研站能源系統(tǒng)設置為大型、中型和小型3類能源系統(tǒng)[8，10]。大型能源系統(tǒng)作為月球科研站能源供給的大后方，一般由多個基地主站能源系統(tǒng)并聯(lián)組成，負責科研站在軌運行期間長期不間斷的主體能源供給，輸出功率一般在20 kW以上；中型能源系統(tǒng)用于執(zhí)行科研站的常規(guī)任務，如巡視、飛躍、采樣、行走等中型任務的能源供給，輸出功率在百瓦到千瓦級；小型能源系統(tǒng)則用來完成各種衍生任務，如救援、信標、緊急通信、前期勘識等，輸出功率一般在幾瓦到幾十瓦不等。大、中、小型的能源系統(tǒng)配置可以靈活支撐月球科研站各種類型任務的實施執(zhí)行，適配度高。

1）大型能源系統(tǒng)

大型能源系統(tǒng)負責月球科研站主能源供給，在軌運行期間提供不間斷長期供電，由若干個基地主站能源系統(tǒng)并聯(lián)組成[6，8，10]，系統(tǒng)組成如圖3所示。主站能源系統(tǒng)由核反應堆發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊、儲能模塊、多通道并網供電模塊、配電管理模塊和遠場無線能量發(fā)射模塊組成，單個基地主站輸出功率≥20 kW，受限于反應堆本身及相關發(fā)電儲能配電模塊，大型能源系統(tǒng)壽命一般在15～20 a。

圖3 大型能源系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Composition block diagram of Large energy system

（1）核反應堆發(fā)電模塊，采用核反應堆作為電力源，為長期供電主能源，并不間斷供電。

（2）光伏發(fā)電模塊，采用大型太陽電池陣為電力源，在月晝期間長期供電，為科研站建設初期提供長期供電，待核反應堆發(fā)電模塊組裝完畢正常工作后，為月晝期間附加供電[11]。

（3）儲能模塊，采用大容量智能電池包為電力源，為月夜期間供電和作為緊急能源，為月球科研站提供短期供電，以應對短期大負載工作需求，并作為緊急能源，以應對故障模式下的能源需求。一般采用加熱帶、導熱硅脂、熱控多層的方式實現電池包的控溫。

（4）多通道并網供電模塊，提供多個主站能源系統(tǒng)之間的功率并網功能，主站與中型能源系統(tǒng)之間的功率并網功能，實現科研站能源擴展。

（5）配電管理模塊，向主站內用電負載提供功率變換與分配。

（6）遠場無線能量發(fā)射模塊，完成由主站能源系統(tǒng)向中型能源系統(tǒng)的遠場（1 km級）無線能量傳輸功能，向中型航天器提供遠距離無線能源支持。

2）中型能源系統(tǒng)

針對巡視/飛躍/采樣等多任務航天器，設計采用中型電源系統(tǒng)，主要分為2種類型。

（1）中型-A能源系統(tǒng)

適用于在光照區(qū)長期工作的月面探測器，以光伏發(fā)電為主，配置儲能蓄電池作為輔助能源。同時配置無線傳能模塊，用于與大型能源系統(tǒng)實現遠距離無線能量傳輸，與小型能源系統(tǒng)實現近距離無線能量傳輸，組成框圖如圖4所示。中型-A能源系統(tǒng)輸出功率按照1 kW設計[12-14]，參照目前常規(guī)的中等航天器，在軌壽命一般配置為8 a。

圖4 中型-A能源系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Composition block diagram of Middle-A energy system

采用太陽電池陣為電力源，對功率進行調節(jié)，作為月晝期間長期供電能源；太陽電池陣配置功率需要確保中型系統(tǒng)整個任務在光照區(qū)的供電功率，以及蓄電池在陰影區(qū)放電后充電所需的功率，即太陽電池負載端輸出能量需要在一定裕度的前提下大于負載需求能量，即

其中：P太陽電池為太陽電池的輸出功率；θ 為太陽入射角；t光照為光照時間； ζSR為太陽電池功率控制效率。

智能電池包為電力源，作為陰影期供電能源和緊急能源，負責短期供電，以應對短期大負載工作需求；遠場無線能量接收模塊，負責接收主站能源系統(tǒng)發(fā)射至中型能源系統(tǒng)的遠場（1 km級）無線能量傳輸。當中型航天器在永久陰影區(qū)開展工作時，用于提供能源支持；近場無線能量發(fā)射/接收主要負責接收其他中型能源系統(tǒng)無線能量傳輸，向小型能源系統(tǒng)提供無線能量傳輸，為小型能源系統(tǒng)提供支持；功率變換向小型能源系統(tǒng)提供有線能量傳輸（蓄電池充電等），為小型能源系統(tǒng)提供支持。

（2）中型-B能源系統(tǒng)

適用于全地形月面探測器，以同位素發(fā)電為主能源，其不受光照區(qū)限制，配置儲能蓄電池作為輔助能源；無線傳能模塊，用于與大型能源系統(tǒng)實現遠距離無線能量傳輸，與小型能源系統(tǒng)實現近距離無線能量傳輸，組成框圖如圖5所示。中型-B能源系統(tǒng)輸出功率按照400 W設計，在軌壽命通常設計為8 a。

圖5 中型-B能源系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Composition block diagram of Middle-B energy system

采用同位素核源作為熱源，進行熱電轉換，并調節(jié)功率，提供長期供電；采用智能電池包電力源，作為短期能源負責短期供電，提高動態(tài)特性，以應對短期大負載工作需求；遠場無線能量接收模塊，負責接收主站能源系統(tǒng)發(fā)射至中型能源系統(tǒng)的遠場（1 km級）無線能量傳輸。當中型航天器在永久陰影區(qū)開展工作時，提供能源支持；近場無線能量發(fā)射/接收模塊，負責接收其它中型能源系統(tǒng)無線能量傳輸，向小型能源系統(tǒng)提供無線能量傳輸，為小型能源系統(tǒng)提供支持；功率調節(jié)與變換模塊，負責向小型能源系統(tǒng)提供有線能量傳輸（蓄電池充電等），為小型能源系統(tǒng)提供支持[17]。

3）小型能源系統(tǒng)

地形感知、緊急通信等小型多任務航天器，作為中型航天器（巡視/飛躍/采樣等多任務）的子系統(tǒng)，搭載在中型航天器上，小型航天器隨身攜帶特定載荷，執(zhí)行地形預先感知、緊急通信等短期特定任務。針對該類任務，采用小型電源系統(tǒng)，與中型航天器（巡視/飛躍/采樣等多任務）搭配的設計，配置儲能蓄電池作為主能源，配置無線傳能模塊，用于與中型能源系統(tǒng)實現近距離無線能量傳輸，組成框圖如圖6所示。小型能源系統(tǒng)輸出功率按照10～100 W設計，受限于儲能系統(tǒng)的使用周期，設計壽命一般＜1 a。

圖6 小型能源系統(tǒng)組成框圖Fig.6 Composition block diagram of Small energy system

采用智能電池包作為電力源，作為工作期間供電能源，智能電池包能量配置為

其中：P地影為長時功率；ξWh為蓄電池的放電效率。

近場無線能量負責接收中型能源系統(tǒng)無線能量傳輸，為小型能源系統(tǒng)提供支持；功率調節(jié)與變換模塊，負責接收中型能源系統(tǒng)有線能量傳輸（蓄電池充電等），為小型能源系統(tǒng)提供支持。

4） 能源系統(tǒng)間功率互聯(lián)

（1）大型能源系統(tǒng)與大型能源系統(tǒng)間

多個大型能源系統(tǒng)之間采用高壓大功率超導傳輸系統(tǒng)實現功率與信息的傳輸；通過多通道并網供電模塊實現多個大型能源系統(tǒng)的功率變換與并網；利用多通道能源調度管理系統(tǒng)實現多個大型能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調度與管理。

（2）大型能源系統(tǒng)與中型能源系統(tǒng)間

大型與中型能源系統(tǒng)之間通過多通道并網供電模塊實現有線方式的能量共享與功率并網，作為主份控制方式；通過遠場無線（1 km級）能量傳發(fā)射與接收模塊，實現無線能量共享與功率并網，為中型航天器處于陰影期工作時提供能源支持，以提升中型航天器陰影期生存與工作能力。

（3）中型能源系統(tǒng)與小型能源系統(tǒng)間

中型能源系統(tǒng)與小型能源系統(tǒng)之間通過功率變換模塊實現有線方式的蓄電池充電功能，作為主份控制方式；利用近場無線能量傳發(fā)射與接收模塊，實現無線蓄電池充電功能，為小型航天器完成一個工作周期后進行能量續(xù)航，以提升小型航天器生存與工作能力。月球科研站能源系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 月球科研站能源系統(tǒng)組成Fig.7 Assumption of energy system composition for lunar scientific research station

3.1.2 能源系統(tǒng)模塊

月球科研站能源系統(tǒng)分別由核反應堆發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能、多通道并網供電、配電管理、遠場無線能量傳輸、近場無線能量傳輸、功率調節(jié)與變換、同位素發(fā)電、高壓大功率超導傳輸和多通道能源調度管理系統(tǒng)組成，各組成模塊如表1所示。

表1 月球科研站能源系統(tǒng)各組成模塊Table 1 Energy system composition module of lunar scientific research station

月球科研站能源系統(tǒng)需要采用全新的系統(tǒng)拓撲架構與功率控制技術來實現，結合任務需求，擬采用分布式電源系統(tǒng)架構，按照模塊化、可重構、可擴展的思路，根據需要進行多種組合排列。月球科研站能源系統(tǒng)拓撲架構具有如下特點。

（1）月球科研站能源系統(tǒng)可滿足長期不間斷工作、長短期交替工作及短期工作等多種應用場景能源需求，系統(tǒng)組成規(guī)模大、控制復雜、難度大。

（2）結合任務特點，能源系統(tǒng)采取“分類分級、互聯(lián)互通”的設計原則，分類設計大型、中型和小型共3類4型能源系統(tǒng)，采用遠場/近場無線傳能、大功率超導傳輸、并網供電等技術，實現不同能源系統(tǒng)之間的能源互聯(lián)與功率互通。

（3）同類基礎功能模塊，如光伏、儲能、配電、并網模塊、無線傳能、功率調節(jié)與變換等，可根據應用場景分級設計，同一模塊應具有一定的通用性和可替換性，當出現在軌故障時，可將故障模塊從系統(tǒng)中切除和更換，避免因故障蔓延。

（4）能源系統(tǒng)功率擴展性好，可通過增加基礎模塊（儲能、光伏、并網供電、配電等）的數量，實現系統(tǒng)規(guī)模擴容，大幅度提升系統(tǒng)輸出功率，極大緩解了母線電壓持續(xù)提升的迫切程度。

（5）能源系統(tǒng)采用的多種新型空間能源技術，包括核反應堆發(fā)電、同位素發(fā)電、無線能量傳輸、超導大功率傳輸等，將顯著帶動與牽引與之相關的技術及基礎產業(yè)的發(fā)展。

（6）多通道能源調度管理系統(tǒng)負責能源系統(tǒng)的整體調度與日常管理，要求具有長期無人運行自主管理、故障識別與處理等功能，智能化程度比較高。

（7）月面活動過程中，由于羽流、沖擊、漂浮等各種因素會導致太陽電池片表面月塵堆積，對覆蓋不同重量不同物質月塵的疊層太陽電池模擬測試，電性能衰減率一般在1%～30%不等，在光伏板設計過程中需充分考慮衰降效率，通過系統(tǒng)冗余與備份等方式增強能源的安全與可靠性。

3.2 能源系統(tǒng)總體設計方案

通過對月球科研站能源分析，根據標準化、模塊化、可擴展化要求，確定月球科研站能源系統(tǒng)總體方案和拓撲架構；研究母線電壓等級，對電能的產生、傳輸、調節(jié)控制、功率分配與智能管理的全環(huán)節(jié)評估、分析與優(yōu)化。

1）分類分級能源系統(tǒng)架構

月球科研站能源系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)架構，組成如圖8所示。能源系統(tǒng)控制策略直接影響到系統(tǒng)的供電質量及可靠性，擬采用對等控制（設備級控制）+集中控制（系統(tǒng)級分層控制）的控制策略。

圖8 系統(tǒng)控制架構Fig.8 System control architecture

2）分布式能源系統(tǒng)多級控制

對等控制由各分控制器對各自出口端采樣控制，實現物理設備級控制，主要是對電源系統(tǒng)物理層的功率設備調節(jié)，如雙向DC-DC變換器、分布式的太陽功率調節(jié)器、蓄電池功率調節(jié)器、負載分配器等，基于本地信息完成自身的一些基本控制目標，如維持母線電壓穩(wěn)定、實現系統(tǒng)功率平衡、系統(tǒng)穩(wěn)定運行等?？刂苾热莅妇€電壓、互聯(lián)功率、負載電壓、最大功率跟蹤以及蓄電池組充放電控制等。

集中控制由系統(tǒng)管理計算機對運行參數采樣、分析和計算，在對等控制的基礎上二次精細調節(jié)。集中控制主要指對系統(tǒng)集中管理和能量優(yōu)化，提升整體運行的效率和可靠性，實現最優(yōu)。能量管理、各單元輸出功率合理分配等最優(yōu)運行目標是集中控制的基本功能，而功率/能量分配、直流母線電壓二次調節(jié)及多運行模式切換等功能模塊是實現系統(tǒng)級控制功能的重要組成部分。集中控制策略分別為上層、中層和底層，系統(tǒng)中各個分布式能源單元之間的協(xié)調以信息交互。

3）分布式能源系統(tǒng)仿真分析與評估

月球科研站能源系統(tǒng)擬采用分布式多通道架構，系統(tǒng)組成和工作模式都較為復雜，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性要求極高，需要開展能源系統(tǒng)軟件仿真建模，在此基礎上開展仿真分析研究，對月球科研站能源系統(tǒng)穩(wěn)定性進行理論研究與分析，提出分布式能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性評價體系，提升能源系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行能力。

4）分布式能源系統(tǒng)試驗驗證

搭建科研站能源系統(tǒng)控制、管理與配電地面演示驗證系統(tǒng)，組織開展相關測試與試驗，驗證提出的400 V/100 kW級電源系統(tǒng)拓撲結構和總體方案的有效性；開展高壓母線主動功率調節(jié)器、高壓電源變換器等樣機研制，掌握空間高電壓母線真空放電地面試驗數據，繼續(xù)完善并增強空間高壓供配電系統(tǒng)設計手段，突破高壓母線設計瓶頸，形成高壓大功率電源系統(tǒng)設計、制造、試驗、驗證能力。

4 結 論

本文結合月球科研站總體任務，對能源系統(tǒng)進行任務分析，提出了月球科研站能源系統(tǒng)組成，并對能源系統(tǒng)分類、組成、初步配置與系統(tǒng)特點進行了分析，提出互相支撐靈活配置的“基于核反應堆發(fā)電和光伏發(fā)電的20 kW級大型能源系統(tǒng)+基于同位素發(fā)電和光伏發(fā)電的百千瓦級中型能源系統(tǒng)+基于智能電池包的10 W級小型能源系統(tǒng)”的系統(tǒng)總體方案，以滿足月球科研站能源長期穩(wěn)定供給任務需求，為后續(xù)月球科研站能源系統(tǒng)設計提供參考。