航天器大功率并網(wǎng)控制技術(shù)研究

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1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100080 2. 北京市空間電源變換與控制工程研究中心，北京 100080

航天器之間并網(wǎng)供電控制技術(shù)是中國空間站建設(shè)需突破的關(guān)鍵技術(shù)。國際空間站在節(jié)點(diǎn)艙配置了恒壓變換器RACU(Russian-to-American Converter Unit)和ARCU(American-to-Russian Converter Unit)，用于美國軌道艙與俄羅斯功能艙之間并網(wǎng)供電，供電模式為功率不可調(diào)節(jié)的恒壓模式，功率不超過1 kW[1-2]。在中國載人航天工程第二階段，利用天宮一號目標(biāo)飛行器和神舟八號載人飛船開展了500W功率不可調(diào)節(jié)的并網(wǎng)供電試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了并網(wǎng)供電控制技術(shù)的合理性[3-4]。目前我國載人航天工程處于空間站建設(shè)第三階段?？臻g站由核心艙與兩個實(shí)驗(yàn)艙在軌交會對接組成，與來訪貨運(yùn)飛船和載人飛船交會對接形成更為復(fù)雜的組合體。與第二階段相比，空間站的復(fù)雜度和功率量級顯著提高，功率由2 kW提高到10 kW。在陽照期間，空間站組合體之間存在的陽光遮擋效應(yīng)會導(dǎo)致部分艙段和飛船供電能力不足。為了解決這一問題并充分發(fā)揮空間站能源系統(tǒng)整體效率，在借鑒國際空間站和我國載人航天第二階段成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了配置能源管理計(jì)算機(jī)和大功率并網(wǎng)控制器(PSC)的并網(wǎng)控制技術(shù)方案，以滿足并網(wǎng)功率不低于4 kW、具備恒壓和恒流兩種工作模式以及通過1 553B總線進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的并網(wǎng)供電需求。能源管理計(jì)算機(jī)實(shí)時監(jiān)測各艙段發(fā)電能力并分析負(fù)載功率需求，根據(jù)分析結(jié)果確定并網(wǎng)控制器輸出功率。可見空間站無論從并網(wǎng)功率量級，還是從供電模式和調(diào)節(jié)控制等方面，均對并網(wǎng)供電控制提出了更高要求。本文通過大功率并網(wǎng)供電控制技術(shù)研究，對并網(wǎng)控制器的電路拓?fù)?、熱設(shè)計(jì)、并聯(lián)均流和控制電路進(jìn)行了優(yōu)化，可以滿足我國空間站、載人登月以及深空探測等組合體航天器的并網(wǎng)供電控制需求。

1 并網(wǎng)控制方案

空間站能源管理計(jì)算機(jī)通過1 553B總線指令對并網(wǎng)控制器的輸出電流或電壓進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制器并網(wǎng)能力(最大輸出電流)以及輸出電壓調(diào)節(jié)。并網(wǎng)控制器設(shè)計(jì)需考慮輸出功率、恒壓和恒流輸出模式、輸出電壓和輸出電流調(diào)節(jié)范圍，以及針對輸入母線和負(fù)載的保護(hù)功能。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，將功率擴(kuò)展到20 kW以上，以滿足未來我國航天器更大功率的并網(wǎng)供電需求，同時考慮到現(xiàn)有功率器件的性能水平及熱設(shè)計(jì)難度，將并網(wǎng)控制器變換器單元(CU)的額定功率設(shè)置為2 kW，并具有自動并聯(lián)均流功能以及數(shù)字調(diào)節(jié)功能。

根據(jù)上述方案，針對空間站功率、故障模式和可靠度需求，并網(wǎng)控制器配置了3個變換器單元，其中2個用以滿足4 kW功率需求，另1個作為冗余備份以提高可靠度并消除單點(diǎn)故障模式。正常情況下，整機(jī)最大功率為2×(2+1) kW=6 kW。假設(shè)并網(wǎng)需求功率為2nkW，則至少需配置n個單元，再根據(jù)整機(jī)可靠度指標(biāo)要求，確定冗余備份單元數(shù)量m，則最大輸出功率為2(n+m) kW。并網(wǎng)控制器整機(jī)組成框圖見圖1。

圖1中測控單元1和2互為備份，實(shí)現(xiàn)對變換器單元的輸出電壓和電流調(diào)節(jié)、參數(shù)和狀態(tài)采集，并對外進(jìn)行1 553B總線通信。串聯(lián)在輸出母線的隔離開關(guān)通常為大功率繼電器或接觸器，用于并網(wǎng)供電的接通和斷開控制。

為了避免或降低并網(wǎng)供電接入時對并網(wǎng)母線帶來的沖擊，在并網(wǎng)供電接入前，并網(wǎng)控制器利用并網(wǎng)母線電壓檢測和輸出電壓調(diào)節(jié)功能，首先將其輸出電壓調(diào)節(jié)到與并網(wǎng)母線電壓相等，再控制隔離開關(guān)閉合，可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制器平穩(wěn)接入并網(wǎng)母線。由于正常并網(wǎng)供電時，并網(wǎng)控制器處于恒流輸出模式，并網(wǎng)母線電壓基本保持不變，因此并網(wǎng)輸出電流與輸出功率成正比，即通過調(diào)節(jié)輸出電流可實(shí)現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)。

1.1 變換器單元拓?fù)?/h3>

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5-9]提出的功率變換電路拓?fù)?，同時為了進(jìn)一步降低輸出整流和續(xù)流肖特基二極管的熱耗，變換器單元采用輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)四相雙管正激功率電路拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)淇纱蠓档妥鳛殚_關(guān)管的功率器件金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET )以及作為整流和續(xù)流管的肖特基二極管的電壓應(yīng)力，并降低熱耗和溫升。變換器單元功率電路拓?fù)湟妶D2。

功率變換電路拓?fù)洳捎盟南?0°交錯脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)控制，開關(guān)管工作在交錯移相狀態(tài)，輸入輸出濾波器工作于4倍頻模式，可有效降低輸入和輸出電壓、輸入和輸出電流的脈動幅度，并可減小變壓器和濾波器的體積和質(zhì)量。四相驅(qū)動信號時序見圖3，Ts為四相周期，每相占空比為25%～50%，時序相鄰兩相驅(qū)動信號起始時間間隔為1/4Ts。

1.2 變換器單元閉環(huán)控制

變換器單元的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)器原理見圖4。

依據(jù)文獻(xiàn)[10-13]提出的閉環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)方法，變換器單元的閉環(huán)控制使用了電壓和電流比例積分調(diào)節(jié)器，分別對應(yīng)恒壓和恒流模式的負(fù)反饋閉環(huán)控制。調(diào)節(jié)器輸出經(jīng)過二極管或邏輯送至PWM控制芯片，對變換器單元的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使并聯(lián)的變換器單元均處于恒壓或恒流工作模式，確保并網(wǎng)控制器無論是單獨(dú)恒壓帶載，還是恒流并網(wǎng)供電，均能提供穩(wěn)定的供電輸出。

圖4中Ioref為變換器單元的電流基準(zhǔn)，即對應(yīng)恒流模式的輸出電流設(shè)置指令值，Ios為變換器單元恒流模式實(shí)際輸出電流采樣值。Voref為變換器單元的電壓基準(zhǔn)，即對應(yīng)恒壓模式的輸出電壓設(shè)置指令值，Vos為變換器單元恒壓模式實(shí)際輸出電壓采樣值。U1為恒流模式輸出電流閉環(huán)控制誤差放大器，U2為恒壓模式輸出電壓閉環(huán)控制誤差放大器。

變換器單元的閉環(huán)控制電路工作在負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，當(dāng)Ios

針對負(fù)載變化和電流設(shè)置指令變化引起的工作模式變化，結(jié)合功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化圖4中電流調(diào)節(jié)器R1、R2、C1和電壓調(diào)節(jié)器R4、R5、C2，可調(diào)節(jié)并網(wǎng)控制器工作模式變化過程的動態(tài)特性[14]，確保對供電電源系統(tǒng)和負(fù)載無影響。

1.3 變換器單元并聯(lián)均流

DC/DC變換器并聯(lián)應(yīng)用可以擴(kuò)展輸出功率，但需要采用并聯(lián)均流控制技術(shù)，以均衡并聯(lián)變換器的輸出電流。并聯(lián)均流控制技術(shù)主要有主從均流法和民主均流法兩大類。由于主從均流法需要設(shè)定主變換器，并且當(dāng)主變換器故障時，并聯(lián)的從變換器無法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流，因此主從均流法無法滿足并網(wǎng)控制器冗余備份要求。民主均流法主要有平均電流法和最大電流法。通過對并聯(lián)變換器公共均流母線的故障模式及影響進(jìn)行分析，選用不存在單點(diǎn)故障模式的最大電流法，以確保變換器單元并聯(lián)可靠性。

最大電流民主均流法自動設(shè)定主變換器，即并聯(lián)變換器中輸出電流最大者自動成為主變換器，其余則為從變換器。主變換器的輸出電流信號最大，通過隔離二極管自動獲得對均流母線的控制權(quán)而成為均流母線信號。各變換器單元實(shí)時比較各自的輸出電流與均流母線信號，并自動對各自輸出電壓進(jìn)行負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對輸出電流的均流調(diào)節(jié)，使得并聯(lián)變換器單元的輸出電流滿足均流精度要求。最大電流民主均流法并聯(lián)均流控制原理框圖見圖5。圖5中Io1、Io2、…、IoN分別為變換器1～N的輸出電流，Io_BUS為均流母線信號。

1.4 變換器單元輸出調(diào)節(jié)

并網(wǎng)控制器通過1 553B總線控制芯片接收并網(wǎng)供電輸出電壓和電流控制指令。運(yùn)行于測控單元中的軟件對指令進(jìn)行有效性判斷和解析，對于有效指令，軟件通過控制微處理器(Micro Processor Unit，CPU)的地址總線和數(shù)據(jù)總線，將指令數(shù)據(jù)送給數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，鎖存后形成變換器單元的基準(zhǔn)電壓或電流信號，實(shí)現(xiàn)對變換器單元輸出電壓或電流的調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)對并網(wǎng)控制器的輸出電壓或者輸出電流調(diào)節(jié)[15-16]。由于在并網(wǎng)控制器并網(wǎng)供電時的并網(wǎng)母線電壓基本保持不變，因此調(diào)節(jié)并網(wǎng)控制器輸出電流即對應(yīng)調(diào)節(jié)并網(wǎng)控制器輸出功率。并網(wǎng)控制器測控單元原理框圖見圖6。

1.5 功率器件熱設(shè)計(jì)

航天器中單機(jī)產(chǎn)品典型環(huán)境條件為真空，由于輻射散熱通常不超過散熱總量的10%，因此在進(jìn)行并網(wǎng)控制器熱設(shè)計(jì)時，主要考慮傳導(dǎo)散熱措施。

變換器單元高熱耗功率器件主要有原邊開關(guān)管MOSFET以及副邊整流和續(xù)流二極管，為了盡可能減小功率器件與單機(jī)安裝面的熱阻，將功率器件布局在變換器單元底部內(nèi)表面，功率器件布局見圖7。利用FLOTHERM軟件建立了熱仿真模型，將作為熱邊界的安裝面設(shè)置為最高溫度60℃。變換器單元在額定2 kW輸出時，功率器件的熱耗及仿真溫度見表1。額定工況下實(shí)際測試表明，功率器件殼溫均未超過仿真溫度，最大誤差為4℃。

器件代號器件名稱熱耗/W殼溫/℃結(jié)溫/℃Q1～Q8MOSTET6.768.772.7D9、D11、D13、D15整流肖特基二極管8.276.281.4D10、D12、D14、D16續(xù)流肖特基二極管11.882.486.3

1.6 故障保護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)并網(wǎng)控制器故障模式及影響分析結(jié)果，針對故障情況下對輸入母線和負(fù)載的可能影響，變換器單元設(shè)計(jì)了相應(yīng)的保護(hù)功能。對輸入母線的保護(hù)功能包括輸入過壓保護(hù)、輸入欠壓保護(hù)和輸入過流保護(hù)，對負(fù)載的保護(hù)功能包括輸出過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)，另外還設(shè)計(jì)了確保自身安全的過熱保護(hù)。

當(dāng)并網(wǎng)控制器中變換器單元的工作狀態(tài)滿足上述某種保護(hù)功能的觸發(fā)條件時，相應(yīng)保護(hù)功能會發(fā)揮作用，可避免變換器單元中功率器件出現(xiàn)過電應(yīng)力或熱應(yīng)力而失效，也可避免影響輸入母線或負(fù)載，同時停止異常變換器單元輸出，并自動斷開其與輸出母線的電氣連接。為了在變換器單元或測控單元發(fā)生故障時，并網(wǎng)控制器仍然能夠完成規(guī)定的任務(wù)，變換器單元和測控單元均進(jìn)行了冗余備份設(shè)計(jì)。

變換器單元的輸出均配置MOSFET作為隔離開關(guān)。當(dāng)某個變換器單元出現(xiàn)故障，保護(hù)功能會自動使MOSFET隔離開關(guān)斷開，將故障變換器單元與正常變換器單元和輸出母線隔離，同時，異常變換器單元的狀態(tài)標(biāo)志會發(fā)生變化，并通過測控單元經(jīng)1 553B總線輸出。

測控單元實(shí)時檢測并網(wǎng)控制器的輸出電壓、電流和變換器單元的狀態(tài)標(biāo)志，并與當(dāng)前的電流設(shè)置指令值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測到變換器單元出現(xiàn)異常時，測控單元軟件根據(jù)變換器單元當(dāng)前狀態(tài)標(biāo)志，自動調(diào)整電流指令設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)，并保持輸出電壓和電流不變。針對并網(wǎng)控制器當(dāng)前的電流指令和變換器單元的不同故障狀態(tài)，空間站4 kW并網(wǎng)控制器FDIR模式見表2。

表2并網(wǎng)控制器FDIR模式

Table 2 PSC FDIR mode

變換器單元狀態(tài)電流設(shè)置/AFDIR模式3個均正?！?01)3個正常變換器單元開機(jī);2)按3個變換器單元設(shè)置基準(zhǔn)電流值2個正常1個故障≤401)2個正常變換器單元開機(jī);2)故障變換器單元關(guān)機(jī);3)按2個變換器單元設(shè)置基準(zhǔn)電流值1個正常2個故障20～401)1個正常變換器單元開機(jī);2)故障變換器單元關(guān)機(jī);3)按當(dāng)前最大能力20設(shè)置基準(zhǔn)電流值;4)反饋輸出能力不足1個正常2個故障0～201)1個正常變換器單元開機(jī);2)故障變換器單元關(guān)機(jī);3)按1個變換器單元設(shè)置基準(zhǔn)電流值3個均故障0～401)3個故障變換器單元關(guān)機(jī);2)反饋輸出能力不足

2 并網(wǎng)供電聯(lián)試試驗(yàn)

通過開展并網(wǎng)控制器與電源系統(tǒng)并網(wǎng)供電聯(lián)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了利用并網(wǎng)控制器為多艙段航天器組合體能源不足艙段進(jìn)行并網(wǎng)供電方案的正確性和合理性。并網(wǎng)供電聯(lián)試試驗(yàn)系統(tǒng)由電源系統(tǒng)設(shè)備、并網(wǎng)控制器和模擬負(fù)載等組成，聯(lián)試試驗(yàn)系統(tǒng)組成見圖8。

針對并網(wǎng)控制器的工作模式與電流指令和負(fù)載變化之間的關(guān)系，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性分析，基于分析結(jié)果確定了試驗(yàn)方案并開展了并網(wǎng)供電聯(lián)試試驗(yàn)，試驗(yàn)典型工況見表3。

表3 并網(wǎng)供電聯(lián)試試驗(yàn)典型工況

圖9為對應(yīng)負(fù)載和電流指令變化時，并網(wǎng)控制器模式轉(zhuǎn)換過程中并網(wǎng)母線電壓和輸入輸出電流波形。其中，并網(wǎng)母線電壓波形對應(yīng)圖8中A點(diǎn)，并網(wǎng)控制器輸入電流波形對應(yīng)圖8中I1，并網(wǎng)控制器輸出電流波形對應(yīng)圖8中I2。從動態(tài)波形可以看出，負(fù)載變化和電流指令變化均會導(dǎo)致并網(wǎng)控制器由恒流模式轉(zhuǎn)換到恒壓模式的電壓超調(diào)不超過2%，優(yōu)于不超過5%指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文針對中國空間站及將來更大功率并網(wǎng)供電需求，研究了高壓大功率并網(wǎng)供電關(guān)鍵技術(shù)，并研制了并網(wǎng)控制器單機(jī)。結(jié)合單機(jī)測試和并網(wǎng)供電聯(lián)試試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

1) 利用本文并網(wǎng)供電關(guān)鍵技術(shù)研制的并網(wǎng)控制器可實(shí)現(xiàn)多艙段航天器電源系統(tǒng)并網(wǎng)供電控制；

2)與國際空間站相比，并網(wǎng)控制器可通過1 553B總線控制,功率更大并且具有供電功率數(shù)字調(diào)節(jié)功能；

3) 基本單元模塊化設(shè)計(jì)便于功率擴(kuò)展，以滿足更大功率需求；

4) 并網(wǎng)控制器具有安全可靠、工作模式轉(zhuǎn)換過程平穩(wěn)及輸出電壓超調(diào)小等特點(diǎn)；

5) 適用于空間站工程、載人登月及深空探測等組合體航天器并網(wǎng)供電。