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月球科研站任务复杂、类型多样、特点各异,月球科研站能源系统设置为大型、中型和小型3类能源系统[8,10]。大型能源系统作为月球科研站能源供给的大后方,一般由多个基地主站能源系统并联组成,负责科研站在轨运行期间长期不间断的主体能源供给,输出功率一般在20 kW以上;中型能源系统用于执行科研站的常规任务,如巡视、飞跃、采样、行走等中型任务的能源供给,输出功率在百瓦到千瓦级;小型能源系统则用来完成各种衍生任务,如救援、信标、紧急通信、前期勘识等,输出功率一般在几瓦到几十瓦不等。大、中、小型的能源系统配置可以灵活支撑月球科研站各种类型任务的实施执行,适配度高。
1)大型能源系统
大型能源系统负责月球科研站主能源供给,在轨运行期间提供不间断长期供电,由若干个基地主站能源系统并联组成[6,8,10],系统组成如图3所示。主站能源系统由核反应堆发电模块、光伏发电模块、储能模块、多通道并网供电模块、配电管理模块和远场无线能量发射模块组成,单个基地主站输出功率≥20 kW,受限于反应堆本身及相关发电储能配电模块,大型能源系统寿命一般在15~20 a。
(1)核反应堆发电模块,采用核反应堆作为电力源,为长期供电主能源,并不间断供电。
(2)光伏发电模块,采用大型太阳电池阵为电力源,在月昼期间长期供电,为科研站建设初期提供长期供电,待核反应堆发电模块组装完毕正常工作后,为月昼期间附加供电[11]。
(3)储能模块,采用大容量智能电池包为电力源,为月夜期间供电和作为紧急能源,为月球科研站提供短期供电,以应对短期大负载工作需求,并作为紧急能源,以应对故障模式下的能源需求。一般采用加热带、导热硅脂、热控多层的方式实现电池包的控温。
(4)多通道并网供电模块,提供多个主站能源系统之间的功率并网功能,主站与中型能源系统之间的功率并网功能,实现科研站能源扩展。
(5)配电管理模块,向主站内用电负载提供功率变换与分配。
(6)远场无线能量发射模块,完成由主站能源系统向中型能源系统的远场(1 km级)无线能量传输功能,向中型航天器提供远距离无线能源支持。
2)中型能源系统
针对巡视/飞跃/采样等多任务航天器,设计采用中型电源系统,主要分为2种类型。
(1)中型-A能源系统
适用于在光照区长期工作的月面探测器,以光伏发电为主,配置储能蓄电池作为辅助能源。同时配置无线传能模块,用于与大型能源系统实现远距离无线能量传输,与小型能源系统实现近距离无线能量传输,组成框图如图4所示。中型-A能源系统输出功率按照1 kW设计[12-14],参照目前常规的中等航天器,在轨寿命一般配置为8 a。
采用太阳电池阵为电力源,对功率进行调节,作为月昼期间长期供电能源;太阳电池阵配置功率需要确保中型系统整个任务在光照区的供电功率,以及蓄电池在阴影区放电后充电所需的功率,即太阳电池负载端输出能量需要在一定裕度的前提下大于负载需求能量,即
$$ {Q}_{太阳电池}\geqslant {Q}_{负载需求} $$ (1) $$ {Q}_{太阳电池}={P}_{太阳电池}\times \text{cos}\theta \times {t}_{光照}\times {\zeta }_{\text {SR}} $$ (2) 其中:
$ {P}_{太阳电池} $ 为太阳电池的输出功率;$\theta $ 为太阳入射角;$ {t}_{光照} $ 为光照时间;${\zeta _{\text{SR}}}$ 为太阳电池功率控制效率。智能电池包为电力源,作为阴影期供电能源和紧急能源,负责短期供电,以应对短期大负载工作需求;远场无线能量接收模块,负责接收主站能源系统发射至中型能源系统的远场(1 km级)无线能量传输。当中型航天器在永久阴影区开展工作时,用于提供能源支持;近场无线能量发射/接收主要负责接收其他中型能源系统无线能量传输,向小型能源系统提供无线能量传输,为小型能源系统提供支持;功率变换向小型能源系统提供有线能量传输(蓄电池充电等),为小型能源系统提供支持。
(2)中型-B能源系统
适用于全地形月面探测器,以同位素发电为主能源,其不受光照区限制,配置储能蓄电池作为辅助能源;无线传能模块,用于与大型能源系统实现远距离无线能量传输,与小型能源系统实现近距离无线能量传输,组成框图如图5所示。中型-B能源系统输出功率按照400 W设计,在轨寿命通常设计为8 a。
采用同位素核源作为热源,进行热电转换,并调节功率,提供长期供电;采用智能电池包电力源,作为短期能源负责短期供电,提高动态特性,以应对短期大负载工作需求;远场无线能量接收模块,负责接收主站能源系统发射至中型能源系统的远场(1 km级)无线能量传输。当中型航天器在永久阴影区开展工作时,提供能源支持;近场无线能量发射/接收模块,负责接收其它中型能源系统无线能量传输,向小型能源系统提供无线能量传输,为小型能源系统提供支持;功率调节与变换模块,负责向小型能源系统提供有线能量传输(蓄电池充电等),为小型能源系统提供支持[17]。
3)小型能源系统
地形感知、紧急通信等小型多任务航天器,作为中型航天器(巡视/飞跃/采样等多任务)的子系统,搭载在中型航天器上,小型航天器随身携带特定载荷,执行地形预先感知、紧急通信等短期特定任务。针对该类任务,采用小型电源系统,与中型航天器(巡视/飞跃/采样等多任务)搭配的设计,配置储能蓄电池作为主能源,配置无线传能模块,用于与中型能源系统实现近距离无线能量传输,组成框图如图6所示。小型能源系统输出功率按照10~100 W设计,受限于储能系统的使用周期,设计寿命一般<1 a。
采用智能电池包作为电力源,作为工作期间供电能源,智能电池包能量配置为
$$ {Q}_{蓄电池}={P}_{地影}\times{\xi }_{\text W\text{h}}\times{t}_{阴影} $$ (3) 其中:
$ {P}_{地影} $ 为长时功率;${\xi _{\text W{\text{h}}}}$ 为蓄电池的放电效率。近场无线能量负责接收中型能源系统无线能量传输,为小型能源系统提供支持;功率调节与变换模块,负责接收中型能源系统有线能量传输(蓄电池充电等),为小型能源系统提供支持。
4) 能源系统间功率互联
(1)大型能源系统与大型能源系统间
多个大型能源系统之间采用高压大功率超导传输系统实现功率与信息的传输;通过多通道并网供电模块实现多个大型能源系统的功率变换与并网;利用多通道能源调度管理系统实现多个大型能源系统的统一调度与管理。
(2)大型能源系统与中型能源系统间
大型与中型能源系统之间通过多通道并网供电模块实现有线方式的能量共享与功率并网,作为主份控制方式;通过远场无线(1 km级)能量传发射与接收模块,实现无线能量共享与功率并网,为中型航天器处于阴影期工作时提供能源支持,以提升中型航天器阴影期生存与工作能力。
(3)中型能源系统与小型能源系统间
中型能源系统与小型能源系统之间通过功率变换模块实现有线方式的蓄电池充电功能,作为主份控制方式;利用近场无线能量传发射与接收模块,实现无线蓄电池充电功能,为小型航天器完成一个工作周期后进行能量续航,以提升小型航天器生存与工作能力。月球科研站能源系统组成如图7所示。
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月球科研站能源系统分别由核反应堆发电、光伏发电、储能、多通道并网供电、配电管理、远场无线能量传输、近场无线能量传输、功率调节与变换、同位素发电、高压大功率超导传输和多通道能源调度管理系统组成,各组成模块如表1所示。
表 1月球科研站能源系统各组成模块
Table 1.Energy system composition module of lunar scientific research station
序号 模块名称 组成 技术指标 说明 配置 大型能源系统(20 kW) 1) 光伏发
电模块太阳
电池阵输出电压 ≥100 V 基础配置1个 选配 2) 输出功率 ≥10 kW 3) 功率
调节器输入电压 ≥100 V 4) 输出电压 ≥400 V 5) 输出功率 ≥10 kW 6) 核反应堆发电模块 核反应堆 输出电压 40 ~ 70 V 基础配置1个 必配 7) 输出功率 ≥10 kW 8) 热电转换效率 ≥6% 9) 功率
调节器输出电压 ≥400 V 10) 输出功率 ≥10 kW 11) 储能模块 蓄电池组 输出电压 ≥70 V 默认1个模块,可并联扩容, 必配 12) 额定容量 ≥300 Ah 13) 充放电
调节器功能 蓄电池组充电、蓄电池组放电 14) 蓄电池
管理系统功能 温控管理、均衡管理、健康管理等 15) 多通道
并网供
电模块主站间
并网单元输入电压 ≥400 V 默认1个模块,可并联扩容 必配 16) 输出电压 ≥400 V 17) 并网功率 ≥5 kW 18) 站内并
网单元输入电压 ≥400 V 19) 输出电压 ≥28 V 20) 并网功率 ≥2 kW 21) 配电管
理模块高压配
电模块配电路数 多路 默认1个模块,可并联扩容 必配 22) 配电电压 高电压 23) 常压配
电模块配电路数 多路 24) 配电电压 常用电压 25) 远场无线能量传输模块 发射模块 功率 ≥400 W 默认1个模块,可并联扩容 选配 26) 效率 ≥30% 中型能源系统(1 000 W/400 W) 27) 光伏发电模块 太阳
电池阵输出电压 ≥28 V 基础配置1个 A型必配 28) 输出功率 ≥1 kW 29) 功率
调节器输入电压 ≥28 V 30) 输出电压 ≥28 V 31) 输出功率 ≥1 kW 32) 同位素发电模块 同位素
电源输出电压 ≥15 V 基础配置1个 B型必配 33) 输出功率 ≥400 W 34) 热电转换效率 ≥8% 35) 功率
调节器输出电压 ≥28 V 36) 输出功率 ≥400 W 37) 储能模块 蓄电池组 输出电压 ≥23 V 基础配置1个 必配 38) 额定容量 ≥50 Ah 39) 充放电
调节器功能 蓄电池组充电、蓄电池组放电 40) 蓄电池
管理系统功能 温控管理、均衡管理、健康管理等 41) 远场无线能量传输模块 接收模块 功率 ≥400 W 基础配置1个 选配 42) 效率 ≥30% 43) 近场无线能量传输模块 发射模块 功率 ≥30 W 基础配置1个 选配 44) 效率 ≥90% 45) 接收模块 功率 ≥100 W 46) 效率 ≥90% 47) 功率调
节与变
换模块功率
调节器功能 蓄电池组充放电 基础配置1个 必配 48) 功率变换
与分配配电路数 多路 49) 配电电压 常用电压 小型能源系统(10 W~100 W) 50) 储能模块 蓄电池组 功能 主能源 基础配置1个 必配 51) 放电
调节器功能 蓄电池组放电 52) 蓄电池
管理系统功能 温控管理、均衡管理、健康管理等 53) 近场无线能量传输模块 接收模块 功率 ≥30 W 基础配置1个 必配 54) 效率 ≥99% 55) 功率调
节与变
换模块功率
调节器功能 接收有线蓄电池组充电 基础配置1个 必配 56) 功率变换
与分配配电路数 多路 57) 配电电压 常用电压 月球科研站能源系统需要采用全新的系统拓扑架构与功率控制技术来实现,结合任务需求,拟采用分布式电源系统架构,按照模块化、可重构、可扩展的思路,根据需要进行多种组合排列。月球科研站能源系统拓扑架构具有如下特点。
(1)月球科研站能源系统可满足长期不间断工作、长短期交替工作及短期工作等多种应用场景能源需求,系统组成规模大、控制复杂、难度大。
(2)结合任务特点,能源系统采取“分类分级、互联互通”的设计原则,分类设计大型、中型和小型共3类4型能源系统,采用远场/近场无线传能、大功率超导传输、并网供电等技术,实现不同能源系统之间的能源互联与功率互通。
(3)同类基础功能模块,如光伏、储能、配电、并网模块、无线传能、功率调节与变换等,可根据应用场景分级设计,同一模块应具有一定的通用性和可替换性,当出现在轨故障时,可将故障模块从系统中切除和更换,避免因故障蔓延。
(4)能源系统功率扩展性好,可通过增加基础模块(储能、光伏、并网供电、配电等)的数量,实现系统规模扩容,大幅度提升系统输出功率,极大缓解了母线电压持续提升的迫切程度。
(5)能源系统采用的多种新型空间能源技术,包括核反应堆发电、同位素发电、无线能量传输、超导大功率传输等,将显著带动与牵引与之相关的技术及基础产业的发展。
(6)多通道能源调度管理系统负责能源系统的整体调度与日常管理,要求具有长期无人运行自主管理、故障识别与处理等功能,智能化程度比较高。
(7)月面活动过程中,由于羽流、冲击、漂浮等各种因素会导致太阳电池片表面月尘堆积,对覆盖不同重量不同物质月尘的叠层太阳电池模拟测试,电性能衰减率一般在1% ~ 30%不等,在光伏板设计过程中需充分考虑衰降效率,通过系统冗余与备份等方式增强能源的安全与可靠性。
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通过对月球科研站能源分析,根据标准化、模块化、可扩展化要求,确定月球科研站能源系统总体方案和拓扑架构;研究母线电压等级,对电能的产生、传输、调节控制、功率分配与智能管理的全环节评估、分析与优化。
1)分类分级能源系统架构
月球科研站能源系统采用分布式系统架构,组成如图8所示。能源系统控制策略直接影响到系统的供电质量及可靠性,拟采用对等控制(设备级控制)+集中控制(系统级分层控制)的控制策略。
2)分布式能源系统多级控制
对等控制由各分控制器对各自出口端采样控制,实现物理设备级控制,主要是对电源系统物理层的功率设备调节,如双向DC-DC变换器、分布式的太阳功率调节器、蓄电池功率调节器、负载分配器等,基于本地信息完成自身的一些基本控制目标,如维持母线电压稳定、实现系统功率平衡、系统稳定运行等。控制内容包括母线电压、互联功率、负载电压、最大功率跟踪以及蓄电池组充放电控制等。
集中控制由系统管理计算机对运行参数采样、分析和计算,在对等控制的基础上二次精细调节。集中控制主要指对系统集中管理和能量优化,提升整体运行的效率和可靠性,实现最优。能量管理、各单元输出功率合理分配等最优运行目标是集中控制的基本功能,而功率/能量分配、直流母线电压二次调节及多运行模式切换等功能模块是实现系统级控制功能的重要组成部分。集中控制策略分别为上层、中层和底层,系统中各个分布式能源单元之间的协调以信息交互。
3)分布式能源系统仿真分析与评估
月球科研站能源系统拟采用分布式多通道架构,系统组成和工作模式都较为复杂,系统运行的稳定性要求极高,需要开展能源系统软件仿真建模,在此基础上开展仿真分析研究,对月球科研站能源系统稳定性进行理论研究与分析,提出分布式能源系统的稳定性评价体系,提升能源系统的长期稳定运行能力。
4)分布式能源系统试验验证
搭建科研站能源系统控制、管理与配电地面演示验证系统,组织开展相关测试与试验,验证提出的400 V/100 kW级电源系统拓扑结构和总体方案的有效性;开展高压母线主动功率调节器、高压电源变换器等样机研制,掌握空间高电压母线真空放电地面试验数据,继续完善并增强空间高压供配电系统设计手段,突破高压母线设计瓶颈,形成高压大功率电源系统设计、制造、试验、验证能力。
Scheme Design and Key Technology Research of Distributed Energy System for Lunar Scientific Research Station
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摘要:针对月球极区低温、低光照的恶劣环境及月球科研站长期观测任务需求,提出一套多类型分布式能源系统架构,采用标准化、模块化、可扩展的设计思想,构建了基于核反应堆和光伏发电的大型能源系统、基于同位素和光伏发电的中型能源系统和基于智能电池包的小型能源系统技术,实现了长寿命、大功率、高可靠的持续稳定供电,解决了功率等级跨度大、电源种类多的难题,以满足月球科研站能源长期稳定供给需求;采用有线并网供电和无线能量传输技术,实现各类能源系统间的能源共享和功率扩展;基于分层管理的多通道能源管理方法,解决了能源自主健康管理所涉及顶层、中层、底层3个层次间的能量平衡问题,增强了对月球科研站任务的支持能力。Abstract:In view of the harsh environment of low temperature and low light in the lunar polar region, as well as the long-term observation mission requirements of the lunar scientific research station, combined with the composition and construction objectives of the lunar scientific research station, a set of muti-type distributed energy system architecture was proposed. By adopting standardized, modular and scalable design concepts a solar energy system based on nuclear reactor power generation and photovoltaic power generation, and a medium-sized energy system based on isotope power generation and photovoltaic power generation, and a small energy system based on intelligent battery packs were built to achieve long-life, high-power, highly reliable, stable and continuous power supply, solve the problems of large power level span and numerous power types were solved, and the long-term stable supply demand of energy for lunar scientific research station was met. At the same time, the wired grid connected power supply technology and wireless energy transmission technology were adopted to realize energy sharing and power expansion among various energy systems. The multi-channel energy management method based on hierarchical management was adopted to solve the energy balance problem between the top, middle and bottom levels involved in independent health management of energy, and the mission support ability of the lunar scientific research station was enhanced.Highlights
● According to the harsh environment of low temperature and low light in the polar region of the moon, and the long-term observation task requirements of the lunar scientific research station, carry out the demand analysis of the lunar scientific research station distributed energy system. ● The solution of large, medium and small energy systems based on distributed architecture was proposed, which realizes stable and continuous power supply with long life,high power and reliability, and solves the problems of large power grade span and numerous power supply types. ● The key technologies of energy system represented by nuclear reactor power generation and protection,high-efficiency light isotope power generation technology, near-field and far-field wireless energy transmission technology were presented. -
表 1月球科研站能源系统各组成模块
Table 1Energy system composition module of lunar scientific research station
序号 模块名称 组成 技术指标 说明 配置 大型能源系统(20 kW) 1) 光伏发
电模块太阳
电池阵输出电压 ≥100 V 基础配置1个 选配 2) 输出功率 ≥10 kW 3) 功率
调节器输入电压 ≥100 V 4) 输出电压 ≥400 V 5) 输出功率 ≥10 kW 6) 核反应堆发电模块 核反应堆 输出电压 40 ~ 70 V 基础配置1个 必配 7) 输出功率 ≥10 kW 8) 热电转换效率 ≥6% 9) 功率
调节器输出电压 ≥400 V 10) 输出功率 ≥10 kW 11) 储能模块 蓄电池组 输出电压 ≥70 V 默认1个模块,可并联扩容, 必配 12) 额定容量 ≥300 Ah 13) 充放电
调节器功能 蓄电池组充电、蓄电池组放电 14) 蓄电池
管理系统功能 温控管理、均衡管理、健康管理等 15) 多通道
并网供
电模块主站间
并网单元输入电压 ≥400 V 默认1个模块,可并联扩容 必配 16) 输出电压 ≥400 V 17) 并网功率 ≥5 kW 18) 站内并
网单元输入电压 ≥400 V 19) 输出电压 ≥28 V 20) 并网功率 ≥2 kW 21) 配电管
理模块高压配
电模块配电路数 多路 默认1个模块,可并联扩容 必配 22) 配电电压 高电压 23) 常压配
电模块配电路数 多路 24) 配电电压 常用电压 25) 远场无线能量传输模块 发射模块 功率 ≥400 W 默认1个模块,可并联扩容 选配 26) 效率 ≥30% 中型能源系统(1 000 W/400 W) 27) 光伏发电模块 太阳
电池阵输出电压 ≥28 V 基础配置1个 A型必配 28) 输出功率 ≥1 kW 29) 功率
调节器输入电压 ≥28 V 30) 输出电压 ≥28 V 31) 输出功率 ≥1 kW 32) 同位素发电模块 同位素
电源输出电压 ≥15 V 基础配置1个 B型必配 33) 输出功率 ≥400 W 34) 热电转换效率 ≥8% 35) 功率
调节器输出电压 ≥28 V 36) 输出功率 ≥400 W 37) 储能模块 蓄电池组 输出电压 ≥23 V 基础配置1个 必配 38) 额定容量 ≥50 Ah 39) 充放电
调节器功能 蓄电池组充电、蓄电池组放电 40) 蓄电池
管理系统功能 温控管理、均衡管理、健康管理等 41) 远场无线能量传输模块 接收模块 功率 ≥400 W 基础配置1个 选配 42) 效率 ≥30% 43) 近场无线能量传输模块 发射模块 功率 ≥30 W 基础配置1个 选配 44) 效率 ≥90% 45) 接收模块 功率 ≥100 W 46) 效率 ≥90% 47) 功率调
节与变
换模块功率
调节器功能 蓄电池组充放电 基础配置1个 必配 48) 功率变换
与分配配电路数 多路 49) 配电电压 常用电压 小型能源系统(10 W~100 W) 50) 储能模块 蓄电池组 功能 主能源 基础配置1个 必配 51) 放电
调节器功能 蓄电池组放电 52) 蓄电池
管理系统功能 温控管理、均衡管理、健康管理等 53) 近场无线能量传输模块 接收模块 功率 ≥30 W 基础配置1个 必配 54) 效率 ≥99% 55) 功率调
节与变
换模块功率
调节器功能 接收有线蓄电池组充电 基础配置1个 必配 56) 功率变换
与分配配电路数 多路 57) 配电电压 常用电压 -
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