CN111711256A - 航天器分布式电源系统 - Google Patents

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钟丹华
唐筱
舒斌
辛利斌
金磊
涂浡
张思义
田源
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Abstract

本发明涉及一种航天器分布式电源系统，包括一个并网控制器和多个标准供电单元；所述的标准供电单元具备独立供电功能，分别通过供电电缆与并网控制器连接，各个标准供电单元在并网控制器内进行并网供电，提供航天器负载用电需求；并网控制器对标准供电单元的工作状态进行在线监测，对发生故障的标准供电单元进行故障隔离，并对入网的标准供电单元进行供电均衡控制，使得每个入网标准供电单元的输出功率均衡。

Description

航天器分布式电源系统
技术领域
本发明涉及航天技术领域，尤其涉及航天器电源系统的技术和工作方法。
背景技术
电源系统是航天器的核心平台系统之一，为航天器安全、可靠地提供所需的连续的、间断和瞬时的电能。现代航天器电源系统从能源获得和利用途径划分，一般分为光伏电源系统、一次性储能电源系统、燃料电池电源系统和核电源系统，其中光伏电源系统是大量应用的主流电源系统；按照母线体制划分，一般分为低压母线电源系统(28V～30V)、中压母线电源系统(40V～42V)和高压母线电源系统(100V～110V)。现代航天器电源系统有以下主要特点：
1、电源系统一般为航天器定制系统，每种新研航天器均要提出新的技术要求和任务要求，根据航天器用电功率大小和舱内空间大小进行定制设计，缺乏货架产品、模块组合产品、标准化产品的灵活性；
2、电源系统为获得最高的能量利用率(最小的能量传递损失)一般采用集中设计和布置设备，电源调节设备和储能设备集中布置在航天器内仪器盘或仪器架上，集中布置在能量利用上有优势，但也存在着热耗集中、质量集中、容易受共性故障影响的劣势。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种航天器分布式电源系统，能够充分利用电源系统设备的质量特性，根据航天器总体布局的设计需求，在航天器内各个舱段分散布置电源设备，除能提供航天器供电电能外，还可以提供舱体空间占位布局、舱体质量特性调整功能，满足整器布局需求和质量特性设计需求。
本发明解决技术的方案是：一种航天器分布式电源系统，包括一个并网控制器和多个标准供电单元；所述的标准供电单元具备独立供电功能，分别通过供电电缆与并网控制器连接，各个标准供电单元在并网控制器内进行并网供电，提供航天器负载用电需求；并网控制器对标准供电单元的工作状态进行在线监测，对发生故障的标准供电单元进行故障隔离，并对入网的标准供电单元进行供电均衡控制，使得每个入网标准供电单元的输出功率均衡。
优选的，所述的标准供电单元的额定输出功率按照型普化进行配置，提供典型步长的功率输出能力。
优选的，所述标准供电单元的母线体制按照型普化进行配置，提供低压母线输出、中压母线输出和高压母线输出能力。
优选的，所述的标准供电单元兼容储能蓄电池模块，提供锂离子蓄电池组、镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组的不同配置能力。
优选的，所述的供电均衡控制步骤如下：
分别采用入网标准供电单元的供电电流，假设入网标准供电单元为n个，则对采集的n路供电电流进行均流处理，产生n组均流控制信号，根据n组均流控制信号进行稳压调节闭环控制，得到n组控制信号控制标准供电单元的输出电压。
优选的，所述的稳压调节闭环控制在母线电压低于设定值Vf时，调节储能蓄电池模块进行升压或者降压放电，将母线电压稳定在Vf±ΔV范围内，Vf与ΔV根据负载用户的需求设定；在母线电压高于设定值Vc时，对储能蓄电池模块进行充电；所述的Vc＞Vf。
优选的，对于停靠空间站的航天器，由并网控制器提供充电电能，用于为标准供电单元内的储能蓄电池模块补充充电，以利于长期在轨任务的循环使用。
优选的，充电电能的能量来源包括但不限于空间站的并网电能，或者来自于航天器自身的太阳电池翼充电电能。
优选的，所述标准供电单元的数量根据用户故障隔离需求以及冗余需求进行设定。
优选的，所述的并网控制控制器多于1个，由每个并网控制器向负载用户提供至少1条供电输出母线；根据负载用户的设计需求，多个并网控制器间各自独立工作，形成多条供电输出母线；或者耦合并网输出工作，形成1条供电输出母线。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的技术能够对电源系统进行标准化、模块化、型普化配置，适应不能储能蓄电池组、不同母线电压体制、不同负载功率的航天器设计需求；本发明的技术能够满足航天器舱内空间占位布局需求和舱体质量特性调整需求，分散、灵活配置电源系统；本发明具备高可靠性和故障隔离功能，并能解决大功率电源系统热耗集中的问题。
对于可返回式航天器，分布式电源系统具备在航天器返回及着陆后，对标准式供电单元进行检修和更换的功能，以供航天器下次飞行任务重复使用。
本发明多个标准供电单元提供了分布式电源系统的高可靠性和故障隔离功能，可根据航天器需求配置一定数量的冗余供电单元，当并网控制器监测到某个或数个标准供电单元异常后可对故障单元进行输入、输出隔离，剩余供电单元仍可以满足负载用户用电需求。
附图说明
图1是分布式电源系统原理框图；
图2是分布式电源分系统在舱内布局示意图。
具体实施方式
本发明提供一种航天器分布式电源系统。所述电源系统具有多个标准供电单元和至少1个并网控制器，每个并网控制器向负载用户提供至少1条供电输出母线。根据负载用户的设计需求，多个并网控制器间可各自独立工作，形成多条供电输出母线；也可以耦合并网输出工作，形成1条供电输出母线，以进一步提高系统冗余度。
每个标准供电单元由1个储能蓄电池模块和1个稳压调节模块组成。并网控制器与各个标准供电单元间通过长度为Ln的供电电缆连接。每个标准供电单元具备独立供电功能，通过分散、灵活配置多个标准供电单元，可以满足航天器舱内空间占位布局需求和舱体质量特性调整需求的目的，并能解决大功率电源系统热耗集中的问题。
多个标准供电单元提供了分布式电源系统的高可靠性和故障隔离功能，可根据航天器需求配置一定数量的冗余供电单元，当并网控制器监测到某个或数个标准供电单元异常后可对故障单元进行输入、输出隔离，剩余供电单元仍可以满足负载用户用电需求。
所述标准供电单元的额定输出功率按照型普化进行配置，提供500W、1000W、1500W等典型步长的功率输出能力。所述标准供电单元的母线体制按照型普化进行配置，提供低压母线输出(例如28V～30V)、中压母线输出(例如40V～42V)和高压母线输出(例如100V～110V)能力。
对于高压母线体制，选择配置高压标准供电单元；对于中压母线体制，选择配置中压标准供电单元；对于低压母线体制，选择配置中压标准供电单元。并根据航天器需求，灵活配置锂离子蓄电池组、镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组等作为储能蓄电池模块。
下面结合实施例对本发明的技术方案和工作方法进行具体描述。请结合图1和图2，图1是航天器分布式电源系统的原理框图，图2是分布式电源系统在舱内布局示意图。
如图1所示，航天器分布式电源系统具有1个并网控制器和n个标准供电单元，每个标准供电单元由1个储能蓄电池模块和1个稳压调节模块组成。并网控制器与各个标准供电单元间通过长度为Ln的供电电缆连接。
因标准供电单元的数量可根据航天器用电功耗的大小按需配置，本实施例以3个机组进行用例说明，包括但不限于3个机组。
航天器在正常工作模式下，由各个标准供电单元在并网控制器内进行并网供电，提供航天器负载用电需求；由并网控制器对标准供电单元的工作状态进行在线监测，发现故障后，通过并网控制器对标准供电单元进行故障隔离。每个标准供电单元的输出电流之比为1:1:1。
如图1所示，作为一个实施例，每个高压标准供电单元的储能蓄电池模块由22串30Ah电池单体串联组成，电池组工作电压范围75V～91V，在并网控制器内并网输出电压范围为98V～100V，输出功率1000W。标准供电单元的质量特性为60kg，可以根据航天器总体布局的需求，在航天器不同舱段内灵活布置。
作为一个实施例，为适应在不同舱段内的配置需求，L1、L2、L3的长度不要求严格等长，通过并网控制器内的均衡控制模块进行供电均衡控制，可以确保不同标准供电单元的输出功率均衡，不受电缆长度差异的制约。
作为一个实施例，在第一标准供电单元故障时，由并网控制器切断与故障单元的连接，由剩余标准供电单元并网供电。剩余标准供电单元间实施供电均衡控制，确保不同标准供电单元的输出功率均衡。采取的均衡技术措施如下：
分别采样3个标准供电单元中储能蓄电池组的供电电流，对3路电流进行均流处理，产生3组均流控制信号，引入到稳压调节闭环控制中，分别控制3个稳压调节模块输出电压，达到均衡控制3组蓄电池供电电流的目的。在隔离一个标准供电单元后，均衡控制仍然有效。
作为一个实施例，对于可以停靠空间站的航天器，由并网控制器提供充电电能，用于为标准供电单元内的储能蓄电池组补充充电，以利于长期在轨任务的循环使用。
上述充电电能的能量来源包括但不限于空间站的并网电能，也可来自于航天器自身的太阳电池翼充电电能。
如图2所示，根据航天器舱内空间占位布局需求和舱体质量特性调整需求，分布式电源系统的多个标准供电单元可以分布在航天器不同的舱段位置。例如，在舱段1内有舱体质量特性调整需求，可将标准单元布置在需要增加质量的区间；在舱段2内有空间占位布局需求，可将标准单元布置在需要的位置，满足整器布局需求和质量特性设计需求，减少不必要的配重块。
经地面试验室验证测试，本发明所述的航天器分布式电源系统实施方案合理可行，测试数据表明电源系统各个标准供电单元输出稳定、均衡，可以实现灵活配置不同的电池类型，可以实现灵活配置不同的功率单元。
综上，本发明的技术和工作方法能够通过分散、灵活配置电源系统设备，以满足航天器舱内空间占位布局需求和舱体质量特性调整需求的目的，具备高可靠性和故障隔离功能，并能解决大功率电源系统热耗集中的问题。
因此，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种航天器分布式电源系统，其特征在于：包括一个并网控制器和多个标准供电单元；所述的标准供电单元具备独立供电功能，分别通过供电电缆与并网控制器连接，各个标准供电单元在并网控制器内进行并网供电，提供航天器负载用电需求；并网控制器对标准供电单元的工作状态进行在线监测，对发生故障的标准供电单元进行故障隔离，并对入网的标准供电单元进行供电均衡控制，使得每个入网标准供电单元的输出功率均衡。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的标准供电单元的额定输出功率按照型普化进行配置，提供典型步长的功率输出能力。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述标准供电单元的母线体制按照型普化进行配置，提供低压母线输出、中压母线输出和高压母线输出能力。
4.根据权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于：所述的标准供电单元兼容储能蓄电池模块，提供锂离子蓄电池组、镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组的不同配置能力。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的供电均衡控制步骤如下：
分别采用入网标准供电单元的供电电流，假设入网标准供电单元为n个，则对采集的n路供电电流进行均流处理，产生n组均流控制信号，根据n组均流控制信号进行稳压调节闭环控制，得到n组控制信号控制标准供电单元的输出电压。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述的稳压调节闭环控制在母线电压低于设定值Vf时，调节储能蓄电池模块进行升压或者降压放电，将母线电压稳定在Vf±ΔV范围内，Vf与ΔV根据负载用户的需求设定；在母线电压高于设定值Vc时，可对储能蓄电池模块进行充电；所述的Vc＞Vf。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：对于停靠空间站的航天器，由并网控制器提供充电电能，用于为标准供电单元内的储能蓄电池模块补充充电，以利于长期在轨任务的循环使用。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：充电电能的能量来源包括但不限于空间站的并网电能，或者来自于航天器自身的太阳电池翼充电电能。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述标准供电单元的数量根据用户故障隔离需求以及冗余需求进行设定。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的并网控制控制器多于1个，由每个并网控制器向负载用户提供至少1条供电输出母线；根据负载用户的设计需求，多个并网控制器间各自独立工作，形成多条供电输出母线；或者耦合并网输出工作，形成1条供电输出母线。
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