空间太阳能电站高低压混合供电系统设计

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

1 引言

空间太阳能电站（Solar Power Satellite，SPS）是航天与新能源的战略结合，它在空间将太阳能转化为电能，再通过无线传输方式将电能传输到地面，与地面电网并网为用户供电［1］。空间太阳能电站可充分利用太阳巨大的能量和连续供电的优势，解决人类对清洁能源的需求难题，同时将大大促进能源和航天技术领域的可持续发展。

目前，空间太阳能电站概念受到了国际的广泛关注，其中以美国和日本为代表，都以2030年左右实现商业化运行为目标。美国计划于2020年实现10 MW 系统的空间验证，日本也提出在2030年实现1GW 商业系统运行的技术路线图。此外，欧洲航天局（ESA）于2002年8月组建了欧洲空间太阳能电站研究网［2］，我国也已经启动了空间太阳能电站的预先研究，成立了专门的课题组［3］。空间太阳能电站发电功率为吉瓦（109W）级，比目前的卫星高出6个数量级，需要特别的电源管理技术［4］；而目前的研究重点均集中在高效多层太阳电池、薄膜太阳电池、高效微波转化器、轻型大型空间结构等先进技术上，对电源管理技术研究甚少，仅有美国在1979年设计的空间太阳能电站基准系统（以下简称1979-SPS）包括电源管理系统的详细设计，但其中为平台设备供电需要高低压转换环节，系统效率较低。因此，为提高系统效率，本文根据不同的用电需求，设计了适用于空间太阳能电站的高低压混合供电系统。

2 美国空间太阳能电站电源管理系统概况

在美国科学家彼得·格拉赛博士（P.E.Glaser）于1968年首次提出空间太阳能电站的构想之后，美国开展了大量的研究，并在1976―1980年达到了顶峰，其中NASA约翰逊航天中心（JSC）提出了一套较为完整的系统设计1979-SPS［5］。1979-SPS 电源管理系统的功率等级为8GW，总的供电需求可分为太阳能电站主体及微波管两大部分，结构框图如图1所示。

图1 1979-SPS电源管理系统结构框图Fig.1 Configuration of power management system of 1979-SPS

为了便于电能管理和电能分配，1979-SPS被分为了223个电能分支，每个电能分支都是可变换的，相互独立，有利于散热及维修。在功率调节模块中，将电能分为两部分，一部分为电站主体，即平台系统供电，另一部分为微波管供电。

从图1中可以看出，整个系统采用40kV 高压，较现有航天器常用的电压等级高出2～3个数量级。为应对高压问题，NASA 采取了多项措施：该系统存在多条母线，为避免出现高压击穿现象，将传输到天线滑环的不同母线间的电压差控制在0.25%以内；为适应高压环境，采用了效率高达96%的高压大功率DC／DC 变换器；同时，由于高压，在断开回路时产生的拉弧现象不可避免，为此采取了相应地消除电弧措施，设计出高压大电流真空开关及固态开关，开关时间均控制在5毫秒级。

在该系统中，对于电站控制设备，如姿态控制、功率调节、电站维持等，由功率调节模块供电，其输入端为40kV 高压，而控制设备需求电压为100V，微波管加热器所需供电电压仅为10V，这对中间的DC／DC电压转换环节提出了极高的要求，或需要通过多级变压，这样会降低整个系统的效率。因此，应在设计上避免采用高压作为上级为平台设备供电，而应设计低压系统直接给平台设备供电，即采用高低压混合供电模式。

3 空间太阳能电站高低压供电系统

从上述分析可以看出，在空间太阳能电站中，平台设备（姿态控制、有效载荷热控、电站管理等）所需的功率较低，供电电压较低，而有效载荷微波管需要的功率非常大，供电电压量级高达千伏，因此要在电源系统设计中将太阳电池阵发出的电能分为高压、低压两种完全独立的供电模式。按照该设计思路设计的空间太阳能电站整个供电系统，见图2。

图2 空间太阳能电站的高低压混合供电系统组成Fig.2 Configuration of high-and low-voltage hybrid power supply system of SPS

在图2中，为平台及微波管加热供电的是低压母线，母线电压为100V，独立于微波管高压供电系统。此外，按照目前预定的轨道设计，空间太阳能电站位于地球同步轨道，存在短期地影，地球同步轨道周期约为23h56min，每个周期内的地影期最短为0，最长约为72min［6］。因此，为保证平台的持续正常运行，须为平台设计一套完整的太阳电池阵-蓄电池组电源系统，系统主要包括阳照期供电的太阳电池阵，地影期供电的蓄电池组及功率调节设备（PCU），采用目前已应用于高轨卫星且效率较高的顺序开关串行分流调节（S4R）控制模式［7］，即图2中的平台功率调节设备。通过合理设计太阳电池阵及蓄电池组的串并联数，并经过平台功率调节设备的调节，使系统输出电压稳定在100V 左右，以维持整个任务期内平台的稳定运行。

目前，我国为空间太阳能电站设计的大功率微波管需要的输入电压为5kV，因此要设计高压供电母线为微波管供电。微波管作为平台的有效载荷，负责将太阳电池阵发出的电能转换为微波传输至地面接收装置。因此，在地影期太阳电池阵无法发电的情况下，除了微波管加热器等维持微波管正常性能的设备外，不必为微波管供电（微波管加热器为平台有效载荷热控设备，由低压母线供电），即为微波管本身供电的高压系统仅采用太阳电池阵供电即可，不配置蓄电池。为提高太阳电池阵输出功率，设置电源控制器，采用最大功率点跟踪（MPPT）电源控制方式。将前后2个时间点的太阳电池阵电压或电流误差信号，作为最大功率点跟踪模块的输入信号，根据输入信号判断太阳电池阵的工作状态，经比较计算产生相应的脉宽调制（PWM）信号，以控制电压控制模块的输出，从而调整太阳电池阵的工作点，跟踪其最大功率点［8］。此外，配置分流调节器（SR），用于在太阳电池阵输出超过微波管的传输能力后，将多余的电能分流。为提高系统的可靠性，设置了多条高压母线，互为备份，不同的高压母线之间相互隔离，单条母线发生短路故障时，不会对其他母线造成影响。

4 关键技术分析

在空间太阳能电站高低压混合供电系统中，由于采用5kV 的超高压，因此对高压防护、空间等离子体防护等提出了更高的要求。

4.1 高压防护

对于高压防护，在配电及输电环节主要关注电缆网、继电器等。

目前，少量航天产品使用的电缆最高抗压值已达到千伏量级，适用于空间太阳能电站，但电站电压等级更高，绝缘层更厚，由此带来的质量大、散热能力差、转弯半径大等问题，均需要深入的研究，通过对绝缘层材料及结构设计的优化来解决。

对于继电器，目前航天产品使用的电压等级最高为百伏量级，美国1979-SPS中使用的千伏继电器为真空继电器。除真空继电器外，理论上，混合式继电器（EMPC）也可实现耐压千伏。混合式继电器为机械触点与固态功率管并联［9］，其耐压等级取决于固态功率管的耐压等级。高压大功率固态功率管在民用领域已得到了广泛的应用，额定电压最高达6.5kV，满足5kV 的需求，因此可借鉴该成熟技术，设计适用于航天任务的高压混合式继电器。

4.2 等离子体防护

空间太阳能电站所处地球同步轨道的等离子体环境相当复杂，太阳电池阵容易发生高电位不等量带电并诱发静电放电，虽然静电放电没有足够的电能破坏太阳电池阵，但由静电放电引起的二次放电是导致高压太阳电池阵永久性短路损坏的原因［10］。因此，对于空间高压光伏系统，如何防止由于空间等离子体环境引发太阳电池阵发生二次放电，是保证太阳电池阵高可靠性运行的关键技术。

目前，等离子体防护方法大致分为被动防护与主动防护两种。被动防护的主要手段是采取加强绝缘等措施抑制静电放电，提高二次放电的阈值电压，如表1前4项所示，但采用被动防护有一定的局限性，并未彻底解决静电积累问题，当电压高达一定程度时，仍会引发放电。主动防护手段如表1第5项所示，已应用于“国际空间站”（ISS），等离子体接触器通过发射电子使航天器与周围环境等电位，消除太阳电池阵表面充电［11］，该方法通过控制静电积累从根源上解决了静电放电问题。我国现有的在轨航天器大多采用被动防护；而“国际空间站”采取的主动防护技术，即等离子体接触器通过消除表面充电，破坏静电放电的条件，从根本上解决静电放电，适用于空间太阳能电站这样的超高压大型航天器。

表1 常用等离子体防护技术Table 1 Plasma prevention technology

5 结束语

面对发展空间太阳能电站的任务需求，本文分析了美国1979-SPS供电系统设计，发现其采用高压母线经过降压后为低压设备供电，因而具有降低系统效率的缺点。为此，针对电站平台设备及有效载荷不同的用电需求，提出了高低压混合供电系统，并设计了系统框架。在此基础上，分析了系统由于存在超高压而涉及到的高压防护和等离子体防护等关键技术，并提出：高压电缆的后续研究重点为减少质量和解决散热问题；将采用高压固态功率管的混合式继电器作为后续高压继电器的研究方向；主动等离子体防护技术更适用于空间太阳能电站的超高压系统。以上分析结果，可为后续空间太阳能电站的进一步设计论证提供参考。

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