一種基于超導(dǎo)磁儲能的航天器電源系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器電源的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于超導(dǎo)磁儲能的航天器電源系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國航天事業(yè)快速發(fā)展以及國際上太空爭奪戰(zhàn)日益加劇，空間大功率、脈沖型有效載荷得到越來越多的應(yīng)用，如當(dāng)前空間電推進(jìn)功率需求達(dá)20kW，單次工作時間最長為3mins ;某天基雷達(dá)任務(wù)提出了 30kW的脈沖性電源功率需求，工作頻率約為20kHz ;空間電磁發(fā)射器未來峰值功率需求有望達(dá)到10kW量級，持續(xù)時間約為20ms ;此外，天基武器對電源系統(tǒng)的容量、峰值功率和響應(yīng)速度的要求更高，以星載或站載激光武器系統(tǒng)為例，紅外化學(xué)激光器應(yīng)具備2s內(nèi)達(dá)到25MW的峰值功率要求，自由電子激光器平均功率需在20MW以上，瞬時最高功率達(dá)1TW。
[0003]但是，目前國內(nèi)外航天器電源系統(tǒng)設(shè)計模式比較單一，絕大多數(shù)仍然為傳統(tǒng)的“太陽電池發(fā)電+電源調(diào)節(jié)+蓄電池儲能”形式，特別是采用電化學(xué)蓄電池進(jìn)行儲能，由于要經(jīng)過“電能〈一〉化學(xué)能”兩種能量形式轉(zhuǎn)換，電源儲能效率低(平均為70%左右)、動態(tài)響應(yīng)慢(約為s?min級)，峰值功率低(僅為kW量級)，無法滿足脈沖型、大功率載荷的空間應(yīng)用需求，因而亟需設(shè)計一種新型的、可適應(yīng)超大功率脈沖型載荷供電需求的空間電源系統(tǒng)。
[0004]近年來，新型高溫超導(dǎo)材料研發(fā)與應(yīng)用逐漸成為國內(nèi)外研宄的熱點?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》中明確提出了要加強(qiáng)我國核心前沿技術(shù)一高溫超導(dǎo)技術(shù)研宄。2014年初，國家科學(xué)技術(shù)獎一國家自然科學(xué)一等獎授予中科院物理所及中國科技大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊，獲獎項目是“40K以上鐵基高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及若干基本物理性質(zhì)研宄”，該研宄“有望激活超導(dǎo)體超過萬億的市場應(yīng)用前景”。超導(dǎo)材料具有近乎為零的通態(tài)電阻，能夠通流較高的電流密度，可進(jìn)行無熱耗的電能傳輸，超導(dǎo)磁儲能屬于電能和磁能轉(zhuǎn)換，屬同一種能源形式，儲能效率高。并且，超導(dǎo)磁儲能電源系統(tǒng)的功率密度是蓄電池儲能電源系統(tǒng)的100倍以上，因而能極大限度減少系統(tǒng)重量和空間，特別是外太空背陽面超低的環(huán)境溫度，可為超導(dǎo)材料的在新型空間電源系統(tǒng)中應(yīng)用提供便利，此外，傳統(tǒng)化學(xué)儲能的蓄電池組，由于正負(fù)極材料性能衰減，為維持較長的循環(huán)壽命，通常要求放電深度小，以低軌應(yīng)用的鋰蓄電池組為例，為滿足在軌5年約30000次的循環(huán)壽命設(shè)計，要求長期放電深度不超過30%，而超導(dǎo)磁儲能電源系統(tǒng)則無此限制，通常放電深度可大于95%，超導(dǎo)線圈在軌壽命可長達(dá)20年，因而備受關(guān)注。
[0005]超導(dǎo)電力技術(shù)目前已成功應(yīng)用于地面電力供電網(wǎng)有功/無功功率補(bǔ)償、功率因數(shù)校正、電源質(zhì)量提升、風(fēng)力發(fā)電及微網(wǎng)低電壓穿越抑制等方面效果顯著，高溫超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲能器等已全面商業(yè)推廣。隨著新型高溫超導(dǎo)帶材的研發(fā)成功，高溫超導(dǎo)體的工作溫度可提高至液氮溫區(qū)(77K)，將大大降低超導(dǎo)電源系統(tǒng)成本。超導(dǎo)新材料、新技術(shù)發(fā)展可為航天事業(yè)注入新的活力，并可能在儲能、電力傳輸、強(qiáng)磁場等方面弓I領(lǐng)新型空間飛行器電源系統(tǒng)技術(shù)變革。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于超導(dǎo)磁儲能的航天器電源系統(tǒng)及控制方法，能夠解決傳統(tǒng)空間電源系統(tǒng)(太陽電池發(fā)電+電源調(diào)節(jié)+蓄電池儲能)難以為甚大功率、脈沖性載荷供電的問題，并且儲能效率高、功率密度大、動態(tài)響應(yīng)快、放電深度大、循環(huán)壽命長，可降低空間電源系統(tǒng)成本。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于超導(dǎo)磁儲能的航天器電源系統(tǒng)，包括:太陽電池陣、電源控制單元、能量可雙向流動的變流器、邏輯與控制單元和超導(dǎo)線圈；
[0009]太陽電池陣將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；
[0010]電源控制單元，用于將太陽電池陣的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定的一次母線電壓，并通過一次母線輸出；
[0011]邏輯與控制單元，包括變量采集與處理模塊、邏輯控制模塊、脈沖產(chǎn)生、驅(qū)動及保護(hù)電路模塊，變量采集與處理模塊采集一次母線電壓后進(jìn)行處理，處理后所得變量經(jīng)過邏輯控制模塊的邏輯判斷，脈沖產(chǎn)生、驅(qū)動及保護(hù)電路模塊根據(jù)邏輯判斷的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號，所述脈沖信號對能量可雙向流動的變流器進(jìn)行控制；
[0012]能量可雙向流動的變流器在邏輯與控制單元的控制下，使得一次母線對超導(dǎo)線圈進(jìn)行充電、超導(dǎo)線圈對一次母線進(jìn)行放電或超導(dǎo)線圈續(xù)流功能的實現(xiàn)；
[0013]超導(dǎo)線圈用于電能存儲。
[0014]進(jìn)一步地，所述的能量可雙向流動的變流器由2個半導(dǎo)體開關(guān)器件和2個二極管組成，一次母線高壓端分別與半導(dǎo)體開關(guān)器件I的集電極、二極管I的陰極連接，一次母線低壓端分別與二極管II的陽極以及半導(dǎo)體開關(guān)器件II的源極連接；半導(dǎo)體開關(guān)器件I的源極與二極管II的陰極連接，連接處作為橋臂I的中點；二極管I的陽極與半導(dǎo)體開關(guān)器件II的集電極連接，連接處作為橋臂II的中點；橋臂I和橋臂II的中點分別與超導(dǎo)線圈的兩端連接。
[0015]一種基于超導(dǎo)磁儲能的航天器電源系統(tǒng)的控制方法，該控制方法具體實現(xiàn)方式為:
[0016]步驟一、在邏輯與控制單元的邏輯控制模塊中設(shè)置電壓區(qū)間[vl，v6]，其中電壓數(shù)值vl〈v2〈v3〈v4〈v5〈v6 ;將[vl，v2]區(qū)間設(shè)置為放電模式，將[v3，v4]區(qū)間設(shè)置為充電模式，將[v5，v6]區(qū)間設(shè)置為分流模式；將[v2，v3]區(qū)間設(shè)置為放電模式與充電模式的滯環(huán)區(qū)間I，將[v4，v5]區(qū)間設(shè)置為充電模式與分流模式的滯環(huán)區(qū)間II ;
[0017]步驟二、變量采集與處理模塊采集一次母線的電壓Vo，將一次母線電壓No進(jìn)行低通濾波，以濾除高頻干擾量，得到電壓Vo_l ;
[0018]步驟三、邏輯控制模塊對電壓Vo_l進(jìn)行邏輯判斷:當(dāng)其處于[vl，v2]區(qū)間時，執(zhí)行步驟四；當(dāng)其處于[v3, v4]區(qū)間時，執(zhí)行步驟五；當(dāng)其處于[v5, v6]區(qū)間、[v2，v3]區(qū)間或者[v4, v5]區(qū)間時，執(zhí)行步驟六；
[0019]步驟四、邏輯與控制單元采用一次母線電壓反饋閉環(huán)控制的策略，使得超導(dǎo)線圈為一次母線釋放電能；所述一次母線電壓反饋閉環(huán)控制策略的具體實現(xiàn)步驟為:
[0020]步驟41、在邏輯控制模塊中，給定參考電壓Vo_ref，將Vo_ref與Vo_l相減，其差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)及限幅控制，獲得Vo_PI ;
[0021]步驟42、根據(jù)變流器所要求的半導(dǎo)體開關(guān)器件II的開關(guān)頻率對脈沖產(chǎn)生、驅(qū)動及保護(hù)電路模塊中的鋸齒波發(fā)生器輸出的鋸齒波頻率進(jìn)行設(shè)定；
[0022]將Vo_PI與鋸齒波發(fā)生器輸出的鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號經(jīng)取反操作，得到脈沖信號T4，脈沖信號T4控制半導(dǎo)體開關(guān)器件II ;半導(dǎo)體開關(guān)器件I的驅(qū)動脈沖Tl始終設(shè)置為低電平，處于封鎖狀態(tài)；
[0023]步驟五、邏輯與控制單元采用超導(dǎo)線圈端電壓反饋閉環(huán)控制的策略，使得一次母線為超導(dǎo)線圈儲能；所述超導(dǎo)線圈端電壓反饋閉環(huán)控制策略的具體實現(xiàn)步驟為:
[0024]步驟51、變量采集與處理模塊采集超導(dǎo)線圈的電壓Vs，將超導(dǎo)線圈端電壓Vs進(jìn)行低通濾波，以濾除高頻干擾量，得到Vs_l ;
[0025]步驟52、在邏輯控制模塊中，給定參考電壓Vs_ref，將Vs_ref與Vs_l相減，其差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)及限幅控制，獲得Vs_PI ;
[0026]步驟53、根據(jù)變流器所要求的半導(dǎo)體開關(guān)器件I的開關(guān)頻率對脈沖產(chǎn)生、驅(qū)動及保護(hù)電路模塊中的鋸齒波發(fā)生器輸出的鋸齒波頻率進(jìn)行設(shè)定；
[0027]將Vs_PI與鋸齒波發(fā)生器的輸出進(jìn)行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號Tl，脈沖信號Tl控制半導(dǎo)體開關(guān)器件I ;半導(dǎo)體開關(guān)器件II的驅(qū)動脈沖T4始終設(shè)置為高電平，處于常通狀態(tài)；
[0028]步驟六、邏輯與控制單元對超導(dǎo)線圈采用續(xù)流控制策略，所述續(xù)流控制策略的具體實現(xiàn)步驟為:將半導(dǎo)體開關(guān)