本发明涉及航天器能源系统领域，尤其涉及一种不同电压体制的多航天器并网供电系统设计方法。
背景技术：
根据任务研制的要求，来访航天器与目标航天器对接后，构成的组合体由目标航天器进行控制，来访航天器处于停靠状态。停靠期间，来访航天器与目标航天器实现供电联网。
目前，现有的电压体制的并网供电方法均不适用于航天器，不能够实现空间站多航天器长期在轨的供电。因此，对空间站多航天器长期在轨供电是目前世界上亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够长期为空间站多航天器供电并网的不同电压体制的多航天器并网供电系统设计方法。
为实现上述目的，本发明提供一种不同电压体制的多航天器并网供电系统设计方法，包括：
分析来访航天器与目标航天器的组合体并网供电的需求；
设计所述组合体的并网供电的拓扑结构；
设计并网供电控制设备实现供电的方案；
设计所述组合体并网供电的安全性；
分析所述组合体并网供电功率；
设计所述组合体供电工作模式。
根据本发明的一个方面，所述目标航天器向所述来访航天器提供500w以上的电能。
根据本发明的一个方面，所述组合体并网供电的需求包括：
所述目标航天器采用100v高电压供电体制，所述来访航天器采用28v供电体制；
所述目标航天器设置一台并网控制器进行100v到28v的电压转换；
供电过程设有控制开关并保持所述来访航天器和所述目标航天器的距离；
所述目标航天器和所述来访航天器的两端均设置供电控制开关。
根据本发明的一个方面，所述组合体的并网供电的拓扑结构包括：
所述来访航天器供电系统的能源包括太阳帆板、并网控制器和镉镍蓄电池；
所述太阳帆板、所述并网控制器和所述镉镍蓄电池+放电调节器的输出电压区间实现供电。
根据本发明的一个方面，所述太阳帆板、所述并网控制器和所述镉镍蓄电池在所述组合体的一个充放电周期内，工作过程为以下四个阶段：
a.当所述组合体处于阴影区时，由所述并网控制器和所述来访航天器镉镍电池+放电调节器共同完成供电，所述并网控制器提供500w功率输出，所述镉镍电池+放电调节器提供300w功率输出；
b.当所述组合体进入阳照区太阳入射角较大时，所述太阳帆板输出功率小于300w，由所述太阳帆板、所述并网控制器和所述镉镍电池+放电调节器共同供电，所述太阳帆板输出功率从0w逐渐增加到300w，所述并网控制器保持500w额定功率输出，所述镉镍电池+放电调节器输出功率不断减小，从300w一直减小到0；
c.当所述太阳帆板输出功率大于300w时，由所述太阳帆板和所述并网控制器共同完成向停靠负载供电，所述太阳帆板输出功率从300w逐渐增加，所述并网控制器输出功率从500w逐渐减小；
d.当所述组合体处于阳照区时，当所述太阳帆板输出功率大于800w时，由所述太阳帆板向停靠负载提供所需功率，并处于分流状态；或此时由所述太阳帆板和所述并网控制器共同提供停靠负载所需功率，此时应保证所述太阳帆板提供最小400w负载功率输出。
根据本发明的一个方面，所述并网供电控制设备实现供电的方案包括：
所述并网控制器采用电压源，当负载未达到满载时为稳压输出，当达到满载时为恒流输出；
在所述并网控制器输出端和所述来访航天器能源输出端设置隔离二极管；
所述目标航天器采用3个将100v变换28v的dc/dc变换器模块并联，其中1个模块作为冷备份使用；
每个所述dc/dc变换器模块设置一个隔离二极管，能源模块电压采样点放在隔离二极管之前；
所述并网控制器输出电压≤30v。
根据本发明的一个方面，所述组合体并网供电的安全性包括：
所述并网控制器具有2级输出过压保护，第1级可以将变换器工作在输出过压保护状态时的最大输出电压控制在32v以内，第2级输出过压保护为输出电压超过40v时的过压保护；
所述目标航天器的并网供电输出端和所述来访航天器的轨道舱配电器的输入端均设置控制开关，并网供电时，通过监测目标航天器电网状态和所述来访航天器电网状态，通过控制开关的闭合和断开实现并网供电和断网。
根据本发明的一个方面，所述组合体并网供电功率包括：
根据所述来访航天器的供电系统框图，供电电缆的长度、粗细对于供电电缆的阻值进行计算，搭建所述来访航天器的供电系统的静态模型；
从所述并网控制器向所述来访航天器的轨道舱配电器经过所述目标航天器穿舱电连接器、所述来访航天器的轨道舱穿舱电连接器、对接机构的浮动断接器；
所述来访航天器能源系统在阴影区输出最高电压为28.5v；
阴影区所述目标航天器并网控制器输出功率能力不低于500w；
阳照区所述来访航天器太阳帆板的输出功率均不低于400w。
根据本发明的一个方面，所述组合体供电工作模式包括并网正常工作流程和断网正常工作流程；
所述并网正常工作流程包括：
(1)所述目标航天器的并网控制器输入100v接通；
(2)所述并网控制器输出回线和正线接通；
(3)所述来访航天器确认轨道舱并网电压参数；
(4)接通所述来访航天器轨道舱配电器并网开关，实现组合体供电链路连通；
(5)确认所述来访航天器供电系统稳定性；
(6)所述来访航天器帆板归零；
所述断网正常工作流程包括：
(1)所述来访航天器的帆板起控；
(2)进行状态确认，所述太阳帆板启控正常，发电正常；
(3)断开所述来访航天器的轨道舱配电器并网开关；
(4)断开所述并网控制器输出正线和回线；
(5)所述目标航天器的并网控制器输入100v断开。
根据本发明的一个方案，可以实现多个航天器交会对接后构成组合体时供电联网，确保组合体飞行器的能量平衡。
根据本发明的一个方案，可以实现空间站多航天器长期在轨并网供电。
根据本发明的一个方案，使得不同电压体制的多航天器并网供电系统的结构简单，容易实现，而且具备足够的安全性和运行稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性表示根据本发明的不同电压体制的多航天器并网供电系统设计方法的流程图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的供电系统能源并网供电功率分配图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的多航天器并网供电组成结构布置图；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的各连接器通过电缆连接的结构图；
图5示意性表示根据本发明的上述设计方法实现供电并网和断网的流程图。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，附图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
图1示意性表示根据本发明的不同电压体制的多航天器并网供电系统设计方法的流程图。如图1所示，根据本发明的不同电压体制的多航天器并网供电系统设计方法包括：
分析来访航天器与目标航天器的组合体并网供电的需求；
设计所述组合体的并网供电的拓扑结构；
设计并网供电控制设备实现供电的方案；
设计所述组合体并网供电的安全性；
分析所述组合体并网供电功率；
设计所述组合体供电工作模式。
根据本发明的一种实施方式，来访航天器与目标航天器对接构成组合体后，组合体由目标航天器进行控制。对接后的组合体，来访航天器处于停靠状态，组合体飞行期间，来访航天器与目标航天器实现供电联网，目标航天器向来访航天器提供不小于500w的电能，目标航天器具备并网供电输出功能，来访航天器具备太阳板、镉镍电池和目标航天器供电三种能源并网功能。
根据本发明的一种实施方式，为实现并网系统设计，组合体并网供电的需求包括：
目标航天器采用100v高压供电体制，来访航天器采用28v供电体制。目标航天器在向来访航天器并网供电输送时，需要进行100v到28v的电压转换。目标航天器设置一台并网控制器实现此功能。
考虑供电安全性，供电过程需要有开关控制和设计隔离措施，保证目标航天器100v电压不会串到来访航天器的一次能源母线上，同时防止来访航天器反向向目标航天器供电。避免或降低两航天器母线电压不稳定发生的可能性。
考虑供电可靠性，要求目标航天器和来访航天器两端均设置供电开关控制措施，具有并网供电异常情况下停止组合体并网供电的措施，保证一个航天器的故障不会影响另外一个航天器。
根据本发明的一种实施方式，经过对组合体并网供电需求分析结果，为实现组合体并网供电功能，目标航天器应配置并网控制器，承担100v/28v电压变换及能源的配送任务。来访航天器负责供电并网后的内部能源控制与管理，配置并网控制开关。所以，来访航天器的供电系统包括三种能源供电，分别为太阳帆板供电阵、镉镍电池组和目标航天器的并网控制器。在本实施方式中，来访航天器供电系统能源的优先级为太阳帆板＞目标航天器的并网控制器＞镉镍蓄电池组。以上设置为根据本发明的一种实施方式的实现并网系统设计的组合体的并网供电的拓扑结构。
在本实施方式中，太阳帆板、并网控制器和镉镍蓄电池在组合体的一个充放电周期内，工作过程为以下四个阶段：
a.当组合体处于阴影区时，由并网控制器和来访航天器镉镍电池+放电调节器共同完成供电，并网控制器提供500w功率输出，镉镍电池+放电调节器提供300w功率输出；
b.当组合体进入阳照区太阳入射角较大时，太阳帆板输出功率小于300w，由太阳帆板、并网控制器和镉镍电池+放电调节器共同供电，太阳帆板输出功率从0w逐渐增加到300w，并网控制器保持500w额定功率输出，镉镍电池+放电调节器输出功率不断减小，从300w一直减小到0；
c.当太阳帆板输出功率大于300w时，由太阳帆板和并网控制器共同完成向停靠负载供电，太阳帆板输出功率从300w逐渐增加，并网控制器输出功率从500w逐渐减小；
d.当组合体处于阳照区时，当太阳帆板输出功率大于800w时，由太阳帆板向停靠负载提供所需功率，并处于分流状态；或此时由太阳帆板和并网控制器共同提供停靠负载所需功率，此时应保证太阳帆板提供最小400w负载功率输出。
通过确定太阳帆板、并网控制器和镉镍蓄电池组+放电调节器输出电压区间，实现上述供电优先级。并网控制器的电压的设置关系到阴影区和阳照区的输出功率，电压越高越有利于阴影区输出功率但同时阳照区输出功率也增大带来太阳帆板输出功率减少。
图2示意性表示根据本发明的供电系统能源并网供电功率分配图。由图2可知，并网供电过程中，太阳能帆板的供电功率明显大于并网控制器的供电功率，镉镍电池组的供电功率最小。
根据本发明的一种实施方式，为实现并网系统设计，并网供电控制设备实现供电的方案包括：
并网控制器采用电压源，当负载未达到满载时为稳压输出，当达到满载时为恒流输出。
在本实施方式中，并网控制器的特性应满足以下条件：
a.由于目标航天器采用100v高压供电体制，因此，需要将100v电压变换为来访航天器28v母线电压，同时满足来访航天器母线品质要求。
b.为了保证组合体并网供电时，并网控制器与来访航天器能源间不会形成互供电状态，因此，在并网控制器输出端和来访航天器能源输出端设置隔离二极管。
在本实施方式中，考虑到目标航天器可选用的100v变换28v的dc/dc变换器只有200w的模块，因此，需要采用3个模块并联，通过输出限流来保证500w的输出。为保证可靠性，采用1个模块冷备份使用。
由于采用3个模块并联输出，为保证输出电压的一致性，能源模块电压采样点放在隔离二极管以前。多个模块的均流特性通过每个模块隔离二极管实现，即通过隔离二极管调节变换器的外特性倾斜度达到并联均流的目的。对于多个能源模块通过隔离二极管直接进行并联，实际上就是利用二极管正向特性来自动调节变换器输出阻抗，使得模块的外特性倾斜近似一致；当并联模块中的一个输出电流增大时，二极管正向压降增大，使得该模块输出电压下降，即外特性向下倾斜，接近其它模块的外特性，使其它模块输出电流增大，实现近似均流。
在本实施方式中，并网控制器输出电压的选择需要遵从组合体来访飞行器供电系统能源供电优先级的顺序。当来访航天器单独飞行，太阳翼对日定向的情况下，能源系统工作状态(来访飞行器能源系统母线电压范围)如下表1：
表1
由表1可知，为了保证阳照区不影响太阳帆板分流，所以并网控制器输出电压不能超过30v。为了保证阴影区并网控制器和镉镍电池一起供电时，并网控制器输出较多功率，所以要求并网控制器输出电压尽可能高。考虑到并网控制器输出串联了二极管，二极管压降随着电流增大而增加，所以要求并网控制器输出电压在满载前不能低于29.4v。
随着来访航天器负载的增大，当并网控制器达到限流点后，将进入恒流状态，输出电压将会与来访航天器母线电压保持一致。考虑到来访航天器能源系统的设计状态：阴影区母线电压范围为27.8-28.5v之间。所以要使并网控制器恒流后也能输出500w，需要设置限流点为：500/27.8＝18a。所以选取并网控制器输出限流点为18a。
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的多航天器并网供电组成结构布置图。如图3所示，根据本发明的多航天器并网供电系统由目标航天器和来访航天器组合而成。目标航天器包括目标航天器电源分系统、母线控制单元以及并网控制器。其中目标航天器电源分系统由太阳帆板供电阵和镉镍电池组+放电调节器组成。来访航天器包括轨道舱配电器、返回舱配电器、推进舱配电器和来访航天器电源分系统。其中来访航天器电源分系统由太阳帆板供电阵、镉镍电池组+放电调节器和应急电源组成。
根据本发明的一种实施方式，为实现并网系统设计，组合体并网供电的安全性设计包括：防高压设计和故障影响分析及设计。
在本实施方式中，防高压设计为：
并网控制器采用安全性设计措施，保证不会有高压进入来访航天器。并网控制器具有2级输出过压保护，第1级为4个变换器内部的输出过压保护，输出过压保护点不超过额定输出电压的1.2倍，实际可以将变换器工作在输出过压保护状态时的最大输出电压控制在32v以内。
第2级输出过压保护为输出电压超过40v时的过压保护。当输出端出现电压超过40v的情况时，并网控制器通过检测电路控制输入继电器断开。
在本实施方式中，故障影响分析及相应设计为：
目标航天器和来访航天器均具有停止组合体并网供电的功能，用以应对可能出现的故障。保证一个航天器的故障不会影响另外一个航天器。
供电控制开关的设置：
考虑到供电的安全性，并网控制器供电输出端和来访航天器轨道舱配电器的输入端均设置开关。并网供电时，通过监测目标航天器电网状态和来访航天器电网状态处于正常状态时，将开关闭合实现并网供电。当任一航天器电网出现异常状态，均可通过断开开关实现不并网。
两个航天器之间的故障影响：
若来访航天器出现故障，并网控制器输出端短路，由于并网控制器的限流特性，输出电流为恒流，电压很低。总功耗远小于500w，对输入端没有影响。目标航天器可以发送指令使输出断开。
若目标航天器产生故障，并网控制器输入端短路，则并网控制器对于来访航天器来说相当于一个负载。由于输出端有二极管的存在，理论上并网控制器相对于来访航天器来说电阻是无穷大。但是由于遥测电路的影响，当并网控制器输出端继电器闭合状态下，输出阻抗为5k欧姆左右。此种状态不会对来访航天器造成短路，可以发送指令使轨道舱配电器并网开关断开。
根据本发明的一种实施方式，为实现并网系统设计，组合体并网供电功率分析包括：静电模型建立和功率分析。
在本实施方式中，静电模型建立包括：
a.根据来访航天器供电系统框图，供电电缆的长度、粗细等参数对于供电电缆的阻值进行计算，搭建来访航天器供电系统的静态模型。
b.根据目前电缆设计技术状态，从并网控制器向轨道舱配电器需要经过目标航天器穿舱电连接器、来访航天器轨道舱穿舱电连接器、以及对接机构的浮动断接器，各连接器、电缆长度如图4所示。
在本实施方式中，供电线采用双绞线，正负供电接点各为26个。采用瑞侃55号22awg导线。
从并网控制器至轨道舱配电器线缆长度为13.45m，经过计算正线/负线上电缆电阻约为：24.3mω。
在本实施方式中，功率分析包括：
a.阴影区
根据来访飞行器母线电压范围，来访飞行器能源系统在阴影区输出电压取其最高值28.5v。
阴影区不同负载能源输出功率分配情况仿真如下表2：
表2
经过分析，在来访飞行器627w负载下(推进舱230w，返回舱217w，轨道舱180w)，阴影区输出功率约为409w；在来访飞行器负载1100w以上，并网控制器输出功率可以达到500w。
b.阳照区
选取阳照区来访飞行器帆板电压最低30v，并网控制器输出功率最大的情况。经过仿真，结果如下：
阳照区不同负载能源输出功率分配情况仿真如下表3：
表3
由上表3可以看出在阳照区并网控制器所供出的功率占少部分，帆板在停靠最小负载627w以上时，输出功率均不低于400w。
根据本发明的一种实施方式，为实现并网系统设计，组合体供电工作模式包括并网正常工作流程和断网正常工作流程。在本实施方式中，并网供电在轨试验进行，可以在阴影区接入或阳照区接入和断开，考虑最大限度的安全性，希望并网和断网时机的选取避免阳照区转阴影区或者阴影区转阳照区的时刻。并网/断网需要在地面测控或者中继覆盖的区域进行。
在本实施方式中，并网正常工作流程包括：
(1)目标航天器的并网控制器输入100v接通；
(2)并网控制器输出回线和正线接通；
(3)来访航天器确认轨道舱并网电压参数；
(4)接通来访航天器轨道舱配电器并网开关，实现组合体供电链路连通；
(5)确认来访航天器供电系统稳定性；
(6)来访航天器帆板归零；
在本实施方式中，断网正常工作流程包括：
(1)来访航天器的帆板起控；
(2)进行状态确认，帆板启控正常，发电正常；
(3)断开来访航天器的轨道舱配电器并网开关；
(4)断开并网控制器输出正线和回线；
(5)目标航天器的并网控制器输入100v断开。
图5示意性表示根据本发明的上述设计方法实现供电并网和断网的流程图。
根据本发明的上述设计方法，可以实现多个航天器交会对接后构成组合体时供电联网，确保组合体飞行器的能量平衡。
根据本发明的上述设计方法，可以实现空间站多航天器长期在轨并网供电。
根据本发明的上述设计方法，使得不同电压体制的多航天器并网供电系统的结构简单，容易实现，而且具备足够的安全性和运行稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。