一种基于超导磁储能的航天器电源系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天器电源的技术领域，具体涉及一种基于超导磁储能的航天器电源系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]随着我国航天事业快速发展以及国际上太空争夺战日益加剧，空间大功率、脉冲型有效载荷得到越来越多的应用，如当前空间电推进功率需求达20kW，单次工作时间最长为3mins ;某天基雷达任务提出了 30kW的脉冲性电源功率需求，工作频率约为20kHz ;空间电磁发射器未来峰值功率需求有望达到10kW量级，持续时间约为20ms ;此外，天基武器对电源系统的容量、峰值功率和响应速度的要求更高，以星载或站载激光武器系统为例，红外化学激光器应具备2s内达到25MW的峰值功率要求，自由电子激光器平均功率需在20MW以上，瞬时最高功率达1TW。
[0003]但是，目前国内外航天器电源系统设计模式比较单一，绝大多数仍然为传统的“太阳电池发电+电源调节+蓄电池储能”形式，特别是采用电化学蓄电池进行储能，由于要经过“电能〈一〉化学能”两种能量形式转换，电源储能效率低(平均为70%左右)、动态响应慢(约为s?min级)，峰值功率低(仅为kW量级)，无法满足脉冲型、大功率载荷的空间应用需求，因而亟需设计一种新型的、可适应超大功率脉冲型载荷供电需求的空间电源系统。
[0004]近年来，新型高温超导材料研发与应用逐渐成为国内外研宄的热点。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中明确提出了要加强我国核心前沿技术一高温超导技术研宄。2014年初，国家科学技术奖一国家自然科学一等奖授予中科院物理所及中国科技大学联合团队，获奖项目是“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研宄”，该研宄“有望激活超导体超过万亿的市场应用前景”。超导材料具有近乎为零的通态电阻，能够通流较高的电流密度，可进行无热耗的电能传输，超导磁储能属于电能和磁能转换，属同一种能源形式，储能效率高。并且，超导磁储能电源系统的功率密度是蓄电池储能电源系统的100倍以上，因而能极大限度减少系统重量和空间，特别是外太空背阳面超低的环境温度，可为超导材料的在新型空间电源系统中应用提供便利，此外，传统化学储能的蓄电池组，由于正负极材料性能衰减，为维持较长的循环寿命，通常要求放电深度小，以低轨应用的锂蓄电池组为例，为满足在轨5年约30000次的循环寿命设计，要求长期放电深度不超过30%，而超导磁储能电源系统则无此限制，通常放电深度可大于95%，超导线圈在轨寿命可长达20年，因而备受关注。
[0005]超导电力技术目前已成功应用于地面电力供电网有功/无功功率补偿、功率因数校正、电源质量提升、风力发电及微网低电压穿越抑制等方面效果显著，高温超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导储能器等已全面商业推广。随着新型高温超导带材的研发成功，高温超导体的工作温度可提高至液氮温区(77K)，将大大降低超导电源系统成本。超导新材料、新技术发展可为航天事业注入新的活力，并可能在储能、电力传输、强磁场等方面弓I领新型空间飞行器电源系统技术变革。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种基于超导磁储能的航天器电源系统及控制方法，能够解决传统空间电源系统(太阳电池发电+电源调节+蓄电池储能)难以为甚大功率、脉冲性载荷供电的问题，并且储能效率高、功率密度大、动态响应快、放电深度大、循环寿命长，可降低空间电源系统成本。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种基于超导磁储能的航天器电源系统，包括:太阳电池阵、电源控制单元、能量可双向流动的变流器、逻辑与控制单元和超导线圈；
[0009]太阳电池阵将太阳能转化为电能；
[0010]电源控制单元，用于将太阳电池阵的输出电压进行调节产生稳定的一次母线电压，并通过一次母线输出；
[0011]逻辑与控制单元，包括变量采集与处理模块、逻辑控制模块、脉冲产生、驱动及保护电路模块，变量采集与处理模块采集一次母线电压后进行处理，处理后所得变量经过逻辑控制模块的逻辑判断，脉冲产生、驱动及保护电路模块根据逻辑判断的结果产生相应的脉冲信号，所述脉冲信号对能量可双向流动的变流器进行控制；
[0012]能量可双向流动的变流器在逻辑与控制单元的控制下，使得一次母线对超导线圈进行充电、超导线圈对一次母线进行放电或超导线圈续流功能的实现；
[0013]超导线圈用于电能存储。
[0014]进一步地，所述的能量可双向流动的变流器由2个半导体开关器件和2个二极管组成，一次母线高压端分别与半导体开关器件I的集电极、二极管I的阴极连接，一次母线低压端分别与二极管II的阳极以及半导体开关器件II的源极连接；半导体开关器件I的源极与二极管II的阴极连接，连接处作为桥臂I的中点；二极管I的阳极与半导体开关器件II的集电极连接，连接处作为桥臂II的中点；桥臂I和桥臂II的中点分别与超导线圈的两端连接。
[0015]一种基于超导磁储能的航天器电源系统的控制方法，该控制方法具体实现方式为:
[0016]步骤一、在逻辑与控制单元的逻辑控制模块中设置电压区间[vl，v6]，其中电压数值vl〈v2〈v3〈v4〈v5〈v6 ;将[vl，v2]区间设置为放电模式，将[v3，v4]区间设置为充电模式，将[v5，v6]区间设置为分流模式；将[v2，v3]区间设置为放电模式与充电模式的滞环区间I，将[v4，v5]区间设置为充电模式与分流模式的滞环区间II ;
[0017]步骤二、变量采集与处理模块采集一次母线的电压Vo，将一次母线电压No进行低通滤波，以滤除高频干扰量，得到电压Vo_l ;
[0018]步骤三、逻辑控制模块对电压Vo_l进行逻辑判断:当其处于[vl，v2]区间时，执行步骤四；当其处于[v3, v4]区间时，执行步骤五；当其处于[v5, v6]区间、[v2，v3]区间或者[v4, v5]区间时，执行步骤六；
[0019]步骤四、逻辑与控制单元采用一次母线电压反馈闭环控制的策略，使得超导线圈为一次母线释放电能；所述一次母线电压反馈闭环控制策略的具体实现步骤为:
[0020]步骤41、在逻辑控制模块中，给定参考电压Vo_ref，将Vo_ref与Vo_l相减，其差值经PI调节及限幅控制，获得Vo_PI ;
[0021]步骤42、根据变流器所要求的半导体开关器件II的开关频率对脉冲产生、驱动及保护电路模块中的锯齿波发生器输出的锯齿波频率进行设定；
[0022]将Vo_PI与锯齿波发生器输出的锯齿波进行比较，产生相应的脉冲信号经取反操作，得到脉冲信号T4，脉冲信号T4控制半导体开关器件II ;半导体开关器件I的驱动脉冲Tl始终设置为低电平，处于封锁状态；
[0023]步骤五、逻辑与控制单元采用超导线圈端电压反馈闭环控制的策略，使得一次母线为超导线圈储能；所述超导线圈端电压反馈闭环控制策略的具体实现步骤为:
[0024]步骤51、变量采集与处理模块采集超导线圈的电压Vs，将超导线圈端电压Vs进行低通滤波，以滤除高频干扰量，得到Vs_l ;
[0025]步骤52、在逻辑控制模块中，给定参考电压Vs_ref，将Vs_ref与Vs_l相减，其差值经PI调节及限幅控制，获得Vs_PI ;
[0026]步骤53、根据变流器所要求的半导体开关器件I的开关频率对脉冲产生、驱动及保护电路模块中的锯齿波发生器输出的锯齿波频率进行设定；
[0027]将Vs_PI与锯齿波发生器的输出进行比较，产生相应的脉冲信号Tl，脉冲信号Tl控制半导体开关器件I ;半导体开关器件II的驱动脉冲T4始终设置为高电平，处于常通状态；
[0028]步骤六、逻辑与控制单元对超导线圈采用续流控制策略，所述续流控制策略的具体实现步骤为:将半导体开关