針對空間太陽能電站高效率、高功率密度和高可靠性高壓電能變換、超大功率電力傳輸與管理的需求，本文以空間高壓大功率電力變換系統(tǒng)的電路拓撲、結構優(yōu)化設計以及高壓固態(tài)斷路器為研究對象，分析了常見的空間太陽能電站的電源管理和分配方式，提出一種新型混合式電源系統(tǒng)結構。      受困于全球性的環(huán)境與能源危機，各國政府越來越多的將目光和精力聚焦于能源的可持續(xù)發(fā)展和利用。太陽能資源以其豐富、清潔、取之不竭的特點，得到了全球范圍學者和研究人員的青睞，在地面光伏發(fā)電和光熱發(fā)電領域取得了諸多研究成果和應用?？臻g環(huán)境的太陽能輻射強度可數(shù)倍于地面，尤其在地球同步軌道，99%的時間內可穩(wěn)定接收較強的太陽能輻射^[1-3]。因此很多國家和學者先后提出建設空間太陽能電站(SPS-Solar Power Satellite)的構想，但由于空間太陽能電站過于龐大，其重量、體積、面積均受發(fā)射能力的嚴格限制，且空間環(huán)境下的裝配和維護、電源管理、熱控、能量傳輸控制等均非常復雜和困難，至今，仍未有國家能夠建立起一個完整的試驗系統(tǒng)。
      隨著科技發(fā)展的日新月異，近些年，空間太陽能電站概念再次受到國際的廣泛關注，美國計劃于2020年實現(xiàn)10MW系統(tǒng)的空間驗證，日本也提出在2030年實現(xiàn)1GW商業(yè)系統(tǒng)運行的技術路線圖。此外，歐洲航天局（ESA）于2002年8月組建了歐洲空間太陽能電站研究網(wǎng)^[4]。我國亦同步啟動了空間太陽能電站的預研，發(fā)電功率以GW級為目標，較之目前衛(wèi)星電源高出6個數(shù)量級。
      現(xiàn)有文獻^[5-8]關于空間太陽能技術的研究重點多集中在高效多層太陽能電池、薄膜太陽能電池、高效微波轉化器、輕型大型空間結構等先進技術上，而針對空間環(huán)境下的電源架構及管理、高效率高壓變換技術卻鮮有涉及，而空間環(huán)境下的電力變換系統(tǒng)，由于受制于特殊的輻射環(huán)境，可適用的開關管器件電壓等級多在400V以下，考慮2倍降額，目前的宇航器件適用于200V以下的母線，而空間太陽能電站的功率高達GW級，其母線電壓可達數(shù)KV，因此深入研究與此電壓等級配套的空間高壓直流變換技術及電源管理技術，對整個空間太陽能電站系統(tǒng)有著至關重要作用。
      基于此，本文面向太空發(fā)電站高壓變換和超大功率電力傳輸與管理需求，開展適用于空間環(huán)境的大功率高壓、高效、高功率密度電力變換技術研究。首先分析了兩種常見的空間太陽能電站的電源管理和分配方式，對比其優(yōu)缺點，構建出三種適用于空間太陽能電池陣的電力傳輸母線結構，在此基礎上，提出基于太陽能電池分陣和子陣供電的高壓變換拓撲和結構，采用模塊化多變換器串并聯(lián)組合策略，實現(xiàn)高壓變比、低損耗、高功率密度的大功率電力變換和高效率太陽能發(fā)電陣的最大功率輸出。通過對有源雙向全橋、普通移相全橋、LLC諧振變換器等拓撲進行仿真比較，優(yōu)化拓撲方案設計。最后，進行了高壓變換拓撲模塊化設計、變換器空間散熱設計研究，依托地面環(huán)境設計制作了可適用于空間環(huán)境的多模塊組合高壓樣機，并提出可以保證每一個子模塊在復雜工況下都能夠均衡穩(wěn)定運行的策略，實驗驗證了采用低壓模塊化多變換器串并聯(lián)組合系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高效率高壓變換，為進一步開展空間大功率高壓電力變換系統(tǒng)的設計和實驗，提供了理論基礎和工程實踐，推進了MW級空間發(fā)電站電力變換與電源管理系統(tǒng)的研究進展。






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