桑迪亚国家实验室是一家以为军事基地和重要城市服务设计可靠和有弹性的微电网而闻名的组织。现在，桑迪亚的研究人员正在与美国宇航局合作，为月球设计一个。

这不是桑迪亚第一次与美国宇航局合作为月球上的设备提供动力。事实上，桑迪亚为放射性同位素热电发电机提供了技术指导，这些发电机为许多阿波罗任务进行的月球实验提供了动力。

桑迪亚电气工程师杰克·弗林克（JackFlicker）表示，美国宇航局（NASA）的阿尔特米斯月球基地概念计划是，它将成为人类最终探索火星的技术试验场。大本营概念包括一个居住单元鈥攃最多可容纳四名宇航员鈥攁以及单独开采和燃料加工的潜力，称为原地资源利用设施。阿耳特弥斯早期的任务将包括在大本营短暂停留，目的是将停留时间增加到两个月。

采矿和加工设施可以生产火箭燃料、水、氧气和其他材料，用于月球表面的长期勘探，同时减少地球的供应需求。该设施将远离大本营鈥攕o在那里开展的其他科技活动不会受到干扰鈥攂ut在紧急情况下，将连接两台机组的电网，以增强弹性和稳定性，Flicker补充道。

Sandia团队的一部分，包括电气工程师Lee Raskin和控制工程师Dave Wilson，正在为采矿和加工中心的微电网设计电气系统控制器。Flicker表示，NASA正在为居住单元设计电气系统控制器，因为该系统将与国际空间站的直流电气系统非常相似。弗拉克和他的团队正在开发连接两个微电网的系统，并正在研究两个微电网之间的电力流和运行情况。

“像国际空间站类型的微电网和有月球基地那么大的电网之间有一些非常重要的区别，”弗林克说。“其中一个差异是地理位置的大小，这可能会产生问题，尤其是在低直流电压下运行时。另一个差异是，当你开始扩展这些系统时，整个基地将有更多的电力电子设备以及更多的分布式能源。Sandia多年来一直在研究具有大量分布式能源的微电网很长时间了。“”

分布式能源是较小的电力来源，如太阳能电池板和风力涡轮机，而电力电子设备是转换器等设备，可使电力系统在规定范围内运行。

月球采矿中心电气系统的“巡航控制”

自2021初夏以来，Lee Raskin和Dave Wilson一直在设计该软件来调节采矿和加工中心的电力。Wilson将他们的控制器与标准汽车中的巡航控制进行了比较，因为尽管外部环境不断变化，它仍能在电网上保持均匀的电压水平。

控制器需要能够在几个不同的时间尺度上保持均匀的电压水平，从不到千分之一秒到四季。威尔逊说，在控制软件的最高级别上，从分钟到季节，人们可以控制哪些太阳能电池板发电以及哪些用电设备被打开。然而，在最低水平下，在不到千分之一秒的情况下，控制器需要快速自动运行，以将输出保持在所需水平。拉斯金说，他们主要集中在中层控制上。

威尔逊说：“我们的目标是开发一种月球能量管理系统，该系统可以在所有这些时间尺度上有效地维持水平系统。”。“我们有专门的安全可扩展微电网设施和控制系统设计方法来分析这一点。该设施还有专门的储能模拟器，可以帮助我们确定基地需要多少储能及其要求的规格。”

安全可扩展微电网试验台是桑迪亚研究小组用于微调控制系统的独特设施。拉斯金说，他们还将利用该试验台研究有关电力系统控制器的问题，以及直流微电网上分布式能源、储能和电力电子设备之间的相互作用，直流微电网是最终月球微电网的规模化和简化表示。大多数地面微电网和地面电网一般采用交流电。

与高端模型列车组一样，该试验台由三个相互连接的直流微电网组成，带有定制的电子设备，以模拟不同的发电系统和用电设备。他们可以模拟的发电系统包括柴油发电机、光伏阵列、储能模拟器和电力转换器。拉斯金说，每个模拟器都可以由计算机控制，微电网可以配置为测试各种各样的场景。他说，这为使用稍加调整的控制软件进行重复实验提供了一个极好的平台，以比较系统的响应方式。

威尔逊说：“这里的目标是自上而下的工程：我们正试图首先确定控制设计，制定储能规范，然后NASA可以使用这些规范来获得符合这些规范的飞行准备组件。”。“很多时候，人们会做相反的事情；他们会给你一块电池，然后说，‘让它工作吧’，这可能会降低微电网的性能。”

其他大量参与控制器开发的研究人员包括桑迪亚计算机科学家马文·库克；韦恩·韦弗（WayneWeaver）和拉什·罗比内特（RushRobinettIII），密歇根理工大学工程教授；以及OptimoJoe的首席科学家JosephYoung。

“需要两个”微电网

桑迪亚研究人员的第二个重点是开发一个系统，该系统将连接采矿设施和居住单元微电网，以提高弹性和稳定性。有两种主要方法可以在微电网中获得弹性。一是能够灵活地将电力输送到需要的地方。弗林克说，另一种方法是加大所有设备的尺寸，以确保即使多个设备出现故障，也有足够的电力。

“通常情况下，我们有这两者的某种组合，在某种程度上它是超大的，但你也可以在微电网内或独立但合作的微电网之间灵活地分配电力，就像我们正在探索月球一样，”弗林克说。“在诸如日食期间储能系统发生故障等突发事件中，我们希望能够将采矿设施的电力输送到大本营，以确保宇航员的安全。”

Flicker的团队也在探索两个微电网之间的连接如何运作。研究人员正在研究采矿设施和居住单元之间的距离对传输效率和稳定性的影响，无论它们相距5英里还是20英里。该团队还正在确定连接应运行的最佳电压，以及连接保持直流是否合理，或者NASA是否应转换为交流以进行行程，然后在到达居住单元后返回直流。

为了回答这些问题并探索各种意外情况，Flackle和Sandia电气工程师RachidDarbaliZamora和AndrewDow正在使用两个研究设施。

桑迪亚的分布式能源技术实验室用于研究将可再生能源（如风力涡轮机和太阳能电池板）集成到更大的能源系统中。这个实验室的优势之一是硬件在环实验。Darbali Zamora说，这类实验涉及将一个真实的硬件连接到软件，该软件可以使硬件经受各种模拟场景，包括灾难性停电和天气条件。他补充道，这些实验是纯模拟和现场测试之间的中间步骤。

Darbali Zamora说：“有了我们在实验室建立的直流电源硬件在环装置，我们可以测试电源转换器、月球设施之间电线的阻抗；我们还可以测试实际的发电和存储设备。”。“基本上，我们可以用它来研究各种情况，这样我们就可以设计一个自我维持的系统，即使太阳能电池板阵列出现故障，也可以继续运行。”

Flicker表示，该团队还将利用科特兰空军基地的Emera DC微电网，研究电力电子重型系统如何在低能耗应急情况下运行，并根据需要输送电力。

“当然，整个桑迪亚团队紧密合作，”弗林克说。例如，他们正在使用安全可伸缩微电网试验台上的工具箱，以及NASA在计算机模拟中的一些工具箱。Darbali Zamora说，最终他们甚至计划在连接模拟中测试Wilson的控制器。

达巴里·萨莫拉说：“尽管这项工作是为了月球上的微电网，但这项研究也与为地球上的社区创造弹性有关。”。“我来自波多黎各的一个小镇。我希望这个项目在韧性方面的一些经验教训是我可以在国内实施的。”