高保真衛(wèi)星電源負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊同智 劉廷玉 曾 齊 黨建成

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

衛(wèi)星包含多種負(fù)載類型(比如制冷機(jī)為鋸齒波變化型的負(fù)載，SAR雷達(dá)為脈沖型負(fù)載等)，且衛(wèi)星工作期間整星負(fù)載變化較大，希望獲取一次衛(wèi)星真實(shí)負(fù)載變化特性，將負(fù)載特性多次高精度復(fù)現(xiàn)，測(cè)試衛(wèi)星的供配電系統(tǒng)性能；此外在衛(wèi)星故障排查中，為便于問(wèn)題排查，需要高精度重建衛(wèi)星的電源負(fù)載背景，進(jìn)行多次故障模擬排查。但是使用真實(shí)衛(wèi)星負(fù)載、蓄電池，存在安全性、難以快速重復(fù)建立狀態(tài)的問(wèn)題，會(huì)對(duì)蓄電池壽命和單機(jī)安全造成影響，蓄電池的狀態(tài)也難以快速設(shè)置為需求狀態(tài)，為解決電源負(fù)載場(chǎng)景快速重建問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種高保真度的衛(wèi)星電源負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)系統(tǒng)，可快速建立衛(wèi)星負(fù)載、內(nèi)電(蓄電池)與外電(太陽(yáng)電池陣模擬器)狀態(tài)，重現(xiàn)衛(wèi)星供配電現(xiàn)場(chǎng)，輔助供配電性能測(cè)試與故障排查。

2 測(cè)量系統(tǒng)

衛(wèi)星電源負(fù)載場(chǎng)景包括外電場(chǎng)景、內(nèi)電場(chǎng)景與負(fù)載場(chǎng)景，外電場(chǎng)景通過(guò)太陽(yáng)電池陣模擬器仿真，內(nèi)電場(chǎng)景由蓄電池模擬器仿真重現(xiàn)，負(fù)載場(chǎng)景由可編程大功率電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)。在測(cè)試過(guò)程中，利用AD采集卡(或示波器)獲取衛(wèi)星負(fù)載變化情況，利用采集的波形數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)任意波形發(fā)生器輸出負(fù)載變化波形，負(fù)載變化波形調(diào)制電子負(fù)載快速變化，從而高精度模擬衛(wèi)星負(fù)載的變化情況；衛(wèi)星蓄電池為慢變系統(tǒng)，蓄電池的遙測(cè)數(shù)據(jù)滿足蓄電池初值精度要求，利用蓄電池模擬器測(cè)試蓄電池獲取蓄電池模型，在負(fù)載重現(xiàn)中，將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入蓄電池仿真模擬設(shè)備，高精度模擬蓄電池，依據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置蓄電池模擬器的起始狀態(tài)，從而高精度還原衛(wèi)星負(fù)載現(xiàn)場(chǎng)的蓄電池狀態(tài)；依據(jù)給衛(wèi)星供電的太陽(yáng)電池陣模擬器軟件存儲(chǔ)的設(shè)置值，設(shè)置太陽(yáng)模擬陣，還原衛(wèi)星的外部供電狀態(tài)。

下面分別介紹用于實(shí)現(xiàn)外電場(chǎng)景、內(nèi)電場(chǎng)景與負(fù)載場(chǎng)景仿真的太陽(yáng)電池陣模擬器、蓄電池模擬器和可編程電子負(fù)載。

2.1 太陽(yáng)電池陣模擬器

在地面上無(wú)法采用實(shí)際的太陽(yáng)能電池方陣來(lái)再現(xiàn)衛(wèi)星在空間軌道中的工作狀態(tài)，因此需要采用太陽(yáng)電池陣模擬器(Solar Array Simulator，SAS)來(lái)模擬太陽(yáng)能電池陣在空間的工作狀況[1]。SAS是衛(wèi)星電源模擬器的重要組成部分，其主要任務(wù)是真實(shí)地遵循太陽(yáng)能電池方陣在各種復(fù)雜空間條件下的實(shí)際輸出特性曲線，在衛(wèi)星的地面測(cè)試階段代替太陽(yáng)能電池方陣為衛(wèi)星上的各分系統(tǒng)供電。

太陽(yáng)電池陣模擬器本質(zhì)上是一個(gè)電源，其I-V輸出特性曲線如圖1所示，一般通過(guò)類似公式(1)～公式(4)的指數(shù)模型等方式建模仿真[2]。

圖1 SAS電源I-V特性曲線

(1)

式中：Rs——等效串聯(lián)電阻；Voc——開路電壓；Vmp——最大功率點(diǎn)電壓；Imp——最大功率點(diǎn)電流。

(2)

式中：α——等效功率指數(shù)；Vmp——最大功率點(diǎn)電壓；Rs——等效串聯(lián)電阻；Isc——短路電流；Imp——最大功率點(diǎn)電流；Voc——開路電壓。

(3)

式中：N——太陽(yáng)電池陣I-V輸出特性函數(shù)模型的指數(shù)參數(shù)。

(4)

式中：V——太陽(yáng)電池陣輸出電壓；I——太陽(yáng)電池陣輸出電流。

2.2 蓄電池模擬器

蓄電池是一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)，對(duì)外表現(xiàn)出的特性非常復(fù)雜，影響其性能的因素很多，像電壓、電流、SOC、內(nèi)阻以及溫度等等都會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響[3]。某蓄電池模擬器示例如圖2，模擬器采用雙向整流橋配合雙向DC-DC變換器，在電源、負(fù)載兩個(gè)象限高速動(dòng)態(tài)切換，模擬蓄電池的充電與放電能力。

國(guó)內(nèi)清華大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)、日本公司均進(jìn)行了蓄電池模擬器技術(shù)研究，主要方法是通過(guò)雙向整流、Buck開關(guān)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)充放電模擬[4]。同時(shí)Keysight公司也推出了APS高級(jí)電源系統(tǒng)、RP7900系列電源模擬蓄電池，模擬器與真實(shí)蓄電池連接進(jìn)行充放電循環(huán)，可自動(dòng)獲得蓄電池模型信息，高保真度模擬蓄電池容量、內(nèi)阻等特性。

圖2 電源負(fù)載二象限仿真模擬

2.3 可編程電子負(fù)載

電子負(fù)載是通過(guò)控制內(nèi)部功率管(MOSFET等)的導(dǎo)通量，依靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備[5]。電子負(fù)載具備恒壓、恒流、恒阻、恒功率多種工作模式，可在各個(gè)工作模式間動(dòng)態(tài)切換。電子負(fù)載支持波形驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)示波器、AD采集負(fù)載電流變化波形數(shù)據(jù)，如圖3、圖4所示，可通過(guò)兩種方式驅(qū)動(dòng)電子負(fù)載仿真負(fù)載變化，還原負(fù)載場(chǎng)景。方式一，通過(guò)電腦將預(yù)先存儲(chǔ)的波形通過(guò)DAQ卡或者任意波形發(fā)生器將波形發(fā)送給電子負(fù)載進(jìn)行拉載，進(jìn)而達(dá)到拉載任意波形的目的；方式二，使用自定義波形方式，可將示波器或AD卡采集的實(shí)際電流波形數(shù)據(jù)或者自定義的電流波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到電子負(fù)載的內(nèi)部閃存中，通過(guò)電子負(fù)載的自定義負(fù)載波形功能拉載任意負(fù)載波形。

圖3 任意波形驅(qū)動(dòng)電子負(fù)載

圖4 波形數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電子負(fù)載

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源負(fù)載場(chǎng)景記錄與重現(xiàn)原理示意圖如圖5所示，包含用于采集負(fù)載變化波形的AD采集卡(或示波器)，用于生成負(fù)載變化波形的任意波形發(fā)生器，用于模擬衛(wèi)星負(fù)載的可接收輸入波形調(diào)制的電子負(fù)載，用于模擬衛(wèi)星蓄電池(內(nèi)電)的蓄電池模擬器，用于模擬衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣(外電)的太陽(yáng)電池陣模擬器。

衛(wèi)星一次、二次母線電流經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓量信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星電纜網(wǎng)、脫插電纜至地面，地面AD采集卡高速采集此電壓量，通過(guò)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的母線電流，從而獲得衛(wèi)星母線高精度負(fù)載變化信息，通過(guò)電流鉗探頭采集衛(wèi)星配電分支電流變化信息，從而獲取單機(jī)負(fù)載的高精度變化波形信息。通過(guò)蓄電池模擬器測(cè)試蓄電池，獲取蓄電池模型，蓄電池為慢變系統(tǒng)，衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)中蓄電池遙測(cè)信息即可滿足蓄電池的初值精度要求，依據(jù)蓄電池的初值與模型還原蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。太陽(yáng)電池陣控制軟件實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)模擬陣的設(shè)置值與輸出狀態(tài)，用于還原衛(wèi)星外電場(chǎng)景。通過(guò)以上步驟完成了衛(wèi)星負(fù)載、內(nèi)電(蓄電池)與外電(太陽(yáng)電池陣模擬器)的場(chǎng)景記錄。

圖5 衛(wèi)星高保真度電源負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)系統(tǒng)原理圖

使用記錄的高分辨負(fù)載變化數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)任意波形發(fā)生器，輸出負(fù)載變化波形，將任意波形發(fā)生器的輸出至電子負(fù)載的波形調(diào)制接口，電子負(fù)載即可依照輸入的調(diào)制波形改變輸出，實(shí)現(xiàn)高精度的負(fù)載模擬；蓄電池模擬器依據(jù)測(cè)得的蓄電池模型仿真蓄電池，依據(jù)蓄電池的相關(guān)遙測(cè)數(shù)據(jù)確定蓄電池初始狀態(tài)，完成衛(wèi)星內(nèi)電狀態(tài)重現(xiàn)；依據(jù)記錄的太陽(yáng)模擬陣設(shè)置值，設(shè)置模擬陣輸出，還原衛(wèi)星外部供電狀態(tài)；最終從而完成衛(wèi)星負(fù)載、內(nèi)電與外電的現(xiàn)場(chǎng)重現(xiàn)。

電源負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)的流程如圖6所示，記錄衛(wèi)星的內(nèi)電、外電及負(fù)載波形場(chǎng)景，依據(jù)記錄的波形數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的模擬設(shè)備重現(xiàn)電源負(fù)載場(chǎng)景。

圖6 衛(wèi)星高保真度電源負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)流程圖

外電、內(nèi)電與負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)軟件界面如圖7所示，外電場(chǎng)景仿真軟件基于分組重構(gòu)設(shè)計(jì)，可以適應(yīng)S3R、S4R等各種拓?fù)涮?yáng)電池陣模擬需求；內(nèi)電場(chǎng)景仿真基于Keysight公司高級(jí)電源系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)電源負(fù)載二象限無(wú)縫切換模擬；負(fù)載仿真基于Chroma公司動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬控制軟件，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)序仿真。

圖7 衛(wèi)星負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)軟件界面

一段時(shí)間內(nèi)的衛(wèi)星實(shí)測(cè)母線電流與場(chǎng)景重現(xiàn)系統(tǒng)的仿真電流如圖8所示，電源負(fù)載場(chǎng)景重現(xiàn)系統(tǒng)的仿真誤差小于3%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的仿真精度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性均能滿足衛(wèi)星電源負(fù)載場(chǎng)景仿真需求。

圖8 整星實(shí)際負(fù)載電流與負(fù)載重現(xiàn)電流

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用AD采集器(示波器)、任意波形發(fā)生器、電子負(fù)載來(lái)高精度獲取及重現(xiàn)衛(wèi)星負(fù)載變化情況，利用蓄電池模擬器獲取蓄電池模型，依據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置蓄電池初值，完成衛(wèi)星內(nèi)電場(chǎng)景的快速建立，利用太陽(yáng)模擬陣設(shè)置值的記錄信息設(shè)置模擬陣輸出，完成衛(wèi)星外電環(huán)境的快速建立，從而實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星負(fù)載、內(nèi)電、外電場(chǎng)景的快速高精度建立，便于衛(wèi)星問(wèn)題排查與供配電系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)于型號(hào)研制具有良好地工程應(yīng)用價(jià)值。