衛(wèi)星主功率通路短路故障下工作模式分析

章玄 侯睿 趙田 賀奉平 蔣碩 贠磊 李鍵

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094)

隨著航天器有效載荷功率的增加、一次母線電壓不斷提升，衛(wèi)星大功率能源系統(tǒng)和高壓一次母線的安全性引起了廣泛關(guān)注。

衛(wèi)星的主功率通路是指衛(wèi)星太陽(yáng)翼、蓄電池、電源控制器及其互聯(lián)通路(含太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率通路)，還包括供電電纜在熔斷器或其他保護(hù)電路之前的部分。衛(wèi)星的主功率通路一旦發(fā)生短路故障，因?yàn)闆](méi)有有效的短路保護(hù)措施，可能會(huì)對(duì)整星造成災(zāi)難性的影響[1-2]。

文獻(xiàn)[3-5]主要闡述了太陽(yáng)翼、太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及母線電弧故障的機(jī)理，并未詳細(xì)說(shuō)明短路后系統(tǒng)工作模式發(fā)生變化的過(guò)程。文獻(xiàn)[6]闡述了衛(wèi)星電源系統(tǒng)一次母線短路后母線電壓的暫態(tài)特性、響應(yīng)過(guò)程和影響因素，同時(shí)對(duì)熔斷器保護(hù)導(dǎo)致母線電壓跌落的影響因素和影響程度進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的解決方案，但并未對(duì)沒(méi)有有效的短路保護(hù)的主功率通路短路進(jìn)行詳細(xì)分析。

本文通過(guò)仿真分析了3種不同的衛(wèi)星主功率通路短路故障下能源系統(tǒng)的工作模式變化過(guò)程，分析了其對(duì)能源系統(tǒng)的故障關(guān)聯(lián)影響，為系統(tǒng)級(jí)故障容限能力分析提供支撐，進(jìn)一步提升能源系統(tǒng)的健壯性。

1 衛(wèi)星主功率通路短路故障模式分析

以較為復(fù)雜的高軌順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)全調(diào)節(jié)架構(gòu)的電源系統(tǒng)為例，衛(wèi)星主功率通路構(gòu)成如圖1所示。太陽(yáng)翼不同分陣的電流通過(guò)太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中不同的電流環(huán)傳輸至電源控制器中的S3R調(diào)節(jié)器，形成穩(wěn)定的100 V母線，兩組蓄電池分別通過(guò)充電調(diào)節(jié)器(BCR)、放電調(diào)節(jié)器(BDR)進(jìn)行充放電調(diào)節(jié)控制，形成穩(wěn)定的母線。在異常情況下，母線電壓低于蓄電池輸出電壓時(shí)，通過(guò)蓄電池正端和母線之間的二極管，蓄電池向母線放電提供能量。主誤差放大器(MEA)通過(guò)母線電壓的比例積分控制輸出MEA信號(hào)，并采用三域調(diào)節(jié)方法對(duì)S3R、BCR、BDR進(jìn)行控制，穩(wěn)定母線電壓[7]。

根據(jù)國(guó)際上有報(bào)告的主功率通路故障模式，極端情況分為3類：

(1)太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在極端、偶發(fā)或超期服役狀態(tài)下，可能導(dǎo)致環(huán)間短路故障，如圖1所示故障F1；

(2)一次母線在有多余物或多重故障狀態(tài)下導(dǎo)致的對(duì)結(jié)構(gòu)短路，如圖1所示故障F2；

(3)地面電纜由于長(zhǎng)時(shí)間、多次重復(fù)使用、多余物等，極端情況下存在其中100 V母線采樣和蓄電池短路的風(fēng)險(xiǎn)，如圖1所示故障F3。

2 太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)環(huán)間短路故障分析

目前衛(wèi)星普遍采用S3R母線調(diào)節(jié)方式，供電的分陣正環(huán)電壓接近100 V，被分流的分陣正環(huán)電壓接近0 V，處于調(diào)節(jié)的分陣正環(huán)電壓處于0 V/100 V動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中。不妨以太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑環(huán)正、負(fù)分置兩面且滑環(huán)與分陣編號(hào)順序?qū)?yīng)排列為例，導(dǎo)電環(huán)間存在約100 V的電壓差的可能性。此時(shí)，假設(shè)存在功率環(huán)間的短路，根據(jù)分流調(diào)節(jié)的狀態(tài)，存在調(diào)節(jié)環(huán)與分流環(huán)、調(diào)節(jié)環(huán)與供電環(huán)、分流環(huán)與供電環(huán)短路3種狀態(tài)。

基于上述分析，建立系統(tǒng)仿真功率通路模型，如圖2所示。南翼分陣為單數(shù)編號(hào)、北翼分陣為雙數(shù)編號(hào)，單個(gè)分陣短路電流為4.5 A，單個(gè)分陣的寄生電容為500 nF。分流管的非理想特性不影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化，因此不妨將分流管的模型等效成理想開關(guān)模型。因短路阻抗模型只影響短路環(huán)間的壓差，不影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化，不妨設(shè)短路阻抗為0。初始狀態(tài)下，分流級(jí)1～6號(hào)處于分流狀態(tài)，分流級(jí)7號(hào)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，分流級(jí)8～10號(hào)處于供電狀態(tài)。

1)調(diào)節(jié)環(huán)與分流環(huán)短路

仿真調(diào)節(jié)環(huán)與分流環(huán)短路的狀態(tài)，即圖2中S1與S11短接，S2與S21短接，仿真波形如圖3所示。在0.06 s將分流級(jí)7號(hào)與5號(hào)短路，則分流級(jí)7號(hào)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)翼分陣電流也通過(guò)分流級(jí)5號(hào)分流，主誤差放大信號(hào)降低，從而使得分流級(jí)6號(hào)由分流狀態(tài)進(jìn)入分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。由于短路電流從導(dǎo)電環(huán)7號(hào)流入導(dǎo)電環(huán)分流級(jí)5號(hào)，因此導(dǎo)電環(huán)7號(hào)的電壓略高于導(dǎo)電環(huán)5號(hào)，壓差由短路特性決定。若0.07 s，短路消失，在短路未破壞環(huán)間絕緣的情況下，系統(tǒng)工作能恢復(fù)正常。

注：圖中Bus為母線；Vbus為母線電壓；SW1～SW10為分流級(jí)1～10的開關(guān)管編號(hào)；VSW5～VSW10為分流級(jí)5～10的開關(guān)狀態(tài)；V5～V9為分流級(jí)5～9的輸入電壓；S11、S12、S13、S21、S22、S23為不同短路情況的短路點(diǎn)編號(hào)；S1、S2為連接短路控制開關(guān)兩側(cè)接點(diǎn)編號(hào)；ARC為短路控制開關(guān)的控制信號(hào)輸入。

圖3 調(diào)節(jié)環(huán)與分流環(huán)短路仿真結(jié)果

該情況下，由于兩個(gè)分陣電流均通過(guò)單個(gè)分流級(jí)分流，超過(guò)單個(gè)分流級(jí)的分流能力，如果長(zhǎng)時(shí)間工作在該狀態(tài)，存在該分流級(jí)開關(guān)管擊穿失去調(diào)節(jié)能力的風(fēng)險(xiǎn)。

2)調(diào)節(jié)環(huán)與供電環(huán)短路

仿真調(diào)節(jié)環(huán)與供電環(huán)短路的狀態(tài)，即圖2中S1與S12短接，S2與S22短接，仿真波形如圖4所示。在0.06 s將分流級(jí)7號(hào)與9號(hào)短路，由于本身分流級(jí)7號(hào)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，當(dāng)其處于暫態(tài)分流時(shí)，分流級(jí)9號(hào)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)翼分陣電流也通過(guò)分流級(jí)7號(hào)分流；當(dāng)其處于暫態(tài)供電時(shí)，分流級(jí)7號(hào)與9號(hào)均處于供電狀態(tài)。因此，主誤差放大信號(hào)略有降低，除極端情況外，短路后分流級(jí)7號(hào)仍處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，但分流態(tài)時(shí)間相比短路前減少。若0.07 s，短路消失，在短路未破壞環(huán)間絕緣的情況下，系統(tǒng)工作能恢復(fù)正常。

圖4 調(diào)節(jié)環(huán)與供電環(huán)短路仿真結(jié)果

該情況下，由于存在兩個(gè)分陣電流均通過(guò)單個(gè)分流級(jí)分流的工況，超過(guò)單個(gè)分流級(jí)的分流能力，而且處于開關(guān)狀態(tài)下，此時(shí)分陣電容與分流級(jí)電感限流的匹配關(guān)系也會(huì)變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)過(guò)程瞬態(tài)電流應(yīng)力增大和開關(guān)損耗增大，存在該分流級(jí)開關(guān)管擊穿失去調(diào)節(jié)能力的風(fēng)險(xiǎn)。

3)分流環(huán)與供電環(huán)短路

仿真分流環(huán)與供電環(huán)短路的狀態(tài)，即圖2中S1與S13短接，S2與S23短接，仿真波形如圖5所示。

圖5 分流環(huán)與供電環(huán)短路仿真結(jié)果

在0.06 s將分流級(jí)6號(hào)與8號(hào)短路，此時(shí)分流級(jí)8號(hào)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)翼分陣電流通過(guò)分流級(jí)6號(hào)分流，使得主誤差放大信號(hào)降低，從而處于調(diào)節(jié)狀態(tài)的分流級(jí)由7號(hào)調(diào)整至6號(hào)，所以，當(dāng)分流級(jí)6號(hào)處于暫態(tài)分流時(shí)，分流級(jí)8號(hào)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)翼分陣電流也通過(guò)分流級(jí)6號(hào)分流；當(dāng)其處于暫態(tài)供電時(shí)，分流級(jí)8號(hào)與6號(hào)均處于供電狀態(tài)。若0.07 s，短路消失，在短路未破壞環(huán)間絕緣的情況下，系統(tǒng)工作能恢復(fù)正常。

該情況下，由于存在兩個(gè)分陣電流均通過(guò)單個(gè)分流級(jí)分流的工況，超過(guò)單個(gè)分流級(jí)的分流能力，而且也處于開關(guān)狀態(tài)下，分陣電容與分流級(jí)電感限流的匹配關(guān)系變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)過(guò)程瞬態(tài)電流應(yīng)力增大和開關(guān)損耗增大，存在該分流級(jí)開關(guān)管擊穿失去調(diào)節(jié)能力的風(fēng)險(xiǎn)。

3 一次母線短路故障分析

典型的S3R全調(diào)節(jié)母線一次母線短路故障模型如圖6所示,極端條件下在地影中，太陽(yáng)翼無(wú)輸出，蓄電池通過(guò)BDR向母線供電。典型BDR拓?fù)錇镠e-boost拓?fù)洌铍姵睾湍妇€之間有直通二極管，母線電壓低于蓄電池輸出電壓時(shí)，通過(guò)蓄電池正端和母線之間的二極管，蓄電池向母線放電提供能量。以短路點(diǎn)阻抗為0為例，討論極端情況下一次母線短路故障發(fā)生后系統(tǒng)的工作模式及變化過(guò)程。其他BDR拓?fù)淇刹扇☆愃品椒ㄟM(jìn)行分析。

注：圖中Bus為母線，batS、batN分別為南、北蓄電池組輸出接口；VBATS、VBATN分別為南、北蓄電池組輸出電壓，IDBY1～I(xiàn)DBY4為蓄電池至母線直通二極管電流;RP為滿載等效電阻，K為一次短路等效開關(guān)，Ishort為一次母線電流;Idin1、Idin2分別為南、北蓄電池BDR下支路電流。

若一次母線在有多余物或多重故障狀態(tài)下導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)短路的故障，在蓄電池至一次母線無(wú)完全斷開的限流或過(guò)流保護(hù)時(shí)，仿真故障暫態(tài)過(guò)程，如圖7所示，短路響應(yīng)過(guò)程如下。

圖7 一次母線短路故障仿真結(jié)果

(1)短路時(shí)刻t0，母線電流過(guò)大，母線電容開始大電流放電，母線電壓迅速下降，母線短路電流超過(guò)BDR下支路限流輸出極限；

(2)當(dāng)母線電壓跌落至蓄電池組電壓，蓄電池組直通二極管開始工作，蓄電池組通過(guò)直通二極管輸出至母線，若超過(guò)直通二極管電流極限或通路最薄弱的環(huán)節(jié)，t1/t2時(shí)刻，直通二極管或通路最薄弱環(huán)節(jié)將燒斷；

(3)若短路點(diǎn)未消除，南北蓄電池組直通二極管開路，蓄電池組通過(guò)BDR上支路直通至母線，繼續(xù)放電，BDR上支路與下支路通過(guò)電阻關(guān)系分流，直至t3/t4時(shí)刻下支路流過(guò)電流上升至過(guò)流保護(hù)點(diǎn)導(dǎo)致觸發(fā)BDR輸入過(guò)流保護(hù)鎖定，BDR下支路無(wú)輸出，蓄電池組通過(guò)BDR上支路輸出至母線；

(4)若短路點(diǎn)仍未消除，所有BDR上支路燒毀開路，蓄電池組至母線通路斷開，導(dǎo)致蓄電池到母線所有放電通路斷開。

綜上所述，在一次母線極端短路情況下，主要依靠母線電容放電提供瞬態(tài)電流和熔斷能力，若一次母線短路無(wú)法瞬態(tài)熔斷，主要依靠蓄電池至母線的直通通路提供熔斷能力，該情況下，如果不進(jìn)行保護(hù)，可能會(huì)導(dǎo)致蓄電池通路損失。

4 地面電纜一次母線與蓄電池短路故障分析

若地面電纜中由于多余物等，導(dǎo)致一次母線采樣與蓄電池地面充放電電纜短路，在圖6所述模型基礎(chǔ)上，將一次母線短路模型調(diào)整為一次母線采樣與蓄電池地面充放電電纜短路模型，如圖8所示，不妨考慮有兩組蓄電池組的復(fù)雜情況，蓄電池充放電通路上無(wú)隔離，短路通路等效阻抗r包括等效線纜阻抗和短路點(diǎn)的等效阻抗，考慮到線纜多點(diǎn)多線不同位置短路的情況，同時(shí)依據(jù)典型值，短路通路等效阻抗r可取20 mΩ～1 Ω，考慮不同阻抗的影響。

注：r為一次母線與蓄電池短路等效電阻。

仿真如圖9所示。0.004 s時(shí)，發(fā)生一次母線采樣與蓄電池正端短路，當(dāng)短路等效阻抗取最小值20 mΩ時(shí)，母線被短路蓄電池鉗位，未被短路的蓄電池通過(guò)BDR限流向母線放電，給被短路的蓄電池充電，因此母線電壓略高于被短路的蓄電池電壓。短路通路上存在大電流通過(guò)，采樣線可能被過(guò)流燒毀。

圖9 地面電纜一次母線與蓄電池短路故障仿真結(jié)果

當(dāng)短路通路等效電阻r不斷增大，短路通路電流減小，在BDR限流能力內(nèi)，則母線電壓仍能維持100 V，如果短路點(diǎn)不消失，蓄電池與母線的短路通路可以等效為母線的負(fù)載，在短路點(diǎn)熱耗不會(huì)導(dǎo)致故障擴(kuò)散的情況下，系統(tǒng)仍能維持正常工作。

5 保護(hù)改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于衛(wèi)星主功率通路短路故障工作模式及其對(duì)能源系統(tǒng)的影響，能源系統(tǒng)可針對(duì)性設(shè)計(jì)保護(hù)措施如下：

(1)對(duì)于太陽(yáng)翼分陣間短路導(dǎo)致的過(guò)流，設(shè)計(jì)分流級(jí)過(guò)流保護(hù)策略，當(dāng)過(guò)流管過(guò)流后，通過(guò)關(guān)斷分流管實(shí)現(xiàn)對(duì)分流級(jí)自身的保護(hù)；

(2)對(duì)于一次母線短路可能導(dǎo)致放電通路損失，設(shè)計(jì)放電通路保護(hù)策略或研究新型隔離限流拓?fù)洌沟锰?yáng)翼展開后熔斷短路通路整星可以恢復(fù)業(yè)務(wù)；同時(shí)在整星可接受的條件下，盡量將負(fù)載端保護(hù)前移，有條件情況下可集成在電源控制器(PCU)內(nèi)部；

(3)增加地面通路的隔離保護(hù)措施，確保故障不會(huì)蔓延。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星主功率通路短路故障暫態(tài)響應(yīng)復(fù)雜難以分析的問(wèn)題，本文分別建立了太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)環(huán)間短路故障、一次母線短路故障、地面電纜一次母線與蓄電池短路故障等3種主功率通路短路故障的仿真模型，通過(guò)最壞情況分析，合理優(yōu)化了模型規(guī)模，并基于仿真分析了3種主功率通路故障模式后能源系統(tǒng)的工作模式及響應(yīng)過(guò)程?；诜抡娼Y(jié)果，分析了3種主功率通路短路故障對(duì)能源系統(tǒng)的可能的關(guān)聯(lián)性影響，為衛(wèi)星能源系統(tǒng)故障容限能力分析提供支撐。此外，本文提出增加分流級(jí)過(guò)流保護(hù)策略、放電通路保護(hù)策略和地面通路的隔離保護(hù)措施的解決方案，可進(jìn)一步提升能源系統(tǒng)的健壯性。