一種可以規(guī)避分流調(diào)節(jié)狀態(tài)的S3R電源系統(tǒng)

趙海峰，徐 偉，陳杏娜，賈文濤，黃 曉

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

1 S3R電源系統(tǒng)概述

順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）電源系統(tǒng)主要包括太陽能電池陣（發(fā)電）、鋰離子蓄電池組（儲能）以及電源控制器（系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)與控制管理），典型30 V母線電壓的S3R電源系統(tǒng)框架如圖1所示[1-3]。

圖1 S3R電源系統(tǒng)原理框架

電源控制器由主誤差放大器統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)放電調(diào)節(jié)器、充電調(diào)節(jié)器以及分流電路的工作，實現(xiàn)太陽能電池、蓄電池和負載設(shè)備之間的功率調(diào)節(jié)，并穩(wěn)定母線電壓[4]。主誤差放大器先保證衛(wèi)星負載供電，若太陽能電池陣功率不夠，蓄電池組通過放電調(diào)節(jié)器放電補充供電[5]。若光照期太陽能電池陣大于負載功率，則先滿足蓄電池充電功率需求，剩余功率進行分流[6]。系統(tǒng)工作狀態(tài)如表1所示[7-10]。

表1 S3R電源系統(tǒng)工作狀態(tài)

對于S3R電源系統(tǒng)，為了保證能源系統(tǒng)供電安全，一般在系統(tǒng)設(shè)計時需要保證太陽能電池陣輸出功率大于負載功率與充電功率之和，即光照區(qū)一般都會有分流電路處于分流狀態(tài)或分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。但對于某些科學(xué)載荷而言，可能不希望電源系統(tǒng)處于分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，因此采用常規(guī)S3R電源系統(tǒng)設(shè)計無法滿足這些科學(xué)載荷的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計與驗證

2.1 需求分析

通過分析S3R電源系統(tǒng)工作狀態(tài)可知，僅在太陽能電池陣輸出功率大于負載功率需求與充電功率需求之和時，電源系統(tǒng)才會出現(xiàn)分流或分流調(diào)節(jié)。因此，若在滿足系統(tǒng)能量平衡和供電安全的前提下將功率富余的太陽能電池電路提前設(shè)置為強制分流狀態(tài)，即可實現(xiàn)不出現(xiàn)分流和分流調(diào)節(jié)。

2.2 強制分流電路設(shè)計

強制分流電路接口如圖2所示。

圖2 強制分流電路接口

第1級到第8級分流電路統(tǒng)一由母線誤差放大器控制，分流順序是從第1級到第8級。當(dāng)主誤差放大器輸出電壓大于3 V時，第1級分流電路由截止狀態(tài)進入分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。隨著主誤差放大器電壓升高，由分流調(diào)節(jié)狀態(tài)進入分流狀態(tài)，對應(yīng)的太陽能電池電路輸出電功率被全部分流，不能給母線供電。隨著主誤差放大器電壓繼續(xù)升高，第2級到第8級分流電路以同樣的方式投入工作。當(dāng)負載和充電所需功率穩(wěn)定時，分流電路只會有一級處于分流調(diào)節(jié)狀態(tài)（在分流與供電狀態(tài)之間不斷切換），其他各級分流電路處于分流狀態(tài)（導(dǎo)通）或供電狀態(tài)（截止）。

太陽能電池陣輸出電流約為31 A，負載電流約為14.5 A，充電電流需求為10 A左右。為了實現(xiàn)電源系統(tǒng)不出現(xiàn)分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，綜合考慮系統(tǒng)安全性與能量平衡，第5、6、7、8級分流電路設(shè)置強制分流接口，由電源下位機依據(jù)軟件邏輯在保證能量平衡的前提下，提前將相應(yīng)的分流電路設(shè)置為強制分流。強制分流采用電平型指令，電平為高時執(zhí)行強制分流。由于主誤差放大器控制的分流或分流調(diào)節(jié)順序是從第1級開始，強制分流是從第8級開始，所以第5～8級分流電路僅在分流和供電之間通過強制分流指令切換，不會出現(xiàn)分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。由于太陽能電池陣可以供電到母線上的功率始終小于負載功率需求與充電功率需求之和，第1～4級不會出現(xiàn)分流和分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。

2.3 強制分流軟件設(shè)計

電源下位機冷啟動或熱啟動時，軟件強制分流控制功能默認禁止，由指令啟動。當(dāng)軟件強制分流功能禁止指令發(fā)出時，強制分流電平指令全部輸出低電平；當(dāng)發(fā)出強制分流功能啟動指令時，S5～S8強制分流指令輸出默認狀態(tài)，并進入軟件自主判斷流程。同時，設(shè)置上注數(shù)據(jù)塊接受函數(shù)，用于強制分流模式各閾值的上注修改，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 強制分流上注修改參數(shù)表

軟件強制分流流程如圖3所示，強制分流逐步啟動流程如圖4所示，強制分流逐步退出流程如圖5所示。

圖3 強制分流流程

圖4 強制分流逐步啟動流程

圖5 強制分流逐步退出流程

在進行強制分流控制時，從第8級開始，先判斷第8級是否在強制分流狀態(tài)，如果是，則判斷第7級、第6級、第5級；若不是，則第8級設(shè)置為強制分流（并設(shè)置強制分流標志），從高到低依次判斷、依次強制分流。在進行強制分流退出時，從第5級開始先判斷是否在供電狀態(tài)，如果是則判斷第6級、第7級、第8級；如果不是，則退出強制分流轉(zhuǎn)為供電狀態(tài)，從低到高依次判斷，依次退出強制分流轉(zhuǎn)為供電狀態(tài)。

2.4 測試驗證

2020年10月，在電源控制器研制完成后，與蓄電池組及太陽能電池陣模擬器組成電源系統(tǒng)，依據(jù)衛(wèi)星在軌工作模式進行測試驗證。結(jié)果表明，電源系統(tǒng)工作正常，可以規(guī)避分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，滿足任務(wù)需求。

3 結(jié) 論

通過軟件與硬件相結(jié)合的方法，在傳統(tǒng)S3R電源系統(tǒng)框架下規(guī)避了分流調(diào)節(jié)狀態(tài)，滿足部分科學(xué)載荷的需求。目前該方法已經(jīng)應(yīng)用到工程型號設(shè)備上，經(jīng)過驗證是合理、可行的，具有一定的推廣價值。