喬明 朱立穎 李小飛 杜青

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究

喬明 朱立穎 李小飛 杜青

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

根據(jù)SAR衛(wèi)星有效載荷的脈沖、大功率工作等典型特點(diǎn)及對電源母線穩(wěn)定度的較高要求，設(shè)計(jì)了單母線、不調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)方案，建立了電源系統(tǒng)的仿真模型。針對不同負(fù)載情況，分別對SAR衛(wèi)星處于光照區(qū)和地影區(qū)時，其脈沖大功率電源系統(tǒng)在恒功率負(fù)載、負(fù)載突減和負(fù)載突加的情況進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明此電源系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠滿足SAR衛(wèi)星有效載荷的供電要求。

SAR衛(wèi)星；高穩(wěn)定度；母線

1 引言

主動微波遙感技術(shù)——合成孔徑雷達(dá)（SAR）自1978年美國成功發(fā)射載有SAR的海洋衛(wèi)星-A（SeaSat-A）之后，世界各發(fā)達(dá)國家相繼發(fā)射了SAR衛(wèi)星［1］，這標(biāo)志著SAR衛(wèi)星已成功進(jìn)入從太空對地面進(jìn)行觀測的時代。目前，SAR衛(wèi)星進(jìn)入了飛速發(fā)展的新世紀(jì)，各航天國家都在發(fā)展自己的SAR衛(wèi)星［］。

電源系統(tǒng)作為衛(wèi)星重要的組成部分［3］，為衛(wèi)星平臺及載荷電子設(shè)備提供能源，是衛(wèi)星生存及可靠工作的基本保障。然而，SAR衛(wèi)星在供電方面具有功耗大和脈沖功率的特點(diǎn)，功率需求可達(dá)8～20 k W，遠(yuǎn)高于光學(xué)遙感衛(wèi)星3 k W的功率需求。大功耗及脈沖功率對母線的穩(wěn)定度均具有較大影響，SAR衛(wèi)星對母線穩(wěn)定度又有較高的要求，這給電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了較高的難度。

為了滿足上述需求，國內(nèi)目前已發(fā)射和在研的SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)均采用了雙獨(dú)立母線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即平臺負(fù)載采用全調(diào)節(jié)母線，SAR載荷單獨(dú)使用不調(diào)節(jié)母線。但雙母線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，設(shè)備數(shù)量多，體積、質(zhì)量大，技術(shù)方案不夠優(yōu)化。隨著國內(nèi)空間二次電源技術(shù)的發(fā)展，可適應(yīng)輸入電壓16～120 V范圍變化，這為單母線電源系統(tǒng)的應(yīng)用提供了條件。國外大多數(shù)SAR載荷衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用了不調(diào)節(jié)單母線系統(tǒng)，如意大利空間局研制的“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座”（COSMO-Sky Med）雷達(dá)衛(wèi)星，加拿大2006年發(fā)射的雷達(dá)衛(wèi)星-2（RADARSAT-2），歐洲航天局的哨兵-1（Sentinel-1）和哨兵-3（Sentinel-3）SAR衛(wèi)星等。

本文針對國內(nèi)SAR載荷衛(wèi)星電源需求，首先分析了SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)特點(diǎn)，從母線體制、調(diào)節(jié)方式兩方面進(jìn)行了方案比較，然后設(shè)計(jì)了與現(xiàn)有SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)相比，具有質(zhì)量體積小、母線穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)的不調(diào)節(jié)單母線電源系統(tǒng)，并采用Matlab仿真工具，對SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)及其負(fù)載進(jìn)行建模，針對不同負(fù)載工作模式對母線穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)特點(diǎn)分析

2.1 母線體制

1）單母線供電體制

單母線供電體制為一次電源單母線輸出，穩(wěn)定負(fù)載和脈沖負(fù)載共用一條供電母線，優(yōu)點(diǎn)是電源系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量較少，體積和質(zhì)量較小，能夠充分合理利用能源，成本相對較低。國外大多數(shù)SAR衛(wèi)星采用單母線供電體制。

2）雙母線供電體制

雙母線供電體制為一次電源雙獨(dú)立母線輸出，兩條母線在衛(wèi)星接地點(diǎn)單點(diǎn)共地，一條供給穩(wěn)定負(fù)載，一條供給脈沖負(fù)載，優(yōu)點(diǎn)是能夠有效避免脈沖負(fù)載對穩(wěn)定負(fù)載帶來的干擾，缺點(diǎn)是電源系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量較多，體積和質(zhì)量相對較大，由于每條母線電源獨(dú)立且均要留有一定的安全余量，導(dǎo)致母線能源利用率降低。

2.2 調(diào)節(jié)方式

1）全調(diào)節(jié)母線

全調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)供電母線電壓在軌期間始終穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，光照期調(diào)節(jié)太陽電池陣輸出電壓，完成對母線的供電和對蓄電池組的充電，聯(lián)合供電或地影期調(diào)節(jié)蓄電池組輸出，穩(wěn)定母線電壓［4］。全調(diào)節(jié)母線優(yōu)點(diǎn)是供電母線電壓始終穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，穩(wěn)壓精度高；缺點(diǎn)是電源控制器的體積、質(zhì)量和熱耗較大，電源系統(tǒng)的輸出阻抗較大，在短期負(fù)載加載、卸載和脈沖負(fù)載工作時，母線電壓的波動和干擾較大。因此，全調(diào)節(jié)母線適用于對母線電壓要求較高，且用電負(fù)載相對穩(wěn)定的衛(wèi)星電源系統(tǒng)。

2）半調(diào)節(jié)母線

半調(diào)節(jié)母線是在全調(diào)節(jié)母線的基礎(chǔ)上去掉蓄電池組的放電調(diào)節(jié)，半調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)電源控制器只調(diào)節(jié)太陽電池陣的輸出電壓，在地影期或聯(lián)合供電時母線電壓被蓄電池組電壓鉗位，隨蓄電池組電壓變化而變化。半調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)適用于用電設(shè)備多數(shù)為長期穩(wěn)定負(fù)載，光照期太陽電池陣的輸出功率能夠滿足負(fù)載需求的場合。但對于SAR載荷衛(wèi)星，由于光照期需要頻繁聯(lián)合供電，因此并不適用。

3）不調(diào)節(jié)母線

不調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)是指不對供電母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，母線電壓始終隨電池組電壓變化而變化，光照期，太陽電池陣輸出功率首先滿足負(fù)載需求，然后滿足充電需求，在滿足供電和充電需求后對地分流。電源控制器只對太陽電池陣輸出功率進(jìn)行充電調(diào)節(jié)。不調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是母線具有極小的輸出阻抗，極快的響應(yīng)速度，最大限度地滿足了短期峰值負(fù)載和脈沖負(fù)載的供電需要，非常適合SAR衛(wèi)星電源的使用要求，此外還具有電源系統(tǒng)控制簡單，電源控制器體積重量和熱耗小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

3 SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過上述分析，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用不調(diào)節(jié)、單母線方案。不調(diào)節(jié)母線工作原理為，電源控制器（PCU）采集電池組的電壓和充電電流值，控制分流開關(guān)的開通與關(guān)斷，當(dāng)蓄電池組需要充電時，PCU控制分流開關(guān)關(guān)斷，太陽電池陣輸出功率首先滿足負(fù)載需要，剩余功率為蓄電池組充電，如果太陽電池陣的輸出功率不能滿足負(fù)載需要，蓄電池組參與放電，聯(lián)合供電。當(dāng)蓄電池組充滿電后，太陽電池陣輸出功率只滿足負(fù)載需要，多余功率由PCU控制對地分流［5-7］。以負(fù)載功率峰值8000 W的SAR衛(wèi)星為例，電源系統(tǒng)配置16 m2三結(jié)砷化鎵太陽電池陣、2組鋰離子蓄電池組、1臺電源控制器，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

（1）母線電壓:45～67.5 V；

（2）太陽電池陣:三結(jié)砷化鎵，輸出功率3100 W；

（3）蓄電池組:鋰離子蓄電池，容量240 Ah；

（4）電源控制器:10路分流；

（5）負(fù)載功率:峰值8000 W。

不調(diào)節(jié)母線的太陽電池陣輸出電壓始終被蓄電池組鉗位，太陽電池陣的最大工作點(diǎn)電壓要滿足蓄電池組最高充電電壓需要。不調(diào)節(jié)母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic of power system

不調(diào)節(jié)母線輸出特性直接取決于蓄電池組，為增加濾波效果，在母線上還并聯(lián)了電容陣。電源母線輸出分兩路，分別到平臺配電器和SAR配電器，經(jīng)濾波器濾波、二次電源變換后給平臺負(fù)載及SAR供電。

4 SAR衛(wèi)星電源系統(tǒng)仿真模型

采用Matlab軟件對不調(diào)節(jié)母線電源系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模型，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真結(jié)果研究。不調(diào)節(jié)母線電源系統(tǒng)建模，包括太陽電池陣模型、鋰離子蓄電池組模型及電源控制器各模塊模型。仿真輸入?yún)?shù)見表1。

表1 仿真輸入?yún)?shù)Table 1 Input parameters of simulation

4.1 太陽電池陣模型

太陽電池陣輸出電壓與電流具有非線性特性，其輸出與負(fù)載、電池工作溫度及太陽入射光強(qiáng)有關(guān)。在溫度及光強(qiáng)不變的條件下，其輸出負(fù)載重載，則太陽電池陣列的輸出具有恒流特性；其輸出負(fù)載輕載，則太陽電池陣輸出具有恒壓特性。太陽電池陣模型如式（1）、（2）、（3）所示。

式中:I為太陽電池陣輸出電流，V為太陽電池陣電壓，ISC為短路電流，VOC為開路電壓。

式中:Imp為最佳工作點(diǎn)電流，Vmp為最佳工作點(diǎn)電壓。

4.2 鋰離子蓄電池組模型

鋰離子蓄電池組電壓與荷電狀態(tài)之間存在關(guān)聯(lián)，根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］，可以得到蓄電池組模型如式（4）和式（5）所示。其中式（4）為放電模型，式（5）為充電模型。

式中:Ed為放電電壓，E0為初始電壓；K為蓄電池內(nèi)阻，取0.012；A為指數(shù)點(diǎn)電壓，取3.6；B為容量在指數(shù)點(diǎn)電壓，取96；id為放電電流；Q為蓄電池最大容量，取120；Qdis為放電容量。

式中:Ec為充電電壓，ic為充電電流，Qch為充電容量。

4.3 控制器模型

控制器模型主要包括分流仿真模塊和恒壓恒流充電驅(qū)動仿真模塊。圖2給出了不調(diào)節(jié)母線的分流仿真模塊，圖3給出了不調(diào)節(jié)的恒壓恒流充電驅(qū)動仿真實(shí)現(xiàn)模塊。

圖2 不調(diào)節(jié)的分流仿真模塊Fig.2 Unregulated shunt simulation model

圖3 不調(diào)節(jié)的恒壓恒流充電驅(qū)動仿真實(shí)現(xiàn)模塊Fig.3 Unregulated charging simulation model

5 不同負(fù)載下仿真結(jié)果及分析

本文分別對光照區(qū)和地影區(qū)時，SAR衛(wèi)星高穩(wěn)定度不調(diào)節(jié)母線的恒功率負(fù)載、負(fù)載突減和負(fù)載突加、負(fù)載脈動模式的情況進(jìn)行了仿真分析，以下對仿真結(jié)果進(jìn)行說明。

由圖4可知，光照區(qū)的電壓鉗位在蓄電池組的充電電壓點(diǎn)。母線的電壓紋波小于250 m V，該紋波的產(chǎn)生主要的因素是蓄電池組充電的采樣電阻造成，如果采樣電阻選取5 mΩ，充電電流為10 A時，則由于采樣電阻帶來的紋波低至50 m V。圖5給出了光照區(qū)SAR負(fù)載130 A突變?yōu)?0 A時的動態(tài)測試結(jié)果。圖6給出了該動態(tài)測試的時基檔1 ms時的測量結(jié)果。圖7給出了光照區(qū)SAR負(fù)載30 A突加至130 A時的動態(tài)測試結(jié)果，母線瞬時跳變小于0.4 V。

圖4 光照區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線恒功率負(fù)載仿真Fig.4 Simulation of constant load during sunlight

圖5 光照區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線負(fù)載突減仿真結(jié)果Fig.5 Simulation of decreasing load during sunlight

圖8給出了SAR衛(wèi)星在恒功率情況下的地影區(qū)高穩(wěn)定度不調(diào)節(jié)母線的仿真情況。通過分析得出，不調(diào)節(jié)的母線電壓在地影區(qū)時隨著蓄電池組的放電，母線電壓也隨之下降。圖9給出了地影區(qū)時SAR衛(wèi)星突減時的仿真結(jié)果，母線電壓的跳變?yōu)?.5 V。

圖6 光照區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線負(fù)載突減（基檔1 ms）Fig.6 Simulation of decreasing load during sunlight（time interval 1ms）

圖7 光照區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線負(fù)載突加仿真結(jié)果Fig.7 Simulation of increasing load during sunlight

蓄電池組放電時母線電壓一直被蓄電池組電壓調(diào)節(jié)，由于蓄電池組處于放電狀態(tài)，所以蓄電池組不能達(dá)到充電時的電壓值。圖10給出了SAR負(fù)載處在脈動模式時的母線電壓仿真分析。圖11給出了地影區(qū)時，SAR衛(wèi)星母線的負(fù)載突加時的母線仿真分析。

圖8 地影區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線恒功率負(fù)載仿真結(jié)果Fig.8 Simulation of constant load during eclipse

圖9 地影區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線負(fù)載突減仿真結(jié)果Fig.9 Simulation of decreasing load during eclipse

從仿真結(jié)果可知，在光照區(qū)和地影區(qū)，SAR載荷工作時，母線穩(wěn)態(tài)紋波小于250 m V，母線的瞬態(tài)跳變在0.5 V以內(nèi)。對于衛(wèi)星平臺負(fù)載，一般能夠承受的母線紋波大于600 m V，瞬態(tài)跳變大于2 V。因此，單母線不調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)能夠滿足平臺負(fù)載及SAR載荷對母線的需求。

圖10 地影區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線脈動模式仿真結(jié)果Fig.10 Simulation of pulse load during eclipse

圖11 地影區(qū)時SAR不調(diào)節(jié)母線負(fù)載突加仿真結(jié)果Fig.11 Simulation of increasing load during eclipse

6 結(jié)束語

針對SAR衛(wèi)星供電需求特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于三結(jié)砷化鎵太陽電池陣、鋰離子蓄電池組的單母線、不調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)，在減輕了分系統(tǒng)體積、質(zhì)量的同時，也提高了母線穩(wěn)定度，相比傳統(tǒng)的雙母線、全調(diào)節(jié)衛(wèi)星電源系統(tǒng)，在SAR衛(wèi)星應(yīng)用上更具優(yōu)勢。同時通過建模和仿真分析，對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，無論在光照期還是地影期，在SAR載荷各種加、減載及脈動工作模式下，電源系統(tǒng)的瞬態(tài)跳變均小于0.5 V，母線紋波均小于250 m V，仿真結(jié)果表明不調(diào)節(jié)單母線電源系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定度，可為未來SAR載荷衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

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（編輯：李多）

Design and Simulation on Power Supply System of SAR Satellite

QIAO Ming ZHU Liying LI Xiaofei DU Qing
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

According to pulse and high power characteristic of SAR satellite which requires high stability power busbar，single bus and unregulated power system is designed and a simulation model of power system is established in the paper.The SAR satellite pulse and high power system is simulated under different load conditions，including the condition of constant power load，sudden load decrease and sudden load increase，respectively.The simulation results display that the power system is stable which can fully meet the requirements of the SAR satellite.

SAR satellite；high stability；busbar

V442

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.008

2014-10-11；

2015-03-02

喬明，男，工程師，從事航天器供配電總體設(shè)計(jì)工作。Email：qiaoming5@163.com。