李小飛 張曉晨 劉奕宏 夏輝 吳建超 戈焰

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

(2北京衛(wèi)星制造廠,北京 100094)(3蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)設(shè)計與驗證

李小飛1張曉晨1劉奕宏1夏輝2吳建超2戈焰3

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)

(2北京衛(wèi)星制造廠,北京 100094)(3蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

根據(jù)合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星高壓大功率有效載荷用電、雙獨(dú)立母線供電等典型特點(diǎn)及長壽命可靠性要求,設(shè)計了混合式能源分配、熔斷器與限流保護(hù)分類應(yīng)用的配電方案,以高分三號(GF-3)衛(wèi)星為例,建立了衛(wèi)星配電系統(tǒng)的仿真模型,對衛(wèi)星能源分配、熔斷器和限流保護(hù)對母線影響進(jìn)行了仿真分析和地面試驗驗證,結(jié)果表明:衛(wèi)星能源分配合理,供電保護(hù)有效,能夠滿足SAR載荷衛(wèi)星的配電保護(hù)需求和整星能源安全保護(hù)需求,可以為我國后續(xù)SAR衛(wèi)星的配電系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

SAR衛(wèi)星;配電系統(tǒng);混合式能源分配

1 引言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像衛(wèi)星具有全天時、全天候高分辨率全球觀測能力,從1978年美國成功發(fā)射海洋衛(wèi)星(Seasat)開始,世界各國對SAR衛(wèi)星的需求越來越旺盛,近10年來SAR衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展時期。隨著SAR載荷成像分辨率、幅寬等方面能力的不斷提升,SAR衛(wèi)星對電源系統(tǒng)的要求也相應(yīng)提高。與傳統(tǒng)光學(xué)遙感衛(wèi)星3 k W級、單母線配電需求相比,SAR衛(wèi)星具有峰值功率大、功率幅值跨度大的特點(diǎn),功率需求的變化范圍可達(dá)20 k W。

為滿足上述能源需求,目前,國內(nèi)SAR衛(wèi)星均采用雙獨(dú)立母線設(shè)計,平臺采用低壓全調(diào)節(jié)母線,SAR載荷采用高壓不調(diào)節(jié)母線。但雙獨(dú)立母線系統(tǒng)衛(wèi)星在軌飛行時,當(dāng)飛行任務(wù)需求、所處軌道位置不同或者電源自身故障時,存在雙母線能源分配不合理或者單母線能源供給不足的情況,導(dǎo)致衛(wèi)星能量平衡情況惡化。此外,考慮到SAR衛(wèi)星長壽命和高可靠性要求,當(dāng)單個負(fù)載發(fā)生短路時,應(yīng)設(shè)置供電保護(hù)電路切斷短路通路,保障電源供電和配電通路的安全性。目前國內(nèi)衛(wèi)星普遍采用熔斷器作為短路保護(hù)手段,但考慮到SAR衛(wèi)星大功率和脈沖工作特性,在工作過程中可能產(chǎn)生幅值和頻率較高的沖擊電流,電流熱積累會造成熔斷器故障,影響熔斷器保護(hù)的可靠性。因此,SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)迫切需要解決能源優(yōu)化配置和功率通路有效保護(hù)的問題[1-2]。

本文針對國內(nèi)SAR載荷衛(wèi)星能源需求,首先分析SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)特點(diǎn),從能源分配方式、過流保護(hù)方式等方面進(jìn)行了方案比較,然后設(shè)計了混合式能源分配、熔斷器與可恢復(fù)式過流保護(hù)分類應(yīng)用的配電系統(tǒng),能夠在衛(wèi)星能源狀態(tài)不均衡或平臺蓄電池故障情況下,自主進(jìn)行雙母線能源調(diào)度,采用Saber仿真工具,對SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析,并通過衛(wèi)星地面測試和在軌測試驗證了設(shè)計方案的正確性。

2 SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)特點(diǎn)分析

2．1 能源分配方式

1)集中式能源分配方式

集中式能源分配方式為衛(wèi)星配置一級配電器和直流-直流變換器,在一次供電端進(jìn)行通路控制,并通過直流-直流變換器實(shí)現(xiàn)一次電源集中變換和EMC隔離,以滿足負(fù)載設(shè)備的不同用電需求。集中式能源分配方式多見于國外SAR衛(wèi)星,由于采用單母線設(shè)計,衛(wèi)星所需配電設(shè)備少,配電網(wǎng)絡(luò)簡潔,成本低,缺點(diǎn)在于變換功率集中,對配電設(shè)備耐高壓大電流的能力要求較高,配電系統(tǒng)可靠性低,且當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時控制時效性較低。

2)分散式能源分配方式

分散式能源配電方式為衛(wèi)星各條母線用電設(shè)備分別實(shí)現(xiàn)電源變換和開關(guān)控制,將整星功率分散到各條母線上,讓多個配電器和直流-直流變換器負(fù)責(zé)各自區(qū)域的能源控制與管理。分散式能源分配方式多見于國內(nèi)SAR衛(wèi)星,由于采用雙獨(dú)立母線設(shè)計,按固定比例將衛(wèi)星能源分配至各條母線,降低了各母線對應(yīng)配電設(shè)備的功率壓力,各配電區(qū)域獨(dú)立工作,有效限制配電網(wǎng)絡(luò)故障擴(kuò)散,缺點(diǎn)在于配電設(shè)備數(shù)量增加,衛(wèi)星配電網(wǎng)絡(luò)被分割,不同配電網(wǎng)絡(luò)之間不能實(shí)現(xiàn)能源交換,配電方式靈活性差,配電系統(tǒng)為滿足可靠性所付出的代價增大。

3)混合式能源分配方式

混合式能源分配方式是在分散式能源分配方式基礎(chǔ)上加入?yún)f(xié)調(diào)控制單元,用于調(diào)整各個分散式配電區(qū)域的能源供給,協(xié)調(diào)控制單元在各分散式配電區(qū)域能源供給正常時不參與能源調(diào)度,當(dāng)某個配電區(qū)域能源供給異常時,協(xié)調(diào)控制單元執(zhí)行能源調(diào)度,將其它配電區(qū)域的富裕能源分配至異常配電區(qū)域,保證配電區(qū)域的能源供應(yīng)。該方式的可靠性和容錯性較好,既能充分利用分散式能源分配的優(yōu)點(diǎn),又能規(guī)避其自身的缺點(diǎn),能夠較好地滿足國內(nèi)雙母線SAR衛(wèi)星的配電需求。

2．2 過流保護(hù)方式

1)熔斷型過流保護(hù)

熔斷型過流保護(hù)是對母線功率通路進(jìn)行不可恢復(fù)式斷開從而實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。在負(fù)載短路情況下,短路電流使熔斷器在數(shù)毫秒內(nèi)生成大量熱量達(dá)到熔斷溫度[3-4]。這種電路結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方式簡便,但熔斷器由于發(fā)生保護(hù)動作后不可恢復(fù),不能用于關(guān)鍵設(shè)備和分系統(tǒng)級供電保護(hù),應(yīng)用范圍小。此外,熔斷器不可靠因素較多,存在因浪涌電流等瞬間應(yīng)力導(dǎo)致失效的可能,尤其對于存在電感、電容的濾波電路,在過渡過程中可能產(chǎn)生幅值和頻率較高的沖擊電流,電流熱積累會造成熔斷器的異常熔斷,熔斷器的熔斷時間為毫秒級,熔斷過程中會拉低輸入電壓,影響對其余設(shè)備的供電。

2)可恢復(fù)型過流保護(hù)

可恢復(fù)型過流保護(hù)電路利用限流保護(hù)電路場效應(yīng)晶體管(MOSFET)開關(guān)特性對母線功率進(jìn)行可恢復(fù)式過流保護(hù),與熔斷型短路保護(hù)電路相比,具有響應(yīng)快、可恢復(fù)、可遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)[5],可以用于分系統(tǒng)級供電保護(hù),主要有反時限保護(hù)和限流保護(hù)兩種類型[6-8]。反時限保護(hù)基于I2t為常值的保護(hù)曲線來控制功率通路的通斷,短路電流越大,則保護(hù)時間越短,該方式適用于空間站等大型航天器的高功率負(fù)載過流保護(hù),電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本高。限流保護(hù)具備MOSFET驅(qū)動和限流延時保護(hù)功能,適合啟動電流較大的負(fù)載,且能夠降低短路過程對母線的沖擊,電路結(jié)構(gòu)較為簡單、成本適中,非常適用于SAR衛(wèi)星的供電保護(hù)需求。

3 SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)設(shè)計

SAR衛(wèi)星載荷具有高功率、脈沖工作的特點(diǎn),配電系統(tǒng)設(shè)計需要同時兼顧合理分配整星能源、抑制SAR載荷工作產(chǎn)生的電磁兼容性(EMC)干擾和供電通路有效保護(hù)的需要,因此,衛(wèi)星配電系統(tǒng)采用混合式能源分配、熔斷器與限流保護(hù)分類應(yīng)用的配電方案,以滿足SAR衛(wèi)星的上述需求。

3．1 衛(wèi)星能源調(diào)度策略

為保證SAR衛(wèi)星在軌期間負(fù)載正常工作,配電系統(tǒng)設(shè)計了雙向大功率直流-直流變換作為協(xié)調(diào)控制單元,當(dāng)某一條母線出現(xiàn)無輸出或輸出功率不滿足當(dāng)前負(fù)載需求情況造成母線電壓異常下降時,大功率直流-直流變換器啟動工作,建立雙母線功率交互的通路[9],將正常工作母線富裕功率分配至故障母線,穩(wěn)定異常母線電壓。

針對衛(wèi)星正常工作模式和單母線故障模式進(jìn)行能源分析。圖1為兩母線電源系統(tǒng)正常模式下的示意圖,圖中電源系統(tǒng)A和電源系統(tǒng)B在光照期和陰影期獨(dú)立工作,為各自負(fù)載A和B供電,此時大功率直流-直流變換器不工作,配電通路1和2斷開。圖2為單母線電源系統(tǒng)故障模式的示意圖,假設(shè)電源系統(tǒng)A工作正常,電源系統(tǒng)B由于太陽電池陣、蓄電池組或電源控制器故障,母線B無法滿足對應(yīng)負(fù)載能源需求,當(dāng)母線B電壓出現(xiàn)異常下降時,大功率直流-直流變換器接通配電通路1,將母線A的富裕功率分配至母線B,維持母線B對應(yīng)負(fù)載B的能源供給。

3．2 負(fù)載過流保護(hù)方式選擇

按照SAR衛(wèi)星負(fù)載性質(zhì)、使用需求及地面測試需求進(jìn)行過流保護(hù)方式選擇。對于衛(wèi)星數(shù)管、測控、控制等服務(wù)分系統(tǒng),由于分系統(tǒng)功能非常關(guān)鍵不允許在軌執(zhí)行斷電動作,且設(shè)備功率需求平穩(wěn),選擇非平衡并聯(lián)式熔斷型過流保護(hù)方式,避免由于過流保護(hù)電路誤動作帶來的風(fēng)險。非平衡并聯(lián)雙熔斷器電路中電流分配情況可知,串聯(lián)限流電阻的熔斷器通路電流是無限流電阻的熔斷器通路電流的1/19,若單個熔斷器隨機(jī)失效,仍能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,在過流情況下,未串電阻熔斷器先熔斷,串聯(lián)電阻的熔斷器接著熔斷,可以降低過流保護(hù)過程中母線電壓波動[10]。對于SAR載荷、熱控等服務(wù)分系統(tǒng),工作呈脈沖方式,且功率需求大,選擇限流保護(hù)方式,在單個設(shè)備內(nèi)部模塊發(fā)生短路故障時,限流保護(hù)電路將短路電流限制在固定值,避免母線電壓異常下降。由于MOSFET器件在保護(hù)生效后功耗很大,溫度會迅速升高,當(dāng)MOSFET器件溫度高于其允許最高溫度時,通路關(guān)斷。

4 SAR衛(wèi)星配電系統(tǒng)仿真與驗證

采用Saber軟件對SAR衛(wèi)星熔斷器與限流保護(hù)分類應(yīng)用的配電系統(tǒng)建立了仿真模型,并進(jìn)行相應(yīng)的仿真結(jié)果研究和試驗驗證。以GF-3衛(wèi)星為例,平臺電源系統(tǒng)配置10 m2太陽電池陣、2組蓄電池、1臺電源控制器,載荷電源系統(tǒng)配置16 m2太陽電池陣、1組蓄電池、1臺電源控制器,配電系統(tǒng)配置1臺大功率直流-直流變換器。模型以及負(fù)載過流保護(hù)模型的輸入?yún)?shù)見表1,仿真模型見圖3。

表1 輸入?yún)?shù)表Table 1 Input prarmeter table

4．1 能源調(diào)度仿真及試驗結(jié)果分析

平臺電源和載荷電源工作正常時,大功率直流-直流變換器不參與能源調(diào)度。當(dāng)平臺母線發(fā)生故障時,大功率直流-直流變換器工作,輸出＋28 V、600 W時的輸出滿載啟動電壓、輸入浪涌電流、輸出電壓紋波和輸出電壓階躍見圖4所示,可知配電系統(tǒng)的能源調(diào)度能夠滿足衛(wèi)星負(fù)載需求。

4．2 熔斷型過流保護(hù)仿真及試驗結(jié)果分析

選取額定10 A的FM08型熔斷器進(jìn)行仿真和試驗(能夠覆蓋平臺設(shè)備過流保護(hù)需求)。由圖5可見,平臺母線電壓建立后,電壓值穩(wěn)定在28．6 V,紋波電壓300 m V,在光照期或陰影期若負(fù)載發(fā)生短路,平臺母線電流瞬間大幅增加,當(dāng)母線電壓被拉低至低于蓄電池組電壓后,蓄電池組直接供給母線,母線電壓受蓄電池組電壓鉗位,平臺電源由全調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)為不調(diào)節(jié)方式。光照期、陰影期過流保護(hù)曲線相似,分為2個階段:第一階段未串電阻的熔斷器熔斷,母線電壓最低至12．6 V,持續(xù)時間3 ms;第二階段串聯(lián)電阻的熔斷器熔斷,母線電壓最低至20．5 V,持續(xù)時間3 ms。

地面試驗結(jié)果見圖6,第一階段峰值電流為150 A,母線電壓最低至15 V,持續(xù)1．24 ms;第二階段峰值電流為90 A,母線電壓最低至20．1 V,持續(xù)3．4 ms。整個過流保護(hù)過程持續(xù)時間＜5 ms,對母線沖擊程度在負(fù)載設(shè)備承受范圍內(nèi)。地面試驗與仿真數(shù)據(jù)基本一致,主要有兩部分差異:①各階段持續(xù)時間;②熔斷電流和蓄電池組電壓的峰值。經(jīng)分析,這是由于仿真建模時,熔斷時間選取熔斷器手冊中的最大熔斷時間,按照最惡劣條件進(jìn)行分析,且供電通路未考慮感性阻抗的影響。后續(xù)可根據(jù)地面試驗數(shù)據(jù)對仿真模型進(jìn)行完善,對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

4．3 限流保護(hù)仿真及試驗結(jié)果分析

由圖7可見,限流保護(hù)電路在1500μF容性負(fù)載啟動時,將啟動浪涌電流抑制在0．5倍額定電流范圍內(nèi),能夠避免容性負(fù)載啟動時產(chǎn)生浪涌電流過大引起的誤保護(hù)。限流保護(hù)電流在負(fù)載突然發(fā)生短路故障時的限流曲線如圖8所示,母線過流值限制在29 A,峰值電流值限制在40 A,在平臺母線輸出能力70 A、載荷母線輸出能力180 A的承受范圍內(nèi),母線電壓波動在正常范圍內(nèi)。

4．4 在軌驗證情況

GF-3衛(wèi)星在軌測試階段,將大功率直流-直流變換器接通,大功率直流-直流變換器的并聯(lián)控制模塊1～4加電,輸出電壓穩(wěn)定在28．2～28．4 V。衛(wèi)星平臺母線電壓為28．7 V,載荷母線電壓為64．8 V,平臺母線電壓和載荷母線電壓均正常的情況下,大功率直流-直流變換器處于待機(jī)工作,不參與能源調(diào)度,驗證了電源正常情況下能源調(diào)度的邏輯正確性(見圖9)。

5 結(jié)束語

針對SAR衛(wèi)星的雙獨(dú)立母線電源方案和高功率脈沖工作的能源需求特點(diǎn),為GF-3衛(wèi)星設(shè)計了混合式能源分配、熔斷器與限流保護(hù)分類應(yīng)用的配電方案,優(yōu)化了衛(wèi)星能源調(diào)度策略,根據(jù)負(fù)載特點(diǎn)選取合適的過流保護(hù)方式,相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星配電系統(tǒng),在SAR衛(wèi)星應(yīng)用上更具有優(yōu)勢,同時通過建模仿真分析和地面試驗,對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行了驗證,結(jié)果表明:混合式能源分配能夠滿足單母線故障時的衛(wèi)星能源實(shí)時調(diào)度需求,熔斷器保護(hù)能夠滿足衛(wèi)星關(guān)鍵負(fù)載過流保護(hù)需求,限流保護(hù)能夠滿足衛(wèi)星大功率脈沖負(fù)載過流保護(hù)需求,可為后續(xù)國內(nèi)SAR載荷衛(wèi)星配電系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

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Design and Verification of Power Distribution System for SAR Satellite

LI Xiaofei1ZHANG Xiaochen1LIU Yihong1XIA Hui2WU Jianchao2GE Yan3
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 Beijing Spacecrafts,Beijing 100094,China)(3 Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou 730000,China)

According to the characteristics of high voltage and high power SAR payloads,the two independent power buses and the requirements of long life and high reliability,the power distribution scheme with hybrid energy distribution and application of fuses and current-limited protection is designed．The paper takes GF-3 satellite as an example,establishes a simulation model of satellite power distribution system,analyzed the satellite energy distribution and the influence of bus protection on the ground．The results show that the satellite energy distribution is reasonable and the distribution protection is effective．It can meet the power distribution protection requirements and energy security requirements of SAR satellite,and provides a reference for the design of following SAR satellites．

Key words:SAR satellite;power distribution system;hybrid energy distribution

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.017

2017-10-20;

2017-11-24

國家重大科技專項工程

李小飛,男,高級工程師,從事航天器供配電總體設(shè)計工作。Email:lixiaofei116＠163．com。

(編輯:張小琳)