趙海峰 徐偉 馬力君 韓娜 蔡舉

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所）

0 引言

太陽電池陣—蓄電池電源系統(tǒng)是目前應(yīng)用最多的衛(wèi)星電源系統(tǒng)[1-2]。由于太陽電池陣的輸出特性受光照、溫度和負(fù)載的影響非常大，在電源系統(tǒng)測試和衛(wèi)星測試時需要模擬太陽電池陣在軌工作期間各種狀態(tài)下的輸出特性，以確認(rèn)電源系統(tǒng)能夠滿足在軌各種工作模式下的供電要求?？紤]到太陽電池陣自身價格的昂貴和外圍環(huán)境模擬的復(fù)雜性，測試期間通常采用太陽電池陣模擬器模擬太陽電池陣的輸出特性，以滿足電源系統(tǒng)和衛(wèi)星測試的需求。

1 太陽電池陣模擬器

太陽電池陣模擬器是模擬太陽電池陣發(fā)電特性的設(shè)備，其主要作用是在電源系統(tǒng)或衛(wèi)星測試、大型試驗等階段模擬太陽電池陣為衛(wèi)星供電，并為蓄電池組充電[3]。

太陽電池陣模擬器以太陽電池的數(shù)學(xué)物理模型為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機(jī)控制、現(xiàn)代電力電子和數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)[4-5]。 當(dāng)前常用的太陽電池陣模擬器大都采用基于VOC，ISC，VMP以及IMP為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，其中VOC為開路電壓，近似為太陽電池溫度的一個線性函數(shù)；ISC為短路電流，近似等于太陽電池的光電流，主要由光照條件所決定；VMP為最大功率點處電壓；IMP為最大功率點處電流[6]。太陽電池模擬器只要定義了VOC，ISC，VMP以及IMP，就可以模擬太陽電池陣在各種復(fù)雜空間條件下實際輸出的I－V和P－V曲線，在地面測試階段代替太陽電池陣為衛(wèi)星供電。太陽電池陣模擬器的輸出特性對I－V和P－V曲線模擬效果會直接產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響測試的效果。

太陽電池陣模擬器模擬太陽電池輸出特性主要包括兩個方面的要求：① 太陽電池陣模擬器輸出的I－V或P－V曲線與真實太陽電池陣輸出曲線的符合程度。② 太陽電池陣模擬器輸出動態(tài)特性與太陽電池陣輸出動態(tài)特性的符合程度。前者，目前使用的太陽電池陣模擬器在正常情況下都能滿足測試要求；后者，不同廠家或不同型號的模擬器可能會有不同，在特定情況下會表現(xiàn)出不同的特性，甚至對電源系統(tǒng)測試造成不必要的影響。

2 電源系統(tǒng)的組成和工作原理

某型號衛(wèi)星電源系統(tǒng)采用最大功率點跟蹤技術(shù)，電源系統(tǒng)由太陽電池陣、鋰離子蓄電池組和電源控制器組成。太陽電池陣的功能是在光照期通過光伏效應(yīng)將太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是整個衛(wèi)星的能量來源[7-8]。鋰離子蓄電池組由額定容量為45Ah的單體電池2并7串組成，是星上儲能部件。電源控制器采用模塊化設(shè)計，由最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）調(diào)節(jié)模塊（3個）、電池誤差放大器（Battery Error Amplifier，BEA）模塊、均衡模塊、濾波模塊和下位機(jī)模塊組成，主要完成對衛(wèi)星能源的調(diào)節(jié)與控制，鋰離子蓄電池組充、放電管理和遙測遙控等功能。

電源系統(tǒng)采用不調(diào)節(jié)母線，母線電壓受蓄電池組電壓鉗位，母線電壓范圍為24.5～29.05V。電源系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 電源系統(tǒng)原理框圖

在光照期，太陽電池陣通過MPPT調(diào)節(jié)電路為星上負(fù)載供電，同時為蓄電池組充電。MPPT調(diào)節(jié)電路設(shè)計為8級，分別控制對應(yīng)的8個太陽電池陣。每級MPPT調(diào)節(jié)電路的工作狀態(tài)均由電池誤差放大器（BEA）和各自的最大功率點跟蹤控制電路決定。當(dāng)方陣輸出功率不能滿足負(fù)載和充電需求時，每級MPPT調(diào)節(jié)電路均處于最大功率點跟蹤狀態(tài)；當(dāng)方陣輸出功率大于負(fù)載和充電需求時，MPPT調(diào)節(jié)電路按順序退出最大功率點跟蹤狀態(tài)。在衛(wèi)星發(fā)射主動段及陰影期，蓄電池組放電給衛(wèi)星供電，滿足整星用電需求；在光照期，太陽電池陣不能滿足負(fù)載需求時，蓄電池組補(bǔ)充放電，此時處于聯(lián)合供電模式[9]。

MPPT電路控制算法基于硬件電路實現(xiàn)。MPPT控制電路首先對太陽電池陣的輸入電壓和電流進(jìn)行采樣，通過采樣保持電路和RS觸發(fā)器對當(dāng)前電流或者電壓值與前一狀態(tài)的值進(jìn)行對比，利用觸發(fā)器輸出狀態(tài)的改變調(diào)整太陽電池陣的工作點，使其收斂于最大功率點PMAX（VMAX，IMAX）。

圖2 MPPT控制示意圖

上述電路穩(wěn)定工作的前提是I-V曲線與實際太陽電池陣輸出的I-V曲線一致；如果太陽電池陣模擬器輸出I-V曲線與實際太陽電池陣輸出的I-V曲線出入較大，甚至出現(xiàn)不能遵循單調(diào)變化的規(guī)律，可能引起MPPT電路無法準(zhǔn)確找到最大功率點。

3 測試異常現(xiàn)象

電源系統(tǒng)采用8臺E4350B太陽電池模擬器（6A480W）測試，曲線設(shè)置為（38V，35V，2.2A，2A）時，第一級，第三級方陣模擬器輸出約為36V、1.5A，未工作在最大功率點，用示波器觀察第一級、第三級太陽電池陣模擬器輸出電壓、電流波形，輸出電壓在34.2～37.5V之間波動，輸出電流在1～2A之間波動。

更換為4臺E4361A太陽電池陣模擬器（8.5A，510W，雙通道），曲線設(shè)置為38V，35V，2.2A，2A時，8級太陽電池陣模擬器輸出均為35V、2A，均處于最大功率點。更換為8臺E4350B方陣模擬器（8A，480W），曲線設(shè)置為38V，35V，2.2A，2A時，8級太陽電池陣模擬器輸出均為35V、2A，均處于最大功率點。

4 異常現(xiàn)象分析

依據(jù)前面的測試結(jié)果，初步確定為太陽電池陣模擬器差異導(dǎo)致的。為進(jìn)一步驗證太陽電池陣模擬器之間，模擬器與太陽電池陣之間輸出特性的差異，對太陽電池陣模擬器動態(tài)輸出特性進(jìn)行了測試。在曲線設(shè)置參數(shù)為38V、35V、2.2A、2A條件下，采用動態(tài)特性測試方法測試太陽電池陣模擬器的動態(tài)輸出特性，測試結(jié)果如圖3～圖6所示；圖7為地面光伏太陽電池陣動態(tài)輸出特性曲線（通道1為輸出端口電壓，通道2為輸出電流）。

圖3 E4350B（6A480W，A組）輸出特性

圖4 E4350B（6A480W， B組）輸出特性

圖5 E4350B（8A480W，C組）輸出特性

圖6 E4361A（8.5A510W，D組）輸出特性

圖7 地面光伏太陽電池陣輸出特性

通過測試結(jié)果可以看出，E4361A（8.5A510W，D組）， E4350B（8A480W，C組）動態(tài)輸出特性與真實太陽電池陣動態(tài)輸出特性更為接近，未出現(xiàn)明顯的震蕩區(qū)域；E4350B（6A480W，B組）動態(tài)輸出特性與真實太陽能電池動態(tài)輸出特性差別最大，在局部出現(xiàn)震蕩（電壓35～37.5V，電流0.5～1.5A）；E4350B（6A480W，A組）出現(xiàn)震蕩的區(qū)域很小。E4350B（6A480W，B組）太陽電池陣模擬器輸出特性與真實太陽電池陣輸出特性的差異（局部區(qū)域振蕩）直接導(dǎo)致了系統(tǒng)測試過程出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

為方便進(jìn)一步分析，對方陣模擬器E4350B（6A480W，B組）輸出的I-V/P-V曲線和地面光伏太陽電池陣輸出的I-V/P-V曲線進(jìn)行了繪制，結(jié)果分別如圖8、圖9所示。

圖8 E4350（6A480W，B組）方陣模擬器輸出的I-V/P-V曲線

圖9 地面太陽電池陣輸出的I-V/P-V曲線

通過對比，可以看出，E4350（6A480W，B組）方陣模擬器輸出的I-V/P-V曲線與真實地面太陽電池陣輸出I-V/P-V曲線差距較大，在局部區(qū)域不能遵循單調(diào)變化（局部區(qū)域振蕩導(dǎo)致），最終導(dǎo)致MPPT電路未工作在最大功率點的現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

在順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)（S3R）電源系統(tǒng)或順序開關(guān)分流串聯(lián)調(diào)節(jié)（S4R）電源系統(tǒng)中[10]，太陽電池陣模擬器工作在I-V曲線上兩點（母線電壓、短路點）或三點（母線電壓、電池組電壓和短路點）之間（忽略二極管、功率管及導(dǎo)線壓降），調(diào)節(jié)頻率一般不大于5kHz，對太陽電池模擬器的動態(tài)輸出特性要求不高，大部分太陽電池陣模擬器都可以滿足測試要求。

在采用最大功率點跟蹤技術(shù)的電源系統(tǒng)中，太陽電池陣模擬器在設(shè)定的I-V曲線的大部分區(qū)域都會出現(xiàn)，調(diào)節(jié)頻率一般在30～200kHz之間，電源系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀態(tài)與太陽電池陣模擬器動態(tài)輸出特性密切相關(guān)。此時太陽電池陣模擬器的動態(tài)輸出特性顯得尤為重要，會直接影響電源系統(tǒng)工作狀態(tài)，甚至無法滿足電源系統(tǒng)的測試需求。

基于以上分析，采用太陽電池陣模擬器進(jìn)行最大功率點跟蹤調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)測試時，需要測試太陽電池陣模擬器的輸出動態(tài)特性是否滿足要求，不能滿足動態(tài)輸出特性要求的太陽電池陣模擬器不能用來進(jìn)行測試，否則可能導(dǎo)致非預(yù)期的結(jié)果。