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

        2022-09-21 10:51:18趙海峰陳杏娜賈文濤
        通信電源技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        趙海峰,徐 偉,陳杏娜,賈文濤,黃 曉

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所,天津 300384)

        1 S3R電源系統(tǒng)概述

        順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)(Sequential Switching Shunt Regulator,S3R)電源系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池陣(發(fā)電)、鋰離子蓄電池組(儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池、蓄電池和負(fù)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(fù)載供電,若太陽(yáng)能電池陣功率不夠,蓄電池組通過(guò)放電調(diào)節(jié)器放電補(bǔ)充供電[5]。若光照期太陽(yáng)能電池陣大于負(fù)載功率,則先滿足蓄電池充電功率需求,剩余功率進(jìn)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(duì)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(jì)時(shí)需要保證太陽(yáng)能電池陣輸出功率大于負(fù)載功率與充電功率之和,即光照區(qū)一般都會(huì)有分流電路處于分流狀態(tài)或分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。但對(duì)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(jì)無(wú)法滿足這些科學(xué)載荷的需求。

        2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

        2.1 需求分析

        通過(guò)分析S3R電源系統(tǒng)工作狀態(tài)可知,僅在太陽(yáng)能電池陣輸出功率大于負(fù)載功率需求與充電功率需求之和時(shí),電源系統(tǒng)才會(huì)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(yáng)能電池電路提前設(shè)置為強(qiáng)制分流狀態(tài),即可實(shí)現(xiàn)不出現(xiàn)分流和分流調(diào)節(jié)。

        2.2 強(qiáng)制分流電路設(shè)計(jì)

        強(qiáng)制分流電路接口如圖2所示。

        圖2 強(qiáng)制分流電路接口

        第1級(jí)到第8級(jí)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(jí)到第8級(jí)。當(dāng)主誤差放大器輸出電壓大于3 V時(shí),第1級(jí)分流電路由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)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(jìn)入分流狀態(tài),對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)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(jí)到第8級(jí)分流電路以同樣的方式投入工作。當(dāng)負(fù)載和充電所需功率穩(wěn)定時(shí),分流電路只會(huì)有一級(jí)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(jí)分流電路處于分流狀態(tài)(導(dǎo)通)或供電狀態(tài)(截止)。

        太陽(yáng)能電池陣輸出電流約為31 A,負(fù)載電流約為14.5 A,充電電流需求為10 A左右。為了實(shí)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(jí)分流電路設(shè)置強(qiáng)制分流接口,由電源下位機(jī)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(qiáng)制分流。強(qiáng)制分流采用電平型指令,電平為高時(shí)執(zhí)行強(qiáng)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(jí)開(kāi)始,強(qiáng)制分流是從第8級(jí)開(kāi)始,所以第5~8級(jí)分流電路僅在分流和供電之間通過(guò)強(qiáng)制分流指令切換,不會(huì)出現(xiàn)分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。由于太陽(yáng)能電池陣可以供電到母線上的功率始終小于負(fù)載功率需求與充電功率需求之和,第1~4級(jí)不會(huì)出現(xiàn)分流和分流調(diào)節(jié)狀態(tài)。

        2.3 強(qiáng)制分流軟件設(shè)計(jì)

        電源下位機(jī)冷啟動(dòng)或熱啟動(dòng)時(shí),軟件強(qiáng)制分流控制功能默認(rèn)禁止,由指令啟動(dòng)。當(dāng)軟件強(qiáng)制分流功能禁止指令發(fā)出時(shí),強(qiáng)制分流電平指令全部輸出低電平;當(dāng)發(fā)出強(qiáng)制分流功能啟動(dòng)指令時(shí),S5~S8強(qiáng)制分流指令輸出默認(rèn)狀態(tài),并進(jìn)入軟件自主判斷流程。同時(shí),設(shè)置上注數(shù)據(jù)塊接受函數(shù),用于強(qiáng)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(qiáng)制分流上注修改參數(shù)表

        軟件強(qiáng)制分流流程如圖3所示,強(qiáng)制分流逐步啟動(dòng)流程如圖4所示,強(qiáng)制分流逐步退出流程如圖5所示。

        圖3 強(qiáng)制分流流程

        圖4 強(qiáng)制分流逐步啟動(dòng)流程

        圖5 強(qiáng)制分流逐步退出流程

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

        2.4 測(cè)試驗(yàn)證

        2020年10月,在電源控制器研制完成后,與蓄電池組及太陽(yáng)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(jìn)行測(cè)試驗(yàn)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(guò)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(hào)設(shè)備上,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證是合理、可行的,具有一定的推廣價(jià)值。

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