0 引言

    光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅僅在工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在空間航天領(lǐng)域，絕大多數(shù)衛(wèi)星系統(tǒng)均使用太陽能電池帆板所提供的功率來作為其動(dòng)力的核心?？臻g衛(wèi)星的工作環(huán)境惡劣并且復(fù)雜，環(huán)境溫度變化范圍大，日照條件變化迅速，并且空間太陽能電池帆板處于高能粒子輻射條件下^[1]，在地面上是無法采用實(shí)際太陽能電池帆板來再現(xiàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行工作狀態(tài)時(shí)的功率特性曲線輸出^[2]。所以高速空間太陽能電池陣列模擬器(Space Solar Array Simulator，SSAS)是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要組成部分，其主要任務(wù)則是真實(shí)地模擬空間太陽能電池陣列在各種負(fù)載條件下的輸出特性曲線，從而完成航天器電源系統(tǒng)的地面測(cè)試階段，替代真實(shí)的太陽能電池帆板，給衛(wèi)星電源的各個(gè)分系統(tǒng)供電的功能^[3]。

    無論是工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下的光伏源模擬器還是空間太陽能電池陣列模擬器，其需求的基本性能則是模擬給定已知的I-V參考基準(zhǔn)曲線，輸出相應(yīng)功率I-V曲線^[4]，故曲線的輸出模擬精度是評(píng)價(jià)太陽能電池陣列模擬器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。但是在實(shí)際測(cè)試應(yīng)用環(huán)境中，測(cè)試電源即太陽能電池陣列模擬器與被測(cè)設(shè)備之間的功率連接線纜都會(huì)存在較長(zhǎng)的線纜長(zhǎng)度，會(huì)影響到太陽陣模擬器的輸出I-V曲線的模擬精度，并且測(cè)試的功率等級(jí)越大，對(duì)模擬器的輸出精度影響越嚴(yán)重。

    一般電源設(shè)備都會(huì)在輸出端額外添加兩個(gè)補(bǔ)償連接線S+和S-，以供用戶連接到實(shí)際被測(cè)設(shè)備的輸入端口處，從而進(jìn)行遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償^[5-6]，提高送入到被測(cè)設(shè)備輸入接口處的功率I-V曲線，提高太陽能電池陣列模擬器的輸出I-V功率模擬精度。而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)線纜連接為人工連接，存在復(fù)雜的不可控因素，不能保證電源設(shè)備的補(bǔ)償端子S+和S-的正確連接。故需要簡(jiǎn)單地對(duì)電源設(shè)備的補(bǔ)償端子連接線S+和S-的當(dāng)前連接狀態(tài)進(jìn)行判斷，排除故障連接方式，保證電源設(shè)備正常的功率輸出。

    本文提出一種簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)端電壓補(bǔ)償端子連接線的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，即在輸出端遠(yuǎn)程電壓采樣電路中添加硬件檢測(cè)電阻支路，通過判斷差分電壓采樣電路的采樣輸出電壓的大小與理論期望值電壓進(jìn)行比較，可以方便地實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前遠(yuǎn)端補(bǔ)償端子S+和S-的連接狀態(tài)，及時(shí)地進(jìn)行故障報(bào)錯(cuò)，維護(hù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)安全實(shí)現(xiàn)可靠測(cè)試。

1 添加硬件檢測(cè)電阻支路的檢測(cè)方法

1.1 添加硬件檢測(cè)電阻的差分采樣電路

    為了保證空間太陽能電池陣列模擬器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，一般采用全差分比例采樣電路來實(shí)現(xiàn)SSAS輸出端電壓采樣，從而完成I-V外環(huán)控制功能，如圖1(a)所示，所采用的SSAS構(gòu)架平臺(tái)如文獻(xiàn)[7]中介紹的2.4 kW的多電平母線跟蹤架構(gòu)。差分采樣電路的輸入信號(hào)即為SSAS帶載后，負(fù)載端電壓U_out兩根差分線S+和S-，差分比例電阻分別為R₁和R₂，差分采樣輸出端電壓為U_{sas_sa}。所提出的硬件在環(huán)式檢測(cè)S+和S-的連接狀態(tài)的方法如圖1(b)所示。采用添加兩個(gè)輔助電阻Rx比例支路，分別連接到SSAS輸出端電壓U_sas兩根差分線U_sas+和U_sas-。

    由圖1(a)可以推導(dǎo)出理論全差分采樣比例公式如式(1)所示：

    在添加硬件在環(huán)式輔助電阻R_x比例支路后，如圖1(b)所示，若用戶未正確連接補(bǔ)償端子連接線S+和S-，其輔助電阻Rx的比例支路會(huì)影響到最終的理論差分采樣比例，造成差分采樣電路輸出電壓U_{out_sa}偏離理論采樣電壓值。只有當(dāng)用戶完全正常連接兩個(gè)補(bǔ)償端子S+和S-(簡(jiǎn)稱S+_Y S-_Y)，負(fù)載端電壓正線S+與SSAS輸出端口處的電壓正線U_sas+短接，負(fù)載端電壓負(fù)線S-與SSAS輸出端口處的電壓正線U_sas-短接。由于所選取的R_x遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出端功率線纜的等效阻抗，故只要用戶正確連接補(bǔ)償端子S+和S-，添加硬件檢測(cè)電阻支路的差分采樣電路的采樣比例不變，不會(huì)對(duì)理論差分采樣電壓值產(chǎn)生影響。

    所提出的檢測(cè)電路不僅僅可以在SSAS功率輸出前期判斷出用戶是否正確連接補(bǔ)償連接端子，也可以在功率輸出條件下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)補(bǔ)償端子S+和S-的連接狀態(tài)，及時(shí)上報(bào)故障完成關(guān)機(jī)保護(hù)功能。避免了在實(shí)時(shí)功率輸出條件下，由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)線纜人工連接的不確定性所帶來的測(cè)試問題。

1.2 補(bǔ)償端子錯(cuò)誤連接狀態(tài)的判定依據(jù)推導(dǎo)

    差分采樣電路輸入信號(hào)補(bǔ)償端子S+和S-，正確連接狀態(tài)為S+和S-均正確連接(簡(jiǎn)稱S+_Y S-_Y)，錯(cuò)誤連接狀態(tài)的可能性可分為四種，如圖2所示。即S+正確連接，S-斷開未正確連接(簡(jiǎn)稱S+_Y S-_N)，如圖2(a)所示；S+斷開未正確連接，S-正確連接(簡(jiǎn)稱S+_N S-_Y)，如圖2(b)所示；S+和S-均斷開未正確連接(簡(jiǎn)稱S+_N S-_N)，如圖2(c)所示；以及S+和S-反接(簡(jiǎn)稱S+ S- Reverse)，如圖2(d)所示。分別對(duì)每一種錯(cuò)誤連接狀態(tài)條件下的差分采樣輸出和輸入之間的關(guān)系進(jìn)行理論推導(dǎo)，給出可靠的檢測(cè)判斷依據(jù)。

1.2.1 S+_Y S-_Y連接狀態(tài)

    當(dāng)補(bǔ)償端子S+和S-均正常連接即為正常的差分比例采樣電路，其差分采樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如式(2)所示：

1.2.2 S+_Y S-_N連接狀態(tài)

    由圖2(a)的連接電路狀態(tài)可以推導(dǎo)出運(yùn)放OPA同相端引腳電壓U_non-inv如下：

    由于S-端子連接線處于斷開狀態(tài)，則可以推導(dǎo)出運(yùn)放反向端引腳電壓U_inv如下：

1.2.3 S+_N S-_Y連接狀態(tài)

    由圖2（b）的連接電路狀態(tài)可以推導(dǎo)出運(yùn)放OPA同相端引腳電壓U_non-inv如下：

    由于存在U_non-inv=U_inv，可化簡(jiǎn)求得差分采樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如式(10)所示：

1.2.4 S+_N S-_N連接狀態(tài)

    由圖2(c)的連接電路狀態(tài)可以推導(dǎo)出差分采樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如式(11)所示：

1.2.5 S+和S-反接

    由圖2(d)的連接電路狀態(tài)可以推導(dǎo)出差分采樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如式(12)所示：

    將S+和S-的連接狀態(tài)與差分采樣輸出電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式關(guān)系總結(jié)如表1所示。

    分析四種接錯(cuò)狀態(tài)的差分采樣關(guān)系等式可以看出，當(dāng)S+正確連接，S-斷開未正常連接，所提出的差分采樣電路輸出的采樣電壓值U_{sas_sa}較期望值偏大。而其他三種工況即S+斷開未正常連接、S-正常連接，S+和S-均斷開以及S+和S-反接，差分采樣電路輸出的采樣電壓值較期望值均偏小。

    故判斷補(bǔ)償端子S+和S-是否正確連接的歸一化判斷條件即為檢測(cè)所提出的添加硬件檢測(cè)電阻的差分采樣輸出電壓與SSAS輸出端口處的差分采樣電壓值進(jìn)行比較，判斷之間的差值狀態(tài)，即可判斷出當(dāng)前狀態(tài)SSAS輸出端口的兩個(gè)補(bǔ)償端子連接線S+和S-的連接狀態(tài)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    所提出的通過添加硬件檢測(cè)電阻支路的差分采樣電路，通過檢測(cè)其差分采樣電壓值與理論值之間的偏差，作為判斷空間太陽能電池陣列模擬器輸出端補(bǔ)償端子S+和S-是否正常連接的判斷依據(jù)，判斷依據(jù)的可行性可通過仿真實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。首先第一步驗(yàn)證所提出的添加硬件檢測(cè)電阻支路后的差分采樣電路，在正確連接S+和S-的條件下，其差分采樣的輸出端電壓值與不添加硬件檢測(cè)電阻支路的差分采樣電路的采樣值是否一致。其次則需要驗(yàn)證在S+和S-不同的錯(cuò)誤連接狀態(tài)下，所提出的添加硬件檢測(cè)電阻支路的差分采樣電路輸出電壓與期望采樣電壓之間是否相差足夠的誤差精度，以利于方便檢測(cè)。

2.1 添加補(bǔ)償連接檢測(cè)方法有效性驗(yàn)證

    仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所添加硬件檢測(cè)電阻支路的差分采樣電路是否對(duì)期望采樣電壓值無影響。其中圖3(a)為不添加硬件檢測(cè)電阻支路，對(duì)實(shí)際負(fù)載R_load輸出端電壓U_out進(jìn)行差分采樣電路；圖3(b)為添加所提出的硬件檢測(cè)電阻支路，并且補(bǔ)償端子S+和S-正確連接的差分采樣電路。并且SSAS輸出端電壓U_sas從0~170 V線性變化，預(yù)設(shè)的功率線纜上的正線阻抗R_cable+和回線阻抗R_cable-為0.5 Ω，輸出端的負(fù)載阻值R_load為10 Ω，差分采樣電路采樣輸出電壓為U_{sas_sa}。

    由圖3的仿真原理示意圖，當(dāng)未添加所提出的硬件檢測(cè)電阻支路R_x1和R_x2時(shí)，差分采樣電路仿真輸出電壓波形如圖4(a)中的U_{sas_sa ideal}波形所示，對(duì)應(yīng)被采樣電壓波形為U_{sas ideal}；當(dāng)添加硬件檢測(cè)電阻支路R_x1和R_x2時(shí)，差分采樣電路仿真輸出電壓波形如圖4(a)中的U_{sas_sa with detection method}波形所示，對(duì)應(yīng)被采樣電壓波形為U_{sas with detection method}。將仿真波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到兩者采樣電壓的相對(duì)誤差在不同電壓Usas條件下的相對(duì)誤差精度曲線，如圖4(b)所示。

    由圖4的時(shí)域波形對(duì)比以及在不同電壓值U_sas的相對(duì)誤差精度曲線可以看出，所添加的硬件檢測(cè)電阻支路在正確進(jìn)行補(bǔ)償端子S+和S-的連接條件下，對(duì)期望差分采樣電壓輸出的相對(duì)誤差精度最差為0.000 83%，幾乎對(duì)期望采樣輸出電壓無影響。

2.2 補(bǔ)償端連接錯(cuò)誤的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

    將SSAS輸出端的補(bǔ)償端S+和S-在四種錯(cuò)誤連接狀態(tài)，按照?qǐng)D3給出的仿真原理圖進(jìn)行錯(cuò)誤連接狀態(tài)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并且與第1節(jié)的理論推導(dǎo)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證所提出的硬件檢測(cè)電阻支路對(duì)補(bǔ)償端子錯(cuò)誤連接檢測(cè)的可行性。在仿真實(shí)驗(yàn)中模擬出S+和S-的四種錯(cuò)誤連接狀態(tài)，得到在SSAS輸出電壓U_sas在0～170 V范圍變化的采樣輸出電壓Usas_sa波形對(duì)比波形如圖5所示。

    由圖5的時(shí)域仿真對(duì)比波形可以看出，在所有S+和S-錯(cuò)誤連接的狀態(tài)下，其輸入采樣電壓U_sas是一致的，在該前提條件下，S+正確連接而S-斷開未正確連接，只有這一種錯(cuò)誤連接狀態(tài)，差分采樣輸出電壓U_{sas_sa S+_Y S-_N}是大于期望條件，即S+和S-均正確連接下的差分采樣電路的輸出電壓值U_{sas_sa S+_Y S-_Y}。其他幾種錯(cuò)誤連接狀態(tài)的采樣電壓值均小于期望輸出值。仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)論與第1節(jié)的理論推導(dǎo)結(jié)論一致，故可以采用所提出的通過添加硬件檢測(cè)電阻支路的方法來實(shí)現(xiàn)SSAS的補(bǔ)償端子S+和S-的連接狀態(tài)。

    驗(yàn)證在兩個(gè)補(bǔ)償端子錯(cuò)誤連接時(shí)，所添加硬件檢測(cè)電阻的差分采樣電路的差分采樣比例K_sample在U_sas的全電壓范圍內(nèi)是否發(fā)生變化。利用仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出補(bǔ)償端子每一種連接狀態(tài)的采樣比例K_sample與U_sas之間的對(duì)比曲線圖如圖6所示，其中圖6(a)為整個(gè)U_sas電壓范圍內(nèi)的曲線變化情況，圖6(b)是輸出端電壓U_sas在0～20 V范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)放大圖。

    由圖6的采樣比例K_sample與U_sas的關(guān)系曲線對(duì)比圖可以看出，只要S+和S-連接狀態(tài)確定后，其對(duì)應(yīng)的采樣電路的采樣比例便是固定不變的，所以在整個(gè)采樣電壓范圍內(nèi)補(bǔ)償端子錯(cuò)誤連接狀態(tài)的采樣輸出電壓偏差方向不會(huì)改變，可以實(shí)現(xiàn)全電壓范圍的線性檢測(cè)。但是在SSAS輸出端電壓Usas較低時(shí)，采樣比例K_sample是呈非線性變化，故該檢測(cè)方法存在一個(gè)最小檢測(cè)電壓的條件，由仿真可以看出該最小檢測(cè)輸入電壓在5 V以下。

    補(bǔ)償端子S+和S-在不同連接狀態(tài)下，采樣電路的采樣電壓的相對(duì)誤差精度在U_sas全電壓范圍0～170 V的對(duì)比精度曲線如圖7所示。其中圖7(a)為整個(gè)U_sas電壓范圍內(nèi)的精度曲線變化情況，圖7(b)是輸出端電壓Usas在0～20 V范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)放大圖。

    由圖7的采樣比例Accuracy與U_sas的關(guān)系曲線對(duì)比圖可以看出，只要S+和S-連接狀態(tài)確定后，其對(duì)應(yīng)的采樣電路的采樣精度不變，錯(cuò)誤連接狀態(tài)的最好采樣精度也在4.78%，故無論是數(shù)字還是模擬電路都可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出補(bǔ)償端子S+和S-的錯(cuò)誤連接狀態(tài)。同樣，SSAS輸出電壓較低時(shí)，相對(duì)誤差精度較小，故該檢測(cè)方法存在一個(gè)最小檢測(cè)電壓的條件，由仿真可以看出該最小檢測(cè)輸入電壓在5 V以下。

3 結(jié)論

    本文研究了基于空間太陽能電池陣列模擬器補(bǔ)償連接端線的連接狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)問題，提出一種在功率輸出端口的差分采樣電路中添加硬件檢測(cè)電阻支路的方法來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償連接端子S+和S-的不同連接狀態(tài)的檢測(cè)和判斷?；谒岢龅臋z測(cè)方法，對(duì)補(bǔ)償端子的不同連接狀態(tài)下的差分采樣輸入和輸出關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并給出了仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)論也說明所提出檢測(cè)方法及判斷依據(jù)的可行性和有效性。該補(bǔ)償端子連接狀態(tài)的檢測(cè)方法，不僅僅適用于空間太陽能電池陣列模擬器設(shè)備中，也可以應(yīng)用于任何具有補(bǔ)償連接端子的電源設(shè)備中，添加硬件電路簡(jiǎn)便成本低，判斷方法簡(jiǎn)單可靠，可直接應(yīng)用于實(shí)際工程。

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作者信息:

金珊珊1，2，張東來3，王  超2，王子才1，張  華2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；

2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院 電力電子所，廣東 深圳518057；

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東 深圳518055)