0 引言

    光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅僅在工業(yè)領域和民用領域得到了廣泛應用，在空間航天領域，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力的核心。空間衛(wèi)星的工作環(huán)境惡劣并且復雜，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際太陽能電池帆板來再現(xiàn)衛(wèi)星在軌運行工作狀態(tài)時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，其主要任務則是真實地模擬空間太陽能電池陣列在各種負載條件下的輸出特性曲線，從而完成航天器電源系統(tǒng)的地面測試階段，替代真實的太陽能電池帆板，給衛(wèi)星電源的各個分系統(tǒng)供電的功能^[3]。

    無論是工業(yè)應用環(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參考基準曲線，輸出相應功率I-V曲線^[4]，故曲線的輸出模擬精度是評價太陽能電池陣列模擬器的關鍵技術指標。但是在實際測試應用環(huán)境中，測試電源即太陽能電池陣列模擬器與被測設備之間的功率連接線纜都會存在較長的線纜長度，會影響到太陽陣模擬器的輸出I-V曲線的模擬精度，并且測試的功率等級越大，對模擬器的輸出精度影響越嚴重。

    一般電源設備都會在輸出端額外添加兩個補償連接線S+和S-，以供用戶連接到實際被測設備的輸入端口處，從而進行遠端電壓補償^[5-6]，提高送入到被測設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。而測試現(xiàn)場線纜連接為人工連接，存在復雜的不可控因素，不能保證電源設備的補償端子S+和S-的正確連接。故需要簡單地對電源設備的補償端子連接線S+和S-的當前連接狀態(tài)進行判斷，排除故障連接方式，保證電源設備正常的功率輸出。

    本文提出一種簡單的遠端電壓補償端子連接線的實時檢測方法，即在輸出端遠程電壓采樣電路中添加硬件檢測電阻支路，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行比較，可以方便地實時檢測當前遠端補償端子S+和S-的連接狀態(tài)，及時地進行故障報錯，維護測試現(xiàn)場安全實現(xiàn)可靠測試。

1 添加硬件檢測電阻支路的檢測方法

1.1 添加硬件檢測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態(tài)響應性能，一般采用全差分比例采樣電路來實現(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構架平臺如文獻[7]中介紹的2.4 kW的多電平母線跟蹤架構。差分采樣電路的輸入信號即為SSAS帶載后，負載端電壓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S+和S-的連接狀態(tài)的方法如圖1(b)所示。采用添加兩個輔助電阻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償端子連接線S+和S-，其輔助電阻Rx的比例支路會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。只有當用戶完全正常連接兩個補償端子S+和S-(簡稱S+_Y S-_Y)，負載端電壓正線S+與SSAS輸出端口處的電壓正線U_sas+短接，負載端電壓負線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遠遠大于輸出端功率線纜的等效阻抗，故只要用戶正確連接補償端子S+和S-，添加硬件檢測電阻支路的差分采樣電路的采樣比例不變，不會對理論差分采樣電壓值產(chǎn)生影響。

    所提出的檢測電路不僅僅可以在SSAS功率輸出前期判斷出用戶是否正確連接補償連接端子，也可以在功率輸出條件下實時監(jiān)測補償端子S+和S-的連接狀態(tài)，及時上報故障完成關機保護功能。避免了在實時功率輸出條件下，由于測試現(xiàn)場線纜人工連接的不確定性所帶來的測試問題。

1.2 補償端子錯誤連接狀態(tài)的判定依據(jù)推導

    差分采樣電路輸入信號補償端子S+和S-，正確連接狀態(tài)為S+和S-均正確連接(簡稱S+_Y S-_Y)，錯誤連接狀態(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(簡稱S+_N S-_Y)，如圖2(b)所示；S+和S-均斷開未正確連接(簡稱S+_N S-_N)，如圖2(c)所示；以及S+和S-反接(簡稱S+ S- Reverse)，如圖2(d)所示。分別對每一種錯誤連接狀態(tài)條件下的差分采樣輸出和輸入之間的關系進行理論推導，給出可靠的檢測判斷依據(jù)。

1.2.1 S+_Y S-_Y連接狀態(tài)

    當補償端子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)學關系如式(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)可以推導出運放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)，則可以推導出運放反向端引腳電壓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)可以推導出運放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)學關系如式(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)學關系如式(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)學關系如式(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)學表達式關系總結如表1所示。

    分析四種接錯狀態(tài)的差分采樣關系等式可以看出，當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。

    故判斷補償端子S+和S-是否正確連接的歸一化判斷條件即為檢測所提出的添加硬件檢測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行比較，判斷之間的差值狀態(tài)，即可判斷出當前狀態(tài)SSAS輸出端口的兩個補償端子連接線S+和S-的連接狀態(tài)。

2 仿真實驗驗證

    所提出的通過添加硬件檢測電阻支路的差分采樣電路，通過檢測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驗來進行驗證。首先第一步驗證所提出的添加硬件檢測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。其次則需要驗證在S+和S-不同的錯誤連接狀態(tài)下，所提出的添加硬件檢測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。

2.1 添加補償連接檢測方法有效性驗證

    仿真實驗驗證所添加硬件檢測電阻支路的差分采樣電路是否對期望采樣電壓值無影響。其中圖3(a)為不添加硬件檢測電阻支路，對實際負載R_load輸出端電壓U_out進行差分采樣電路；圖3(b)為添加所提出的硬件檢測電阻支路，并且補償端子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，預設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，當未添加所提出的硬件檢測電阻支路R_x1和R_x2時，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，對應被采樣電壓波形為U_{sas ideal}；當添加硬件檢測電阻支路R_x1和R_x2時，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，對應被采樣電壓波形為U_{sas with detection method}。將仿真波形的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，可以得到兩者采樣電壓的相對誤差在不同電壓Usas條件下的相對誤差精度曲線，如圖4(b)所示。

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

2.2 補償端連接錯誤的檢測實驗

    將SSAS輸出端的補償端S+和S-在四種錯誤連接狀態(tài)，按照圖3給出的仿真原理圖進行錯誤連接狀態(tài)檢測實驗，并且與第1節(jié)的理論推導內(nèi)容進行對比，從而驗證所提出的硬件檢測電阻支路對補償端子錯誤連接檢測的可行性。在仿真實驗中模擬出S+和S-的四種錯誤連接狀態(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波形對比波形如圖5所示。

    由圖5的時域仿真對比波形可以看出，在所有S+和S-錯誤連接的狀態(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}。其他幾種錯誤連接狀態(tài)的采樣電壓值均小于期望輸出值。仿真實驗的結論與第1節(jié)的理論推導結論一致，故可以采用所提出的通過添加硬件檢測電阻支路的方法來實現(xiàn)SSAS的補償端子S+和S-的連接狀態(tài)。

    驗證在兩個補償端子錯誤連接時，所添加硬件檢測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。利用仿真實驗數(shù)據(jù)得出補償端子每一種連接狀態(tài)的采樣比例K_sample與U_sas之間的對比曲線圖如圖6所示，其中圖6(a)為整個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)的細節(jié)放大圖。

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

    補償端子S+和S-在不同連接狀態(tài)下，采樣電路的采樣電壓的相對誤差精度在U_sas全電壓范圍0～170 V的對比精度曲線如圖7所示。其中圖7(a)為整個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)的細節(jié)放大圖。

    由圖7的采樣比例Accuracy與U_sas的關系曲線對比圖可以看出，只要S+和S-連接狀態(tài)確定后，其對應的采樣電路的采樣精度不變，錯誤連接狀態(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確地檢測出補償端子S+和S-的錯誤連接狀態(tài)。同樣，SSAS輸出電壓較低時，相對誤差精度較小，故該檢測方法存在一個最小檢測電壓的條件，由仿真可以看出該最小檢測輸入電壓在5 V以下。

3 結論

    本文研究了基于空間太陽能電池陣列模擬器補償連接端線的連接狀態(tài)的實時檢測問題，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電阻支路的方法來實現(xiàn)補償連接端子S+和S-的不同連接狀態(tài)的檢測和判斷。基于所提出的檢測方法，對補償端子的不同連接狀態(tài)下的差分采樣輸入和輸出關系進行了理論推導，并給出了仿真驗證實驗，實驗的結論也說明所提出檢測方法及判斷依據(jù)的可行性和有效性。該補償端子連接狀態(tài)的檢測方法，不僅僅適用于空間太陽能電池陣列模擬器設備中，也可以應用于任何具有補償連接端子的電源設備中，添加硬件電路簡便成本低，判斷方法簡單可靠，可直接應用于實際工程。

參考文獻

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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 航天學院，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(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055)