太陽電池陣模擬器對電源系統測試的影響

趙海峰 徐偉 馬力君 韓娜 蔡舉

（中國電子科技集團公司第十八研究所）

0 引言

太陽電池陣—蓄電池電源系統是目前應用最多的衛星電源系統[1-2]。由于太陽電池陣的輸出特性受光照、溫度和負載的影響非常大，在電源系統測試和衛星測試時需要模擬太陽電池陣在軌工作期間各種狀態下的輸出特性，以確認電源系統能夠滿足在軌各種工作模式下的供電要求。考慮到太陽電池陣自身價格的昂貴和外圍環境模擬的復雜性，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，以滿足電源系統和衛星測試的需求。

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電特性的設備，其主要作用是在電源系統或衛星測試、大型試驗等階段模擬太陽電池陣為衛星供電，并為蓄電池組充電[3]。

太陽電池陣模擬器以太陽電池的數學物理模型為基礎，結合計算機控制、現代電力電子和數字技術來實現[4-5]。 當前常用的太陽電池陣模擬器大都采用基于VOC，ISC，VMP以及IMP為基礎的數學模型，其中VOC為開路電壓，近似為太陽電池溫度的一個線性函數；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生影響，進而影響測試的效果。

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特性與太陽電池陣輸出動態特性的符合程度。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出不同的特性，甚至對電源系統測試造成不必要的影響。

2 電源系統的組成和工作原理

某型號衛星電源系統采用最大功率點跟蹤技術，電源系統由太陽電池陣、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將太陽光能轉變為電能，是整個衛星的能量來源[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計，由最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）調節模塊（3個）、電池誤差放大器（Battery Error Amplifier，BEA）模塊、均衡模塊、濾波模塊和下位機模塊組成，主要完成對衛星能源的調節與控制，鋰離子蓄電池組充、放電管理和遙測遙控等功能。

電源系統采用不調節母線，母線電壓受蓄電池組電壓鉗位，母線電壓范圍為24.5～29.05V。電源系統原理框圖如圖1所示。

圖1 電源系統原理框圖

在光照期，太陽電池陣通過MPPT調節電路為星上負載供電，同時為蓄電池組充電。MPPT調節電路設計為8級，分別控制對應的8個太陽電池陣。每級MPPT調節電路的工作狀態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。當方陣輸出功率不能滿足負載和充電需求時，每級MPPT調節電路均處于最大功率點跟蹤狀態；當方陣輸出功率大于負載和充電需求時，MPPT調節電路按順序退出最大功率點跟蹤狀態。在衛星發射主動段及陰影期，蓄電池組放電給衛星供電，滿足整星用電需求；在光照期，太陽電池陣不能滿足負載需求時，蓄電池組補充放電，此時處于聯合供電模式[9]。

MPPT電路控制算法基于硬件電路實現。MPPT控制電路首先對太陽電池陣的輸入電壓和電流進行采樣，通過采樣保持電路和RS觸發器對當前電流或者電壓值與前一狀態的值進行對比，利用觸發器輸出狀態的改變調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，甚至出現不能遵循單調變化的規律，可能引起MPPT電路無法準確找到最大功率點。

3 測試異常現象

電源系統采用8臺E4350B太陽電池模擬器（6A480W）測試，曲線設置為（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 異常現象分析

依據前面的測試結果，初步確定為太陽電池陣模擬器差異導致的。為進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輸出特性進行了測試。在曲線設置參數為38V、35V、2.2A、2A條件下，采用動態特性測試方法測試太陽電池陣模擬器的動態輸出特性，測試結果如圖3～圖6所示；圖7為地面光伏太陽電池陣動態輸出特性曲線（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

通過測試結果可以看出，E4361A（8.5A510W，D組）， E4350B（8A480W，C組）動態輸出特性與真實太陽電池陣動態輸出特性更為接近，未出現明顯的震蕩區域；E4350B（6A480W，B組）動態輸出特性與真實太陽能電池動態輸出特性差別最大，在局部出現震蕩（電壓35～37.5V，電流0.5～1.5A）；E4350B（6A480W，A組）出現震蕩的區域很小。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（局部區域振蕩）直接導致了系統測試過程出現異常現象。

為方便進一步分析，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曲線進行了繪制，結果分別如圖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，在局部區域不能遵循單調變化（局部區域振蕩導致），最終導致MPPT電路未工作在最大功率點的現象。

5 結束語

在順序開關分流調節（S3R）電源系統或順序開關分流串聯調節（S4R）電源系統中[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、功率管及導線壓降），調節頻率一般不大于5kHz，對太陽電池模擬器的動態輸出特性要求不高，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的電源系統中，太陽電池陣模擬器在設定的I-V曲線的大部分區域都會出現，調節頻率一般在30～200kHz之間，電源系統的調節狀態與太陽電池陣模擬器動態輸出特性密切相關。此時太陽電池陣模擬器的動態輸出特性顯得尤為重要，會直接影響電源系統工作狀態，甚至無法滿足電源系統的測試需求。

基于以上分析，采用太陽電池陣模擬器進行最大功率點跟蹤調節電源系統測試時，需要測試太陽電池陣模擬器的輸出動態特性是否滿足要求，不能滿足動態輸出特性要求的太陽電池陣模擬器不能用來進行測試，否則可能導致非預期的結果。