衛星主功率通路短路故障下工作模式分析

章玄 侯睿 趙田 賀奉平 蔣碩 贠磊 李鍵

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094)

隨著航天器有效載荷功率的增加、一次母線電壓不斷提升，衛星大功率能源系統和高壓一次母線的安全性引起了廣泛關注。

衛星的主功率通路是指衛星太陽翼、蓄電池、電源控制器及其互聯通路(含太陽翼驅動機構的功率通路)，還包括供電電纜在熔斷器或其他保護電路之前的部分。衛星的主功率通路一旦發生短路故障，因為沒有有效的短路保護措施，可能會對整星造成災難性的影響[1-2]。

文獻[3-5]主要闡述了太陽翼、太陽翼驅動機構以及母線電弧故障的機理，并未詳細說明短路后系統工作模式發生變化的過程。文獻[6]闡述了衛星電源系統一次母線短路后母線電壓的暫態特性、響應過程和影響因素，同時對熔斷器保護導致母線電壓跌落的影響因素和影響程度進行分析，并提出了相應的解決方案，但并未對沒有有效的短路保護的主功率通路短路進行詳細分析。

本文通過仿真分析了3種不同的衛星主功率通路短路故障下能源系統的工作模式變化過程，分析了其對能源系統的故障關聯影響，為系統級故障容限能力分析提供支撐，進一步提升能源系統的健壯性。

1 衛星主功率通路短路故障模式分析

以較為復雜的高軌順序開關分流調節器(S3R)全調節架構的電源系統為例，衛星主功率通路構成如圖1所示。太陽翼不同分陣的電流通過太陽翼驅動機構中不同的電流環傳輸至電源控制器中的S3R調節器，形成穩定的100 V母線，兩組蓄電池分別通過充電調節器(BCR)、放電調節器(BDR)進行充放電調節控制，形成穩定的母線。在異常情況下，母線電壓低于蓄電池輸出電壓時，通過蓄電池正端和母線之間的二極管，蓄電池向母線放電提供能量。主誤差放大器(MEA)通過母線電壓的比例積分控制輸出MEA信號，并采用三域調節方法對S3R、BCR、BDR進行控制，穩定母線電壓[7]。

根據國際上有報告的主功率通路故障模式，極端情況分為3類：

(1)太陽翼驅動機構在極端、偶發或超期服役狀態下，可能導致環間短路故障，如圖1所示故障F1；

(2)一次母線在有多余物或多重故障狀態下導致的對結構短路，如圖1所示故障F2；

(3)地面電纜由于長時間、多次重復使用、多余物等，極端情況下存在其中100 V母線采樣和蓄電池短路的風險，如圖1所示故障F3。

2 太陽翼驅動機構環間短路故障分析

目前衛星普遍采用S3R母線調節方式，供電的分陣正環電壓接近100 V，被分流的分陣正環電壓接近0 V，處于調節的分陣正環電壓處于0 V/100 V動態變化過程中。不妨以太陽翼驅動機構中滑環正、負分置兩面且滑環與分陣編號順序對應排列為例，導電環間存在約100 V的電壓差的可能性。此時，假設存在功率環間的短路，根據分流調節的狀態，存在調節環與分流環、調節環與供電環、分流環與供電環短路3種狀態。

基于上述分析，建立系統仿真功率通路模型，如圖2所示。南翼分陣為單數編號、北翼分陣為雙數編號，單個分陣短路電流為4.5 A，單個分陣的寄生電容為500 nF。分流管的非理想特性不影響系統工作狀態的變化，因此不妨將分流管的模型等效成理想開關模型。因短路阻抗模型只影響短路環間的壓差，不影響系統工作狀態的變化，不妨設短路阻抗為0。初始狀態下，分流級1～6號處于分流狀態，分流級7號處于調節狀態，分流級8～10號處于供電狀態。

1)調節環與分流環短路

仿真調節環與分流環短路的狀態，即圖2中S1與S11短接，S2與S21短接，仿真波形如圖3所示。在0.06 s將分流級7號與5號短路，則分流級7號對應的太陽翼分陣電流也通過分流級5號分流，主誤差放大信號降低，從而使得分流級6號由分流狀態進入分流調節狀態。由于短路電流從導電環7號流入導電環分流級5號，因此導電環7號的電壓略高于導電環5號，壓差由短路特性決定。若0.07 s，短路消失，在短路未破壞環間絕緣的情況下，系統工作能恢復正常。

注：圖中Bus為母線；Vbus為母線電壓；SW1～SW10為分流級1～10的開關管編號；VSW5～VSW10為分流級5～10的開關狀態；V5～V9為分流級5～9的輸入電壓；S11、S12、S13、S21、S22、S23為不同短路情況的短路點編號；S1、S2為連接短路控制開關兩側接點編號；ARC為短路控制開關的控制信號輸入。

圖3 調節環與分流環短路仿真結果

該情況下，由于兩個分陣電流均通過單個分流級分流，超過單個分流級的分流能力，如果長時間工作在該狀態，存在該分流級開關管擊穿失去調節能力的風險。

2)調節環與供電環短路

仿真調節環與供電環短路的狀態，即圖2中S1與S12短接，S2與S22短接，仿真波形如圖4所示。在0.06 s將分流級7號與9號短路，由于本身分流級7號處于調節狀態，當其處于暫態分流時，分流級9號對應的太陽翼分陣電流也通過分流級7號分流；當其處于暫態供電時，分流級7號與9號均處于供電狀態。因此，主誤差放大信號略有降低，除極端情況外，短路后分流級7號仍處于調節狀態，但分流態時間相比短路前減少。若0.07 s，短路消失，在短路未破壞環間絕緣的情況下，系統工作能恢復正常。

圖4 調節環與供電環短路仿真結果

該情況下，由于存在兩個分陣電流均通過單個分流級分流的工況，超過單個分流級的分流能力，而且處于開關狀態下，此時分陣電容與分流級電感限流的匹配關系也會變化，導致調節過程瞬態電流應力增大和開關損耗增大，存在該分流級開關管擊穿失去調節能力的風險。

3)分流環與供電環短路

仿真分流環與供電環短路的狀態，即圖2中S1與S13短接，S2與S23短接，仿真波形如圖5所示。

圖5 分流環與供電環短路仿真結果

在0.06 s將分流級6號與8號短路，此時分流級8號對應的太陽翼分陣電流通過分流級6號分流，使得主誤差放大信號降低，從而處于調節狀態的分流級由7號調整至6號，所以，當分流級6號處于暫態分流時，分流級8號對應的太陽翼分陣電流也通過分流級6號分流；當其處于暫態供電時，分流級8號與6號均處于供電狀態。若0.07 s，短路消失，在短路未破壞環間絕緣的情況下，系統工作能恢復正常。

該情況下，由于存在兩個分陣電流均通過單個分流級分流的工況，超過單個分流級的分流能力，而且也處于開關狀態下，分陣電容與分流級電感限流的匹配關系變化，導致調節過程瞬態電流應力增大和開關損耗增大，存在該分流級開關管擊穿失去調節能力的風險。

3 一次母線短路故障分析

典型的S3R全調節母線一次母線短路故障模型如圖6所示,極端條件下在地影中，太陽翼無輸出，蓄電池通過BDR向母線供電。典型BDR拓撲為He-boost拓撲，蓄電池和母線之間有直通二極管，母線電壓低于蓄電池輸出電壓時，通過蓄電池正端和母線之間的二極管，蓄電池向母線放電提供能量。以短路點阻抗為0為例，討論極端情況下一次母線短路故障發生后系統的工作模式及變化過程。其他BDR拓撲可采取類似方法進行分析。

注：圖中Bus為母線，batS、batN分別為南、北蓄電池組輸出接口；VBATS、VBATN分別為南、北蓄電池組輸出電壓，IDBY1～IDBY4為蓄電池至母線直通二極管電流;RP為滿載等效電阻，K為一次短路等效開關，Ishort為一次母線電流;Idin1、Idin2分別為南、北蓄電池BDR下支路電流。

若一次母線在有多余物或多重故障狀態下導致對結構短路的故障，在蓄電池至一次母線無完全斷開的限流或過流保護時，仿真故障暫態過程，如圖7所示，短路響應過程如下。

圖7 一次母線短路故障仿真結果

(1)短路時刻t0，母線電流過大，母線電容開始大電流放電，母線電壓迅速下降，母線短路電流超過BDR下支路限流輸出極限；

(2)當母線電壓跌落至蓄電池組電壓，蓄電池組直通二極管開始工作，蓄電池組通過直通二極管輸出至母線，若超過直通二極管電流極限或通路最薄弱的環節，t1/t2時刻，直通二極管或通路最薄弱環節將燒斷；

(3)若短路點未消除，南北蓄電池組直通二極管開路，蓄電池組通過BDR上支路直通至母線，繼續放電，BDR上支路與下支路通過電阻關系分流，直至t3/t4時刻下支路流過電流上升至過流保護點導致觸發BDR輸入過流保護鎖定，BDR下支路無輸出，蓄電池組通過BDR上支路輸出至母線；

(4)若短路點仍未消除，所有BDR上支路燒毀開路，蓄電池組至母線通路斷開，導致蓄電池到母線所有放電通路斷開。

綜上所述，在一次母線極端短路情況下，主要依靠母線電容放電提供瞬態電流和熔斷能力，若一次母線短路無法瞬態熔斷，主要依靠蓄電池至母線的直通通路提供熔斷能力，該情況下，如果不進行保護，可能會導致蓄電池通路損失。

4 地面電纜一次母線與蓄電池短路故障分析

若地面電纜中由于多余物等，導致一次母線采樣與蓄電池地面充放電電纜短路，在圖6所述模型基礎上，將一次母線短路模型調整為一次母線采樣與蓄電池地面充放電電纜短路模型，如圖8所示，不妨考慮有兩組蓄電池組的復雜情況，蓄電池充放電通路上無隔離，短路通路等效阻抗r包括等效線纜阻抗和短路點的等效阻抗，考慮到線纜多點多線不同位置短路的情況，同時依據典型值，短路通路等效阻抗r可取20 mΩ～1 Ω，考慮不同阻抗的影響。

注：r為一次母線與蓄電池短路等效電阻。

仿真如圖9所示。0.004 s時，發生一次母線采樣與蓄電池正端短路，當短路等效阻抗取最小值20 mΩ時，母線被短路蓄電池鉗位，未被短路的蓄電池通過BDR限流向母線放電，給被短路的蓄電池充電，因此母線電壓略高于被短路的蓄電池電壓。短路通路上存在大電流通過，采樣線可能被過流燒毀。

圖9 地面電纜一次母線與蓄電池短路故障仿真結果

當短路通路等效電阻r不斷增大，短路通路電流減小，在BDR限流能力內，則母線電壓仍能維持100 V，如果短路點不消失，蓄電池與母線的短路通路可以等效為母線的負載，在短路點熱耗不會導致故障擴散的情況下，系統仍能維持正常工作。

5 保護改進設計

基于衛星主功率通路短路故障工作模式及其對能源系統的影響，能源系統可針對性設計保護措施如下：

(1)對于太陽翼分陣間短路導致的過流，設計分流級過流保護策略，當過流管過流后，通過關斷分流管實現對分流級自身的保護；

(2)對于一次母線短路可能導致放電通路損失，設計放電通路保護策略或研究新型隔離限流拓撲，使得太陽翼展開后熔斷短路通路整星可以恢復業務；同時在整星可接受的條件下，盡量將負載端保護前移，有條件情況下可集成在電源控制器(PCU)內部；

(3)增加地面通路的隔離保護措施，確保故障不會蔓延。

6 結束語

針對衛星主功率通路短路故障暫態響應復雜難以分析的問題，本文分別建立了太陽翼驅動機構環間短路故障、一次母線短路故障、地面電纜一次母線與蓄電池短路故障等3種主功率通路短路故障的仿真模型，通過最壞情況分析，合理優化了模型規模，并基于仿真分析了3種主功率通路故障模式后能源系統的工作模式及響應過程。基于仿真結果，分析了3種主功率通路短路故障對能源系統的可能的關聯性影響，為衛星能源系統故障容限能力分析提供支撐。此外，本文提出增加分流級過流保護策略、放電通路保護策略和地面通路的隔離保護措施的解決方案，可進一步提升能源系統的健壯性。