0 引言

    光伏发电系统不仅仅在工业领域和民用领域得到了广泛应用，在空间航天领域，绝大多数卫星系统均使用太阳能电池帆板所提供的功率来作为其动力的核心。空间卫星的工作环境恶劣并且复杂，环境温度变化范围大，日照条件变化迅速，并且空间太阳能电池帆板处于高能粒子辐射条件下^[1]，在地面上是无法采用实际太阳能电池帆板来再现卫星在轨运行工作状态时的功率特性曲线输出^[2]。所以高速空间太阳能电池阵列模拟器(Space Solar Array Simulator，SSAS)是卫星电源系统的重要组成部分，其主要任务则是真实地模拟空间太阳能电池阵列在各种负载条件下的输出特性曲线，从而完成航天器电源系统的地面测试阶段，替代真实的太阳能电池帆板，给卫星电源的各个分系统供电的功能^[3]。

    无论是工业应用环境下的光伏源模拟器还是空间太阳能电池阵列模拟器，其需求的基本性能则是模拟给定已知的I-V参考基准曲线，输出相应功率I-V曲线^[4]，故曲线的输出模拟精度是评价太阳能电池阵列模拟器的关键技术指标。但是在实际测试应用环境中，测试电源即太阳能电池阵列模拟器与被测设备之间的功率连接线缆都会存在较长的线缆长度，会影响到太阳阵模拟器的输出I-V曲线的模拟精度，并且测试的功率等级越大，对模拟器的输出精度影响越严重。

    一般电源设备都会在输出端额外添加两个补偿连接线S+和S-，以供用户连接到实际被测设备的输入端口处，从而进行远端电压补偿^[5-6]，提高送入到被测设备输入接口处的功率I-V曲线，提高太阳能电池阵列模拟器的输出I-V功率模拟精度。而测试现场线缆连接为人工连接，存在复杂的不可控因素，不能保证电源设备的补偿端子S+和S-的正确连接。故需要简单地对电源设备的补偿端子连接线S+和S-的当前连接状态进行判断，排除故障连接方式，保证电源设备正常的功率输出。

    本文提出一种简单的远端电压补偿端子连接线的实时检测方法，即在输出端远程电压采样电路中添加硬件检测电阻支路，通过判断差分电压采样电路的采样输出电压的大小与理论期望值电压进行比较，可以方便地实时检测当前远端补偿端子S+和S-的连接状态，及时地进行故障报错，维护测试现场安全实现可靠测试。

1 添加硬件检测电阻支路的检测方法

1.1 添加硬件检测电阻的差分采样电路

    为了保证空间太阳能电池阵列模拟器的动态响应性能，一般采用全差分比例采样电路来实现SSAS输出端电压采样，从而完成I-V外环控制功能，如图1(a)所示，所采用的SSAS构架平台如文献[7]中介绍的2.4 kW的多电平母线跟踪架构。差分采样电路的输入信号即为SSAS带载后，负载端电压U_out两根差分线S+和S-，差分比例电阻分别为R₁和R₂，差分采样输出端电压为U_{sas_sa}。所提出的硬件在环式检测S+和S-的连接状态的方法如图1(b)所示。采用添加两个辅助电阻Rx比例支路，分别连接到SSAS输出端电压U_sas两根差分线U_sas+和U_sas-。

    由图1(a)可以推导出理论全差分采样比例公式如式(1)所示：

    在添加硬件在环式辅助电阻R_x比例支路后，如图1(b)所示，若用户未正确连接补偿端子连接线S+和S-，其辅助电阻Rx的比例支路会影响到最终的理论差分采样比例，造成差分采样电路输出电压U_{out_sa}偏离理论采样电压值。只有当用户完全正常连接两个补偿端子S+和S-(简称S+_Y S-_Y)，负载端电压正线S+与SSAS输出端口处的电压正线U_sas+短接，负载端电压负线S-与SSAS输出端口处的电压正线U_sas-短接。由于所选取的R_x远远大于输出端功率线缆的等效阻抗，故只要用户正确连接补偿端子S+和S-，添加硬件检测电阻支路的差分采样电路的采样比例不变，不会对理论差分采样电压值产生影响。

    所提出的检测电路不仅仅可以在SSAS功率输出前期判断出用户是否正确连接补偿连接端子，也可以在功率输出条件下实时监测补偿端子S+和S-的连接状态，及时上报故障完成关机保护功能。避免了在实时功率输出条件下，由于测试现场线缆人工连接的不确定性所带来的测试问题。

1.2 补偿端子错误连接状态的判定依据推导

    差分采样电路输入信号补偿端子S+和S-，正确连接状态为S+和S-均正确连接(简称S+_Y S-_Y)，错误连接状态的可能性可分为四种，如图2所示。即S+正确连接，S-断开未正确连接(简称S+_Y S-_N)，如图2(a)所示；S+断开未正确连接，S-正确连接(简称S+_N S-_Y)，如图2(b)所示；S+和S-均断开未正确连接(简称S+_N S-_N)，如图2(c)所示；以及S+和S-反接(简称S+ S- Reverse)，如图2(d)所示。分别对每一种错误连接状态条件下的差分采样输出和输入之间的关系进行理论推导，给出可靠的检测判断依据。

1.2.1 S+_Y S-_Y连接状态

    当补偿端子S+和S-均正常连接即为正常的差分比例采样电路，其差分采样电压U_{sas_sa}与固定输入电压U_sas+和U_sas-之间的数学关系如式(2)所示：

1.2.2 S+_Y S-_N连接状态

    由图2(a)的连接电路状态可以推导出运放OPA同相端引脚电压U_non-inv如下：

    由于S-端子连接线处于断开状态，则可以推导出运放反向端引脚电压U_inv如下：

1.2.3 S+_N S-_Y连接状态

    由图2（b）的连接电路状态可以推导出运放OPA同相端引脚电压U_non-inv如下：

    由于存在U_non-inv=U_inv，可化简求得差分采样电压U_{sas_sa}与固定输入电压U_sas+和U_sas-之间的数学关系如式(10)所示：

1.2.4 S+_N S-_N连接状态

    由图2(c)的连接电路状态可以推导出差分采样电压U_{sas_sa}与固定输入电压U_sas+和U_sas-之间的数学关系如式(11)所示：

1.2.5 S+和S-反接

    由图2(d)的连接电路状态可以推导出差分采样电压U_{sas_sa}与固定输入电压U_sas+和U_sas-之间的数学关系如式(12)所示：

    将S+和S-的连接状态与差分采样输出电压的数学表达式关系总结如表1所示。

    分析四种接错状态的差分采样关系等式可以看出，当S+正确连接，S-断开未正常连接，所提出的差分采样电路输出的采样电压值U_{sas_sa}较期望值偏大。而其他三种工况即S+断开未正常连接、S-正常连接，S+和S-均断开以及S+和S-反接，差分采样电路输出的采样电压值较期望值均偏小。

    故判断补偿端子S+和S-是否正确连接的归一化判断条件即为检测所提出的添加硬件检测电阻的差分采样输出电压与SSAS输出端口处的差分采样电压值进行比较，判断之间的差值状态，即可判断出当前状态SSAS输出端口的两个补偿端子连接线S+和S-的连接状态。

2 仿真实验验证

    所提出的通过添加硬件检测电阻支路的差分采样电路，通过检测其差分采样电压值与理论值之间的偏差，作为判断空间太阳能电池阵列模拟器输出端补偿端子S+和S-是否正常连接的判断依据，判断依据的可行性可通过仿真实验来进行验证。首先第一步验证所提出的添加硬件检测电阻支路后的差分采样电路，在正确连接S+和S-的条件下，其差分采样的输出端电压值与不添加硬件检测电阻支路的差分采样电路的采样值是否一致。其次则需要验证在S+和S-不同的错误连接状态下，所提出的添加硬件检测电阻支路的差分采样电路输出电压与期望采样电压之间是否相差足够的误差精度，以利于方便检测。

2.1 添加补偿连接检测方法有效性验证

    仿真实验验证所添加硬件检测电阻支路的差分采样电路是否对期望采样电压值无影响。其中图3(a)为不添加硬件检测电阻支路，对实际负载R_load输出端电压U_out进行差分采样电路；图3(b)为添加所提出的硬件检测电阻支路，并且补偿端子S+和S-正确连接的差分采样电路。并且SSAS输出端电压U_sas从0~170 V线性变化，预设的功率线缆上的正线阻抗R_cable+和回线阻抗R_cable-为0.5 Ω，输出端的负载阻值R_load为10 Ω，差分采样电路采样输出电压为U_{sas_sa}。

    由图3的仿真原理示意图，当未添加所提出的硬件检测电阻支路R_x1和R_x2时，差分采样电路仿真输出电压波形如图4(a)中的U_{sas_sa ideal}波形所示，对应被采样电压波形为U_{sas ideal}；当添加硬件检测电阻支路R_x1和R_x2时，差分采样电路仿真输出电压波形如图4(a)中的U_{sas_sa with detection method}波形所示，对应被采样电压波形为U_{sas with detection method}。将仿真波形的数据进行数据处理，可以得到两者采样电压的相对误差在不同电压Usas条件下的相对误差精度曲线，如图4(b)所示。

    由图4的时域波形对比以及在不同电压值U_sas的相对误差精度曲线可以看出，所添加的硬件检测电阻支路在正确进行补偿端子S+和S-的连接条件下，对期望差分采样电压输出的相对误差精度最差为0.000 83%，几乎对期望采样输出电压无影响。

2.2 补偿端连接错误的检测实验

    将SSAS输出端的补偿端S+和S-在四种错误连接状态，按照图3给出的仿真原理图进行错误连接状态检测实验，并且与第1节的理论推导内容进行对比，从而验证所提出的硬件检测电阻支路对补偿端子错误连接检测的可行性。在仿真实验中模拟出S+和S-的四种错误连接状态，得到在SSAS输出电压U_sas在0～170 V范围变化的采样输出电压Usas_sa波形对比波形如图5所示。

    由图5的时域仿真对比波形可以看出，在所有S+和S-错误连接的状态下，其输入采样电压U_sas是一致的，在该前提条件下，S+正确连接而S-断开未正确连接，只有这一种错误连接状态，差分采样输出电压U_{sas_sa S+_Y S-_N}是大于期望条件，即S+和S-均正确连接下的差分采样电路的输出电压值U_{sas_sa S+_Y S-_Y}。其他几种错误连接状态的采样电压值均小于期望输出值。仿真实验的结论与第1节的理论推导结论一致，故可以采用所提出的通过添加硬件检测电阻支路的方法来实现SSAS的补偿端子S+和S-的连接状态。

    验证在两个补偿端子错误连接时，所添加硬件检测电阻的差分采样电路的差分采样比例K_sample在U_sas的全电压范围内是否发生变化。利用仿真实验数据得出补偿端子每一种连接状态的采样比例K_sample与U_sas之间的对比曲线图如图6所示，其中图6(a)为整个U_sas电压范围内的曲线变化情况，图6(b)是输出端电压U_sas在0～20 V范围内的细节放大图。

    由图6的采样比例K_sample与U_sas的关系曲线对比图可以看出，只要S+和S-连接状态确定后，其对应的采样电路的采样比例便是固定不变的，所以在整个采样电压范围内补偿端子错误连接状态的采样输出电压偏差方向不会改变，可以实现全电压范围的线性检测。但是在SSAS输出端电压Usas较低时，采样比例K_sample是呈非线性变化，故该检测方法存在一个最小检测电压的条件，由仿真可以看出该最小检测输入电压在5 V以下。

    补偿端子S+和S-在不同连接状态下，采样电路的采样电压的相对误差精度在U_sas全电压范围0～170 V的对比精度曲线如图7所示。其中图7(a)为整个U_sas电压范围内的精度曲线变化情况，图7(b)是输出端电压Usas在0～20 V范围内的细节放大图。

    由图7的采样比例Accuracy与U_sas的关系曲线对比图可以看出，只要S+和S-连接状态确定后，其对应的采样电路的采样精度不变，错误连接状态的最好采样精度也在4.78%，故无论是数字还是模拟电路都可以准确地检测出补偿端子S+和S-的错误连接状态。同样，SSAS输出电压较低时，相对误差精度较小，故该检测方法存在一个最小检测电压的条件，由仿真可以看出该最小检测输入电压在5 V以下。

3 结论

    本文研究了基于空间太阳能电池阵列模拟器补偿连接端线的连接状态的实时检测问题，提出一种在功率输出端口的差分采样电路中添加硬件检测电阻支路的方法来实现补偿连接端子S+和S-的不同连接状态的检测和判断。基于所提出的检测方法，对补偿端子的不同连接状态下的差分采样输入和输出关系进行了理论推导，并给出了仿真验证实验，实验的结论也说明所提出检测方法及判断依据的可行性和有效性。该补偿端子连接状态的检测方法，不仅仅适用于空间太阳能电池阵列模拟器设备中，也可以应用于任何具有补偿连接端子的电源设备中，添加硬件电路简便成本低，判断方法简单可靠，可直接应用于实际工程。

参考文献

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作者信息:

金珊珊1，2，张东来3，王  超2，王子才1，张  华2

(1.哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨150001；

2.深圳航天科技创新研究院 电力电子所，广东 深圳518057；

3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院，广东 深圳518055)