SAR卫星配电系统设计与验证

李小飞 张晓晨 刘奕宏 夏辉 吴建超 戈焰

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(2北京卫星制造厂,北京 100094)(3兰州空间技术物理研究所,兰州 730000)

SAR卫星配电系统设计与验证

李小飞1张晓晨1刘奕宏1夏辉2吴建超2戈焰3

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

(2北京卫星制造厂,北京 100094)(3兰州空间技术物理研究所,兰州 730000)

根据合成孔径雷达(SAR)卫星高压大功率有效载荷用电、双独立母线供电等典型特点及长寿命可靠性要求,设计了混合式能源分配、熔断器与限流保护分类应用的配电方案,以高分三号(GF-3)卫星为例,建立了卫星配电系统的仿真模型,对卫星能源分配、熔断器和限流保护对母线影响进行了仿真分析和地面试验验证,结果表明:卫星能源分配合理,供电保护有效,能够满足SAR载荷卫星的配电保护需求和整星能源安全保护需求,可以为我国后续SAR卫星的配电系统设计提供参考。

SAR卫星;配电系统;混合式能源分配

1 引言

合成孔径雷达(SAR)成像卫星具有全天时、全天候高分辨率全球观测能力,从1978年美国成功发射海洋卫星(Seasat)开始,世界各国对SAR卫星的需求越来越旺盛,近10年来SAR卫星已经进入飞速发展时期。随着SAR载荷成像分辨率、幅宽等方面能力的不断提升,SAR卫星对电源系统的要求也相应提高。与传统光学遥感卫星3 k W级、单母线配电需求相比,SAR卫星具有峰值功率大、功率幅值跨度大的特点,功率需求的变化范围可达20 k W。

为满足上述能源需求,目前,国内SAR卫星均采用双独立母线设计,平台采用低压全调节母线,SAR载荷采用高压不调节母线。但双独立母线系统卫星在轨飞行时,当飞行任务需求、所处轨道位置不同或者电源自身故障时,存在双母线能源分配不合理或者单母线能源供给不足的情况,导致卫星能量平衡情况恶化。此外,考虑到SAR卫星长寿命和高可靠性要求,当单个负载发生短路时,应设置供电保护电路切断短路通路,保障电源供电和配电通路的安全性。目前国内卫星普遍采用熔断器作为短路保护手段,但考虑到SAR卫星大功率和脉冲工作特性,在工作过程中可能产生幅值和频率较高的冲击电流,电流热积累会造成熔断器故障,影响熔断器保护的可靠性。因此,SAR卫星配电系统迫切需要解决能源优化配置和功率通路有效保护的问题[1-2]。

本文针对国内SAR载荷卫星能源需求,首先分析SAR卫星配电系统特点,从能源分配方式、过流保护方式等方面进行了方案比较,然后设计了混合式能源分配、熔断器与可恢复式过流保护分类应用的配电系统,能够在卫星能源状态不均衡或平台蓄电池故障情况下,自主进行双母线能源调度,采用Saber仿真工具,对SAR卫星配电系统进行建模分析,并通过卫星地面测试和在轨测试验证了设计方案的正确性。

2 SAR卫星配电系统特点分析

2．1 能源分配方式

1)集中式能源分配方式

集中式能源分配方式为卫星配置一级配电器和直流-直流变换器,在一次供电端进行通路控制,并通过直流-直流变换器实现一次电源集中变换和EMC隔离,以满足负载设备的不同用电需求。集中式能源分配方式多见于国外SAR卫星,由于采用单母线设计,卫星所需配电设备少,配电网络简洁,成本低,缺点在于变换功率集中,对配电设备耐高压大电流的能力要求较高,配电系统可靠性低,且当系统结构复杂时控制时效性较低。

2)分散式能源分配方式

分散式能源配电方式为卫星各条母线用电设备分别实现电源变换和开关控制,将整星功率分散到各条母线上,让多个配电器和直流-直流变换器负责各自区域的能源控制与管理。分散式能源分配方式多见于国内SAR卫星,由于采用双独立母线设计,按固定比例将卫星能源分配至各条母线,降低了各母线对应配电设备的功率压力,各配电区域独立工作,有效限制配电网络故障扩散,缺点在于配电设备数量增加,卫星配电网络被分割,不同配电网络之间不能实现能源交换,配电方式灵活性差,配电系统为满足可靠性所付出的代价增大。

3)混合式能源分配方式

混合式能源分配方式是在分散式能源分配方式基础上加入协调控制单元,用于调整各个分散式配电区域的能源供给,协调控制单元在各分散式配电区域能源供给正常时不参与能源调度,当某个配电区域能源供给异常时,协调控制单元执行能源调度,将其它配电区域的富裕能源分配至异常配电区域,保证配电区域的能源供应。该方式的可靠性和容错性较好,既能充分利用分散式能源分配的优点,又能规避其自身的缺点,能够较好地满足国内双母线SAR卫星的配电需求。

2．2 过流保护方式

1)熔断型过流保护

熔断型过流保护是对母线功率通路进行不可恢复式断开从而实现短路保护。在负载短路情况下,短路电流使熔断器在数毫秒内生成大量热量达到熔断温度[3-4]。这种电路结构简单、实现方式简便,但熔断器由于发生保护动作后不可恢复,不能用于关键设备和分系统级供电保护,应用范围小。此外,熔断器不可靠因素较多,存在因浪涌电流等瞬间应力导致失效的可能,尤其对于存在电感、电容的滤波电路,在过渡过程中可能产生幅值和频率较高的冲击电流,电流热积累会造成熔断器的异常熔断,熔断器的熔断时间为毫秒级,熔断过程中会拉低输入电压,影响对其余设备的供电。

2)可恢复型过流保护

可恢复型过流保护电路利用限流保护电路场效应晶体管(MOSFET)开关特性对母线功率进行可恢复式过流保护,与熔断型短路保护电路相比,具有响应快、可恢复、可远程控制等优点[5],可以用于分系统级供电保护,主要有反时限保护和限流保护两种类型[6-8]。反时限保护基于I2t为常值的保护曲线来控制功率通路的通断,短路电流越大,则保护时间越短,该方式适用于空间站等大型航天器的高功率负载过流保护,电路结构较为复杂、成本高。限流保护具备MOSFET驱动和限流延时保护功能,适合启动电流较大的负载,且能够降低短路过程对母线的冲击,电路结构较为简单、成本适中,非常适用于SAR卫星的供电保护需求。

3 SAR卫星配电系统设计

SAR卫星载荷具有高功率、脉冲工作的特点,配电系统设计需要同时兼顾合理分配整星能源、抑制SAR载荷工作产生的电磁兼容性(EMC)干扰和供电通路有效保护的需要,因此,卫星配电系统采用混合式能源分配、熔断器与限流保护分类应用的配电方案,以满足SAR卫星的上述需求。

3．1 卫星能源调度策略

为保证SAR卫星在轨期间负载正常工作,配电系统设计了双向大功率直流-直流变换作为协调控制单元,当某一条母线出现无输出或输出功率不满足当前负载需求情况造成母线电压异常下降时,大功率直流-直流变换器启动工作,建立双母线功率交互的通路[9],将正常工作母线富裕功率分配至故障母线,稳定异常母线电压。

针对卫星正常工作模式和单母线故障模式进行能源分析。图1为两母线电源系统正常模式下的示意图,图中电源系统A和电源系统B在光照期和阴影期独立工作,为各自负载A和B供电,此时大功率直流-直流变换器不工作,配电通路1和2断开。图2为单母线电源系统故障模式的示意图,假设电源系统A工作正常,电源系统B由于太阳电池阵、蓄电池组或电源控制器故障,母线B无法满足对应负载能源需求,当母线B电压出现异常下降时,大功率直流-直流变换器接通配电通路1,将母线A的富裕功率分配至母线B,维持母线B对应负载B的能源供给。

3．2 负载过流保护方式选择

按照SAR卫星负载性质、使用需求及地面测试需求进行过流保护方式选择。对于卫星数管、测控、控制等服务分系统,由于分系统功能非常关键不允许在轨执行断电动作,且设备功率需求平稳,选择非平衡并联式熔断型过流保护方式,避免由于过流保护电路误动作带来的风险。非平衡并联双熔断器电路中电流分配情况可知,串联限流电阻的熔断器通路电流是无限流电阻的熔断器通路电流的1/19,若单个熔断器随机失效,仍能实现保护功能,在过流情况下,未串电阻熔断器先熔断,串联电阻的熔断器接着熔断,可以降低过流保护过程中母线电压波动[10]。对于SAR载荷、热控等服务分系统,工作呈脉冲方式,且功率需求大,选择限流保护方式,在单个设备内部模块发生短路故障时,限流保护电路将短路电流限制在固定值,避免母线电压异常下降。由于MOSFET器件在保护生效后功耗很大,温度会迅速升高,当MOSFET器件温度高于其允许最高温度时,通路关断。

4 SAR卫星配电系统仿真与验证

采用Saber软件对SAR卫星熔断器与限流保护分类应用的配电系统建立了仿真模型,并进行相应的仿真结果研究和试验验证。以GF-3卫星为例,平台电源系统配置10 m2太阳电池阵、2组蓄电池、1台电源控制器,载荷电源系统配置16 m2太阳电池阵、1组蓄电池、1台电源控制器,配电系统配置1台大功率直流-直流变换器。模型以及负载过流保护模型的输入参数见表1,仿真模型见图3。

表1 输入参数表Table 1 Input prarmeter table

4．1 能源调度仿真及试验结果分析

平台电源和载荷电源工作正常时,大功率直流-直流变换器不参与能源调度。当平台母线发生故障时,大功率直流-直流变换器工作,输出＋28 V、600 W时的输出满载启动电压、输入浪涌电流、输出电压纹波和输出电压阶跃见图4所示,可知配电系统的能源调度能够满足卫星负载需求。

4．2 熔断型过流保护仿真及试验结果分析

选取额定10 A的FM08型熔断器进行仿真和试验(能够覆盖平台设备过流保护需求)。由图5可见,平台母线电压建立后,电压值稳定在28．6 V,纹波电压300 m V,在光照期或阴影期若负载发生短路,平台母线电流瞬间大幅增加,当母线电压被拉低至低于蓄电池组电压后,蓄电池组直接供给母线,母线电压受蓄电池组电压钳位,平台电源由全调节转为不调节方式。光照期、阴影期过流保护曲线相似,分为2个阶段:第一阶段未串电阻的熔断器熔断,母线电压最低至12．6 V,持续时间3 ms;第二阶段串联电阻的熔断器熔断,母线电压最低至20．5 V,持续时间3 ms。

地面试验结果见图6,第一阶段峰值电流为150 A,母线电压最低至15 V,持续1．24 ms;第二阶段峰值电流为90 A,母线电压最低至20．1 V,持续3．4 ms。整个过流保护过程持续时间＜5 ms,对母线冲击程度在负载设备承受范围内。地面试验与仿真数据基本一致,主要有两部分差异:①各阶段持续时间;②熔断电流和蓄电池组电压的峰值。经分析,这是由于仿真建模时,熔断时间选取熔断器手册中的最大熔断时间,按照最恶劣条件进行分析,且供电通路未考虑感性阻抗的影响。后续可根据地面试验数据对仿真模型进行完善,对参数设置进行调整。

4．3 限流保护仿真及试验结果分析

由图7可见,限流保护电路在1500μF容性负载启动时,将启动浪涌电流抑制在0．5倍额定电流范围内,能够避免容性负载启动时产生浪涌电流过大引起的误保护。限流保护电流在负载突然发生短路故障时的限流曲线如图8所示,母线过流值限制在29 A,峰值电流值限制在40 A,在平台母线输出能力70 A、载荷母线输出能力180 A的承受范围内,母线电压波动在正常范围内。

4．4 在轨验证情况

GF-3卫星在轨测试阶段,将大功率直流-直流变换器接通,大功率直流-直流变换器的并联控制模块1～4加电,输出电压稳定在28．2～28．4 V。卫星平台母线电压为28．7 V,载荷母线电压为64．8 V,平台母线电压和载荷母线电压均正常的情况下,大功率直流-直流变换器处于待机工作,不参与能源调度,验证了电源正常情况下能源调度的逻辑正确性(见图9)。

5 结束语

针对SAR卫星的双独立母线电源方案和高功率脉冲工作的能源需求特点,为GF-3卫星设计了混合式能源分配、熔断器与限流保护分类应用的配电方案,优化了卫星能源调度策略,根据负载特点选取合适的过流保护方式,相比传统的卫星配电系统,在SAR卫星应用上更具有优势,同时通过建模仿真分析和地面试验,对设计结果进行了验证,结果表明:混合式能源分配能够满足单母线故障时的卫星能源实时调度需求,熔断器保护能够满足卫星关键负载过流保护需求,限流保护能够满足卫星大功率脉冲负载过流保护需求,可为后续国内SAR载荷卫星配电系统设计提供参考。

References)

[1]马世俊．卫星电源技术[M]．北京:中国宇航出版社,2001:376-379 Ma Shijun．Satellite power technology[M]．Beijing:China Astronautics Press,2001:376-379(in Chinese)

[2]张晓峰,张文佳,郭伟峰,等．国外SAR卫星电源系统分析与启示[J]．航天器工程,2015,24(3):107-112 Zhang Xiaofeng,Zhang Wenjia,Guo Weifeng,et al．Analysis and enlightenment of electrical power system for SAR satellite[J]．Spacecraft Engineering,2015,24(3):107-112(in Chinese)

[3]马季军,屈诚志,陈明勤,等．微型管状熔断器高电压低气压下熔断特性研究[J]．载人航天,2014．20(4):334-340 Ma Jijun,Qu Chengzhi,Chen Mingqin,et al．Fusing characteristics of micro tubular fuse in high voltage and vacuum environment[J]．Manned Spaceflight,2014,20(4):334-340(in Chinese)

[4]穆肯德R帕特尔．航天器电源系统[M]．韩波,陈琦,崔晓婷,译．北京:中国宇航出版社,2010:324-330 Mukund R Pate1．Spacecraft power system[M]．Han Bo,Chen Qi,Cui Xiaoting,translated．Beijing:China Astronautics Press,2010:324-330(in Chinese)

[5]姜东升,陈琦,张沛,等．航天器供配电智能管理技术研究[J]．航天器工程,2012,21(4):100-105 Jiang Dongsheng,Chen Qi,Zhang Pei,et al．Study on intelligent management technology for spacecraft electrical power[J]．Spacecraft Engineering,2012,21(4):100-105(in Chinese)

[6]张沛,柳新军,姜东升．航天器可恢复式过流保护技术研究[J]．航天器工程,2012,21(6):67-73 Zhang Pei,Liu Xinjun,Jiang Dongsheng．Research on recoverable over-current prevention technology for spacecraft[J]．Spacecraft Engineering,2012,21(6):67-73(in Chinese)

[7]郑建超．故障电流限制器发展现状与应用前景[J]．中国电机工程学报,2014,34(29):5140-5148 Zheng Jianchaon．Current status and application prospect of fault current limiters[J]．Proceedings of the CSEE,2014,34(29):5140-5148(in Chinese)

[8]郑先成,张晓斌,高朝晖,等．航天器新型固态配电技术研究[J]．宇航学报,2008,29(4):1430-1434 Zheng Xiancheng,Zhang Xiaobin,Gao Zhaohui,et al．Study of novel solid-state power distribution technology for spacecraft application[J]．Journal of Astronautics,2008,29(4):1430-1434(in Chinese)

[9]张大鹏,孟宪会．一种航天器间并网供电方案的研究[J]．航天器工程,2009,18(5):101-107 Zhang Dapeng,Meng Xianhui．Research on parallel operation between power support systems of different spacecrafts[J]．Spacecraft Engineering,2009,18(5):101-107(in Chinese)

[10]梁晓锋,武逸然,仪德英．一种基于固态功率控制器的过流保护方法研究[J]．航天器工程,2013,22(6):80-85 Liang Xiaofeng,Wu Yiran,Yi Deying．Study of overcurrent prevention based on SSPC[J]．Spacecraft Engineering,2013,22(6):80-85(in Chinese)

Design and Verification of Power Distribution System for SAR Satellite

LI Xiaofei1ZHANG Xiaochen1LIU Yihong1XIA Hui2WU Jianchao2GE Yan3
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)
(2 Beijing Spacecrafts,Beijing 100094,China)(3 Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou 730000,China)

According to the characteristics of high voltage and high power SAR payloads,the two independent power buses and the requirements of long life and high reliability,the power distribution scheme with hybrid energy distribution and application of fuses and current-limited protection is designed．The paper takes GF-3 satellite as an example,establishes a simulation model of satellite power distribution system,analyzed the satellite energy distribution and the influence of bus protection on the ground．The results show that the satellite energy distribution is reasonable and the distribution protection is effective．It can meet the power distribution protection requirements and energy security requirements of SAR satellite,and provides a reference for the design of following SAR satellites．

Key words:SAR satellite;power distribution system;hybrid energy distribution

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.017

2017-10-20;

2017-11-24

国家重大科技专项工程

李小飞,男,高级工程师,从事航天器供配电总体设计工作。Email:lixiaofei116＠163．com。

(编辑:张小琳)