一種檢測SSAS遠端電壓補償連接狀態的簡單方法

光伏發電系統不僅僅在工業領域和民用領域得到了廣泛應用，在空間航天領域，絕大多數衛星系統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。空間衛星的工作環境惡劣並且複雜，環境溫度變化範圍大，日照條件變化迅速，並且空間太陽能電池帆板處於高能粒子輻射條件下

無論是工業應用環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^[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，並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

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採樣電路中添加硬件檢測電阻支路，通過判斷差分電壓採樣電路的採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，及時地進行故障報錯，維護測試現場安全實現可靠測試。

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採樣電路

為了保證空間太陽能電池陣列模擬器的動態響應性能，一般採用全差分比例採樣電路來實現SSAS輸出端電壓採樣，從而完成I-V外環控制功能，如圖1(a)所示，所採用的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。差分採樣電路的輸入信號即為SSAS帶載後，負載端電壓U

由圖1(a)可以推導出理論全差分採樣比例公式如式(1)所示：

在添加硬件在環式輔助電阻R_x比例支路後，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採樣比例，造成差分採樣電路輸出電壓U_{out_sa}偏離理論採樣電壓值。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。由於所選取的R_x遠遠大於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採樣電路的採樣比例不變，不會對理論差分採樣電壓值產生影響。

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測補償端子S+和S-的連接狀態，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，由於測試現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的判定依據推導

差分採樣電路輸入信號補償端子S+和S-，正確連接狀態為S+和S-均正確連接(簡稱S+_Y S-_Y)，錯誤連接狀態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條件下的差分採樣輸出和輸入之間的關係進行理論推導，給出可靠的檢測判斷依據。

1.2.1 S+_Y S-_Y連接狀態

當補償端子S+和S-均正常連接即為正常的差分比例採樣電路，其差分採樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數學關係如式(2)所示：

1.2.2 S+_Y S-_N連接狀態

由圖2(a)的連接電路狀態可以推導出運放OPA同相端引腳電壓U_non-inv如下：

由於S-端子連接線處於斷開狀態，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

由圖2（b）的連接電路狀態可以推導出運放OPA同相端引腳電壓U_non-inv如下：

由於存在U_non-inv=U_inv，可化簡求得差分採樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數學關係如式(10)所示：

1.2.4 S+_N S-_N連接狀態

由圖2(c)的連接電路狀態可以推導出差分採樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數學關係如式(11)所示：

1.2.5 S+和S-反接

由圖2(d)的連接電路狀態可以推導出差分採樣電壓U_{sas_sa}與固定輸入電壓U_sas+和U_sas-之間的數學關係如式(12)所示：

將S+和S-的連接狀態與差分採樣輸出電壓的數學表達式關係總結如表1所示。

分析四種接錯狀態的差分採樣關係等式可以看出，當S+正確連接，S-斷開未正常連接，所提出的差分採樣電路輸出的採樣電壓值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，差分採樣電路輸出的採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採樣輸出電壓與SSAS輸出端口處的差分採樣電壓值進行比較，判斷之間的差值狀態，即可判斷出當前狀態SSAS輸出端口的兩個補償端子連接線S+和S-的連接狀態。

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採樣電路，通過檢測其差分採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，判斷依據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後的差分採樣電路，在正確連接S+和S-的條件下，其差分採樣的輸出端電壓值與不添加硬件檢測電阻支路的差分採樣電路的採樣值是否一致。其次則需要驗證在S+和S-不同的錯誤連接狀態下，所提出的添加硬件檢測電阻支路的差分採樣電路輸出電壓與期望採樣電壓之間是否相差足夠的誤差精度，以利於方便檢測。

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採樣電路是否對期望採樣電壓值無影響。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進行差分採樣電路；圖3(b)為添加所提出的硬件檢測電阻支路，並且補償端子S+和S-正確連接的差分採樣電路。並且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，差分採樣電路採樣輸出電壓為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，差分採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，對應被採樣電壓波形為U_{sas ideal}；當添加硬件檢測電阻支路R_x1和R_x2時，差分採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，對應被採樣電壓波形為U_{sas with detection method}。將仿真波形的數據進行數據處理，可以得到兩者採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，對期望差分採樣電壓輸出的相對誤差精度最差為0.000 83%，幾乎對期望採樣輸出電壓無影響。

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，按照圖3給出的仿真原理圖進行錯誤連接狀態檢測實驗，並且與第1節的理論推導內容進行對比，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，得到在SSAS輸出電壓U_sas在0～170 V範圍變化的採樣輸出電壓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-錯誤連接的狀態下，其輸入採樣電壓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，差分採樣輸出電壓U_{sas_sa S+_Y S-_N}是大於期望條件，即S+和S-均正確連接下的差分採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的採樣電壓值均小於期望輸出值。仿真實驗的結論與第1節的理論推導結論一致，故可以採用所提出的通過添加硬件檢測電阻支路的方法來實現SSAS的補償端子S+和S-的連接狀態。

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採樣電路的差分採樣比例K_sample在U_sas的全電壓範圍內是否發生變化。利用仿真實驗數據得出補償端子每一種連接狀態的採樣比例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電壓範圍內的曲線變化情況，圖6(b)是輸出端電壓U

由圖6的採樣比例K_sample與U_sas的關係曲線對比圖可以看出，只要S+和S-連接狀態確定後，其對應的採樣電路的採樣比例便是固定不變的，所以在整個採樣電壓範圍內補償端子錯誤連接狀態的採樣輸出電壓偏差方向不會改變，可以實現全電壓範圍的線性檢測。但是在SSAS輸出端電壓Usas較低時，採樣比例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-在不同連接狀態下，採樣電路的採樣電壓的相對誤差精度在U_sas全電壓範圍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電壓範圍內的精度曲線變化情況，圖7(b)是輸出端電壓Usas在0～20 V範圍內的細節放大圖。

由圖7的採樣比例Accuracy與U_sas的關係曲線對比圖可以看出，只要S+和S-連接狀態確定後，其對應的採樣電路的採樣精度不變，錯誤連接狀態的最好採樣精度也在4.78%，故無論是數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。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

本文研究了基於空間太陽能電池陣列模擬器補償連接端線的連接狀態的實時檢測問題，提出一種在功率輸出端口的差分採樣電路中添加硬件檢測電阻支路的方法來實現補償連接端子S+和S-的不同連接狀態的檢測和判斷。基於所提出的檢測方法，對補償端子的不同連接狀態下的差分採樣輸入和輸出關係進行了理論推導，並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的可行性和有效性。該補償端子連接狀態的檢測方法，不僅僅適用於空間太陽能電池陣列模擬器設備中，也可以應用於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，可直接應用於實際工程。

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.哈爾濱工業大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱150001；

2.深圳航天科技創新研究院 電力電子所，廣東 深圳518057；

3.哈爾濱工業大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055)

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