Ертаев Арман Ашимтайулы, магистрант 2 курса Агротехнического университета им. С. Сейфуллина, город Астана

Европейское космическое агентство широко применяет в системах электроснабжения (СЭС) космических аппаратов S3R-структуру, позволяющую уменьшить массу комплекса управления системой электроснабжения (КУСЭС) и энергетические потери в канале «солнечная батарея — нагрузка» [1]. Регулирование мощности солнечной батареи (СБ) осуществляется по принципу коммутации её секций на общую шину аккумуляторной батареи (АБ) и нагрузки. Но в S3R-структуре подключение любой секции СБ к резервной АБ невозможно, что сказывается на живучести СЭС. В НПЦ «Полюс» широко используется структура СЭС с экстремальным регулятором. Однако для малых космических аппаратов (массой 100–500 кг) этот подход в силу ряда причин может оказаться неуместным [2]. Вместе с тем известна структура СЭС [3], позволяющая обойтись без использования импульсных преобразователей в основном энергетическом канале. Концепция её топологии предусматривает применение нескольких АБ, нескольких секций СБ и возможность работы всей системы при отказе одного из элементов.

Данная СЭС включает в себя две никельметаллгидридных АБ — АБ1 и АБ2, 16 секций СБ и КУСЭС. Последний, в свою очередь, имеет резервированные ключи солнечной батареи К1—К32, ключи коммутации нагрузки ККН1 и ККН2, резервированную микроконтроллерную систему управления (СУ), модуль управления ключами солнечных батарей МУКСБ, устройство управления ККН— УУККН, датчики токов секций СБ и токов АБ, напряжений АБ, блок-измеритель БИ и резервированный источник питания РИП, содержащий преобразователи напряжения и схему включения аварийного режима. СУ имеет информационную шину обмена с бортовым комплексом управления БКУ.

СУ осуществляет управление силовыми ключами с помощью оптронных драйверов, расположенных в МУКСБ и УУККН. Коммутация ключей К1—К32 осуществляется таким образом, что каждая секция СБ может быть одновременно подключена только на АБ1 или на АБ2. В свою очередь ККН1 и ККН2 коммутируют шины АБ1 и АБ2 на выходную шину так, что в нормальном режиме одна из АБ обязательно подключена к нагрузке, а в аварийном режиме обе отключены. Сигнал аварийного режима формируется при снижении напряжения АБ до минимального значения и поступает в СУ, которая до момента снятия аварийного сигнала изменяет алгоритм управления ключами К1—К32. РИП подключен ко всем секциям СБ, обеим АБ и через развязывающие диоды запутывает узлы КУСЭС.

В нормальном режиме работы принцип действия СЭС основан на поддержании достаточного уровня мощности на шинах аккумуляторов путем коммутации секций СБ. Управление ключами организовано по принципу подчиненного регулирования напряжения АБ.

Главный контур — регулирование напряжения на АБ. Исходя из уровня напряжения АБ регулятор I_У (U_АБ) вырабатывает сигнал I_У, который является током задатчиком для подчиненного контура регулирования. Регулятор I_У (U_АБ) стремится поддерживать напряжение АБ в диапазоне заданных значений U_МИН < U_АБ < U_МАКС. Когда U_АБ достигает максимального значения U_МАКС, сигнал I_У устанавливается в нуль. Такой режим работы назван «Поддержание заряда в АБ». При снижении U_АБ до значения U^_МИН сигнал I_У устанавливается в значение, количественно равное максимально допустимому зарядному току АБ. Этот режим работы назван «Заряд АБ».

В процессе работы СЭС возмущения в виде тока нагрузки I_Н или параметров вольт-амперной характеристики (ВАХ) СБ (I_КЗ, U_ХХ) приводят к изменению тока АБ на величину I относительно тока установки I_У. Регулятор тока стремится подавить это отклонение так, чтобы оно не превышало максимально допустимой величины I_З и выдает соответствующий сигнал m на коммутацию ключей К1—К32.

Такая структура в НПЦ «Полюс» ещё не использовалась, поэтому требуется провести ее исследование с помощью имитационной модели, в которой должны изменяться количество ключей СБ, параметры ВАХ секций СБ, циклограмма освещенности и нагрузки, физические параметры аккумуляторов, алгоритм работы микроконтроллерной СУ.

Структура такой модели состоит из блока-задатчика параметров орбиты (БЗПО), имитирующего угол освещения солнечной батареи в процессе функционирования СЭС на орбите, блока-задатчика параметров СБ (БЗПСБ), имитирующего ВАХ секции СБ в соответствии с сигналом БЗПО; КУСЭС, имитирующего работу ключей солнечной батареи (КСБ), работу СЭС в нормальном и аварийном режимах ^® и работу системы управления (СУ). В структуре имеются две (в общем случае может быть больше) аккумуляторных батареи АБ1, АБ2, которые образуют общую шину с нагрузкой Rн, изменяющейся во времени по заданной циклограмме. Система управления имитационной моделью (СУ ИМ СЭС) предназначена для задания параметров названных блоков, монитор — для визуализации контролируемых параметров моделируемых процессов.

Чтобы модель позволяла гибко управлять количеством ключей СБ, предложена схема замещения СЭС, в которой регулируемый источник первичной энергии (РИПЭ) для шин АБ1, АБ2 замещен управляемыми СБ (УСБ1, УСБ2), которые имитируют ступенчатое увеличение или уменьшение токовой составляющей ВАХ одной секции СБ — iСБnK(t) или iСБmK(t) в соответствии с сигналами СУ (m и n) и K(t) — сигналом коэффициента освещенности БЗПО. Таким образом, задавая максимальные значения n и m и предварительно настраивая ВАХ одной секции СБ при полной освещенности, получаем математическое описание модели регулируемого источника первичной энергии (РИПЭ), которое возможно реализовать в пакете MatLab.

Имитационная модель СЭС реализована в программе SimPowerSys-tems пакета MatLab. УСБ1, УСБ2 в соответствии со схемой замещения представлены здесь как USB1, USB2, которые электрически представляют собой управляемые источники тока с обратной связью по напряжению и имитируют общую ВАХ секций СБ, подключенных к АБ. Функциональная связь тока и напряжения описана на языке C в блоке программы Simulink. Модель задана эмпирической формулой [4] и настраивается по точкам Iкз, Iопт, Uхх, Uопт (токи короткого замыкания и экстремальной мощности, напряжения холостого хода и экстремальной мощности). В процессе моделирования USB1, USB2 имитируют электрические параметры СБ на орбите в соответствии с задающими сигналами K(t), m, n.

Модели аккумуляторов AB1 и AB2 взяты из программы SimPowerSystems, адаптированы к модели и позволяют с достаточной точностью настраивать зарядную и разрядную характеристики АБ.

Модель R4_Block имитирует схему включения аварийного режима и реализована из блоков программы Simulink. При моделировании отслеживается напряжение на АБ и в случае достижения на любой из них минимально допустимого уровня вырабатывается сигнал R4Out для отключения нагрузки и перехода в аварийный режим работы СУ (Control system). При достижении максимально допустимого уровня сигнал снимается и возобновляется штатный режим работы.

Модель циклограммы нагрузки Load состоит из блоков программы Simulink и PowerSystems и представляет собой зависимый источник тока, реализующий функцию I(t) = R4OutP(t)/U(t). Функция мощности P(t) задана в виде прямоугольных импульсов, а напряжение U(t) поступает с датчика напряжения выходной шины. Сигнал коэффициента R4Out поступает с модели R4_Block и в штатном режиме равен 1. А в аварийном режиме равен 0, что позволяет имитировать работу ККН как в штатной, так и в аварийной ситуациях.

Модель коэффициента освещенности BZPO реализована из блоков программы Simulink и отражает изменение угла наклона плоскости СБ к лучу солнечного освещения и нахождение космического аппарата в тени Земли по разрывной функции K(t):

K(t) = |sin (ωt)|·[A(ωt) + B(ωt)],

где А(ωt) и B(ωt) — единичные разрывные функции, которые равны нулю при отсутствии освещенности СБ.

Модель СУ Controlsystem содержит блоки программы Simulink, которые имитируют мажоритарные элементы, и модели резервированных микроконтроллеров (ММК), которые выполнены в программе Stateflow. Модели МК построены по принципу разделения алгоритма работы на логические блоки и представления их работы на языке UML [5, 6].

Структурно ММК разделена на две группы программных блоков (ПБ). В один моделируемый такт поочередно вызываются все ПБ, т. е. работают параллельно друг с другом и каждый из них составляет различные режимы работы основного алгоритма, называемые состояниями. Между состояниями происходят переходы в ответ на инициирующие условия. В результате переходов производятся необходимые операции, а также могут выдаваться сигналы для других ПБ, которые принято называть событиями.

ПБ управления АБ идентичны друг другу и имитируют работу контуров регулирования токов и напряжений АБ. В моменты переходов между их состояниями в
каждый моделируемый такт времени формируются события на подключение или отключение секций СБ (m±1, n±1) для ПБ управления УСБ для примера приведено состояние УУСБ1, реализованное в программе Stateflow. УУСБ1 в соответствии с событием m±1 производит «холостые» переходы между одним состоянием Out, выполняя при этом вызов одной из функций на поочередное подключение секции (событие ON), отключение секции (событие OFF) или подключение секций в аварийном режиме работы (событие R4). Вызываемые функции логической обработки AddBS, SubBS и KeyR4 описаны на языке MatLab и в свою очередь формируют вектор [m], обозначающий количество секций СБ, подключенных к АБ1. Представление данных в виде вектора [m] позволяет корректно имитировать работу мажоритарных элементов, сравнивающих значения параллельно работающих микроконтроллеров резервированной СУ.

Результаты моделирования позволяют заключить, что имитационная модель СЭС построена и функционирует в соответствии с заложенной в неё логикой работы. С помощью этой модели можно наглядно имитировать различные режимы работы СЭС, что позволяет оценивать преимущества и недостатки системы.

Выявлен недостаток основного алгоритма работы КУСЭС — избыточное циклирование АБ при достаточной мощности СБ. При этом частота циклирования связана с глубиной разряда, которая в свою очередь определяется значениями UМИН и UМАКС в подчиненном контуре регулирования напряжения АБ. Скорость заряда и разряда АБ зависит от соотношения возмущающих СЭС воздействий IН, IКЗ, UХХ, значений тока уставки IУ и допускаемого отклонения тока IЗ. Нежелательный раз-ряд АБ вызван дискретностью регулируемого тока IАБ и присутствием разрядного тока АБ в режиме «Поддержание заряда в АБ», что может при «нулевом» энергобалансе привести к аварийной ситуации и что необходимо учесть в дальнейшем.

Литература

1. Power system challenges for small satellite missions [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www. clyde-space. com/documents/1502, свободный (дата обращения: 11.10.2011).
2. Комплекс управления системой электроснабжения малого космического аппарата / В. В. Нар-кевич, В. В. Омельянчук, А. С. Романенко и др. // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. — Томск: Изд-во НТЛ, 2011. — С. 49–54.
3. Пат. 95 191 РФ, МПК H02J 7/34, H02J 7/35. Автономная система электроснабжения с секцио-нированной солнечной батареей / К. Г. Гордеев, В. В. Наркевич, А. С. Романенко, Я. М. Тевелевич,
В. Г. Шевченко (РФ). — № 2 010 106 581 / 22; заявл. 24.02.2010; опубл. 10.06.10. Бюл. № 16.
4. Романенко А. С. Разработка в MatLAB модели солнечной батареи с динамическим освещени-ем / А. С. Романенко, С. С. Какуев // Научная сессия ТУСУР-2010: Матер. докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных. г. Томск, 4–7 мая, 2010 г. — Томск: В-Спектр, 2010. —
Ч. 4. — С. 142–145.
5. Упаев А. Б. Технология разработки программного обеспечения микроконтроллеров с исполь-зованием языка UML // Итоги научно-исследовательских работ и курсового проектирования студен-тов 1–6-х курсов кафедры промышленной электроники: матер. ежегод. науч.-практ. конф. / под ред. канд. техн. наук В. Д. Семенова. — Томск: Том. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники. — 2010. —
Вып. 3. — С. 38–46.
Stateflow User’s Guide [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www. math-works. com/access/helpdesk/help/pdf_doc/stateflow, свободный (дата обращения: 10.10.2011).