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AMETEK光伏模拟器在太阳能无人飞行器中的应用
简要介绍
近年来无人飞行器技术得到了长足的发展，在军用、民用领域都逐步开始引人注目。而太阳能驱动无疑是无人飞行器未来的发展方向，尤其在高空可以利用良好的日照条件，尽可能地延长无人飞行器的续航时间，并且非常环保。
不同于太空中的卫星普遍采用的S3R/S4R，也不同于地面光伏发电系统采用的单纯MPPT，这种太阳能无人飞行器的电源控制器所采用的控制策略偏向于采用最大功率点追踪(MPPT)+稳态供电结合的方式，当无人机或飞艇上的电池电量不足需要充电时，采用MPPT来获取尽可能多的能量，而当电池充满后则退出MPPT，工作在稳定的电压点上。实验室中我们使用专用的光伏模拟器来模拟光伏阵列的输出，而这两种不同的工作状态对于光伏模拟器的输出特性的要求是有所冲突的，再加上这种应用所要求的一些其他特性，我们有必要认真审视怎样的光伏模拟器产品才能够满足测试所需。
由于卫星上的功率控制器的分流调制切换频率甚至能高达几十KHz，因此适用于卫星测试的太阳能阵列模拟器产品都是专门设计的线性电源，可以达到微秒级别的负载分流切换恢复时间。虽然这种产品同样也能够支持MPPT的调制方式，但是其体积相对来说比较庞大，单机功率较小，而且价格较为昂贵。
而受益于地面光伏发电市场的爆发性增长，单纯针对采用MPPT的光伏逆变器测试使用的光伏模拟器的可选种类要更为丰富，从针对单片面板的几百瓦的微型逆变器到兆瓦级别的中央逆变器，都可以找到相应的模拟器产品，在性能和价格上也相差很大。
功率等级
太阳能无人机基本都是采用大翼展设计，背部放置较多的太阳能面板，当前的大型太阳能无人机的翼展一般在几十米。而飞艇更是体积庞大，原则上完全能够放置更多的面板。
目前的大型太阳能无人机、飞艇的功率需求已经不低于10KW，并且随着太阳能面板技术的进一步发展，功率会越走越高。与此一致，电压等级也在逐步提升，不像常规卫星上一般在一百伏特以内，可能会达到三、四百伏乃至更高。
图1 Voc=400V,Isc=30A的IV曲线
如果我们直接使用针对卫星测试的太阳能阵列模拟器来搭建这种功率等级的电源测试系统，首先我们就难以找到足够高电压的型号，其次整套系统将体积庞大（可能会需要若干个机柜），价格高昂。而原先针对地面光伏应用的光伏模拟器产品则可以提供单机15KW容纳于3U高度、标准机架宽度的高功率密度，电压等级有600V~1000V可选，更可以支持多机并联至高达MW级别以上的功率，良好地覆盖了大型无人飞行器的功率和电压要求。此外，阿美特克程控电源部也可以提供单台1U高度、标准机架宽度的850W光伏模拟器，以满足不同供电配置的测试需求。
图2 AMETEK针对中、大功率的5/10/15KW光伏模拟器
图3 AMETEK针对微逆的850W光伏模拟器
调制制式
太阳能无人飞行器采用的调制方式一般是MPPT+稳态供电。地面光伏模拟器由于是针对采用MPPT方式的逆变器的测试优化设计的，本质上是一个电流源，输出电容极小以达到更快的输出变化响应速度，并经由高速微处理器的控制回路来确保其输出维持在预设的IV曲线上。一流的光伏模拟器，比如阿美特克的ETS系列，能够支持高达200Hz的MPPT。但目前太阳能无人飞行器的MPPT速度普遍不高，因此当其处于MPPT调制时，一线品牌的地面光伏模拟器一般都可以支持其工作。
但是当飞行器退出MPPT转而进入稳态供电状态时，光伏模拟器的稳压能力不够强，同时其控制器又要维持符合IV曲线的输出，就会容易出现震荡的情形，导致无法正常工作。这是对光伏模拟器本身电路设计时追求支持高速MPPT和稳态工作能力中取得平衡的一个考验。
由于无人飞行器的电源控制器采用的MPPT速度不高，因此我们还可以通过在光伏模拟器输出端外部并联电容的方式，这样虽然对其支持高速MPPT的性能有所影响，但稳压工作能力可以提到提升。
我们可以通过直接将光伏模拟器的输出连接电子负载的简化方式来验证光伏模拟器的稳态输出能力。将光伏模拟器设置输出一条IV曲线，电子负载设置为恒流工作模式，通过设置以一定的频率在两个不同的电流值之间跳变，我们就可以来粗略地检验光伏模拟器对应不同功率需求提供稳态输出时的状况。如下图4是出现震荡的情况，图5是在相同测试设置下并联了1410uF输出电容后的情况，输出波形得到了明显改善。
图4 电子负载脉冲拉载，光伏模拟器输出出现震荡
图5 并联1410uF电容后，光伏模拟器的稳态输出能力得到增强
多通道控制
地面光伏发电系统使用的逆变器以单路输入为主，尤其是功率范围在3~30KW的组串型逆变器。部分逆变器支持多路输入和每路独立的MPPT算法，但路数有限，一般不超过4到6路。而太阳能无人飞行器上的电源控制器往往路数较多，可能会达到10路乃至几十路。
这对于普通的光伏模拟器系统来说会是一个挑战，因为需要其程序能够提供对较多路数的输出控制，并且能够做到同步的输出变化。
阿美特克程控电源部的ETS系列光伏模拟器在这方面具有先天的优势，每一台ETS都是通过以太网口通讯，程序可以同时控制多达48路乃至更多的通道数，并且确保各通道控制的同步性。从图6的ETS控制软件界面上可以看到，每一路的输出都有其清晰的当前输出状态、电压电流功率、报错情况等指示，还提供对所有通道的一致控制。
图6 多路输出的控制界面
图7则抓取了系统中的其中两路输出，当系统控制两路按照相同的条件输出，我们可以看到这两路的输出保持了非常良好的同步性。
图7 两路的同步输出
动态天气变化模拟
高空空气稀薄，不像地面光伏由于云层遮挡等因素而造成较为剧烈的辐照度变化，但辐照度仍然会随时间而变化。
阿美特克程控电源部的ETS提供极为强大的动态天气变化模拟功能，客户可以创建自定义的以秒为步进单位的辐照度/温度天气文档，时间长度不限，ETS能够自动以最高每秒128次的速率线性内插更新IV曲线。该功能使得用户可以方便地设定动态的天气变化过程，例如模拟一整天、一周、一个月乃至更长的时间，模拟阴雨天气、日食过程等，大大减轻客户搭建长时间动态测试平台的工作量。
图8 动态天气文档示例
本文总结
太阳能无人飞行器的光伏配电研究属于较为前沿的研究，缺少现成的对于测试条件和内容的规定，各家科研单位都在探索各自的测试条目。从功率等级、调制制式、多通道能力、动态天气变化模拟等功能和能力来看，阿美特克程控电源部提供的ETS产品倚靠其卓越的产品性能以及强大的配套功能，可以为相关研究提供强大助力。
神州技测作为AMETEK的授权代理商，提供全套测试设备及解决方案，欢迎来电咨询400-808-6255.
