Ametek光伏模擬器應用於太陽能無人飛行器
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近幾年無人飛行器技術得到了長足的發展，在軍用、民用領域都逐步開始引人注目。而太陽能驅動無疑是無人飛行器未來的發展方向，尤其在高空可以利用良好的日照條件，儘可能地延長無人飛行器的續航時間，並且非常環保。
不同於太空中的衛星普遍採用的S3R/S4R，也不同於地面光伏發電系統採用的單純MPPT，這種太陽能無人飛行器的電源控制器所採用的控制策略偏向於採用最大功率點追蹤(MPPT)+穩態供電結合的方式，當無人機或飛艇上的電池電量不足需要充電時，採用MPPT來獲取儘可能多的能量，而當電池充滿後則退出MPPT，工作在穩定的電壓點上。實驗室中我們使用專用的光伏模擬器來模擬光伏陣列的輸出，而這兩種不同的工作狀態對於光伏模擬器的輸出特性的要求是有所衝突的，再加上這種應用所要求的一些其他特性，我們有必要認真審視怎樣的光伏模擬器產品才能夠滿足測試所需。
由於衛星上的功率控制器的分流調製切換頻率甚至能高達幾十KHz，因此適用於衛星測試的太陽能陣列模擬器產品都是專門設計的線性電源，可以達到微秒級別的負載分流切換恢復時間。雖然這種產品同樣也能夠支持MPPT的調製方式，但是其體積相對來說比較龐大，單機功率較小，而且價格較為昂貴。
而受益於地面光伏發電市場的爆發性增長，單純針對採用MPPT的光伏逆變器測試使用的光伏模擬器的可選種類要更為豐富，從針對單片面板的幾百瓦的微型逆變器到兆瓦級別的中央逆變器，都可以找到相應的模擬器產品，在性能和價格上也相差很大。
功率等級
太陽能無人機基本都是採用大翼展設計，背部放置較多的太陽能面板，當前的大型太陽能無人機的翼展一般在幾十米。而飛艇更是體積龐大，原則上完全能夠放置更多的面板。
目前的大型太陽能無人機、飛艇的功率需求已經不低於10KW，並且隨著太陽能面板技術的進一步發展，功率會越走越高。與此一致，電壓等級也在逐步提升，不像常規衛星上一般在一百伏特以內，可能會達到三、四百伏乃至更高。
圖1 Voc=400V,Isc=30A的IV曲線
如果我們直接使用針對衛星測試的太陽能陣列模擬器來搭建這種功率等級的電源測試系統，首先我們就難以找到足夠高電壓的型號，其次整套系統將體積龐大（可能會需要若干個機櫃），價格高昂。而原先針對地面光伏應用的光伏模擬器產品則可以提供單機15KW容納於3U高度、標準機架寬度的高功率密度，電壓等級有600V~1000V可選，更可以支持多機並聯至高達MW級別以上的功率，良好地覆蓋了大型無人飛行器的功率和電壓要求。此外，阿美特克程式控制電源部也可以提供單台1U高度、標準機架寬度的850W光伏模擬器，以滿足不同供電配置的測試需求。
調製制式
太陽能無人飛行器採用的調製方式一般是MPPT+穩態供電。地面光伏模擬器由於是針對採用MPPT方式的逆變器的測試優化設計的，本質上是一個電流源，輸出電容極小以達到更快的輸出變化響應速度，並經由高速微處理器的控制迴路來確保其輸出維持在預設的IV曲線上。一流的光伏模擬器，比如阿美特克的ETS系列，能夠支持高達200Hz的MPPT。但目前太陽能無人飛行器的MPPT速度普遍不高，因此當其處於MPPT調製時，一線品牌的地面光伏模擬器一般都可以支持其工作。
但是當飛行器退出MPPT轉而進入穩態供電狀態時，光伏模擬器的穩壓能力不夠強，同時其控制器又要維持符合IV曲線的輸出，就會容易出現震蕩的情形，導致無法正常工作。這是對光伏模擬器本身電路設計時追求支持高速MPPT和穩態工作能力中取得平衡的一個考驗。
由於無人飛行器的電源控制器採用的MPPT速度不高，因此我們還可以通過在光伏模擬器輸出端外部並聯電容的方式，這樣雖然對其支持高速MPPT的性能有所影響，但穩壓工作能力可以提到提升。
我們可以通過直接將光伏模擬器的輸出連接電子負載的簡化方式來驗證光伏模擬器的穩態輸出能力。將光伏模擬器設置輸出一條IV曲線，電子負載設置為恆流工作模式，通過設置以一定的頻率在兩個不同的電流值之間跳變，我們就可以來粗略地檢驗光伏模擬器對應不同功率需求提供穩態輸出時的狀況。如下圖4是出現震蕩的情況，圖5是在相同測試設置下並聯了1410uF輸出電容後的情況，輸出波形得到了明顯改善。
圖4 電子負載脈衝拉載，光伏模擬器輸出出現震蕩
圖5 並聯1410uF電容後，光伏模擬器的穩態輸出能力得到增強
多通道控制
地面光伏發電系統使用的逆變器以單路輸入為主，尤其是功率範圍在3~30KW的組串型逆變器。部分逆變器支持多路輸入和每路獨立的MPPT演算法，但路數有限，一般不超過4到6路。而太陽能無人飛行器上的電源控制器往往路數較多，可能會達到10路乃至幾十路。
這對於普通的光伏模擬器系統來說會是一個挑戰，因為需要其程序能夠提供對較多路數的輸出控制，並且能夠做到同步的輸出變化。
阿美特克程式控制電源部的ETS系列光伏模擬器在這方面具有先天的優勢，每一台ETS都是通過乙太網口通訊，程序可以同時控制多達48路乃至更多的通道數，並且確保各通道控制的同步性。從圖6的ETS控制軟體界面上可以看到，每一路的輸出都有其清晰的當前輸出狀態、電壓電流功率、報錯情況等指示，還提供對所有通道的一致控制。
圖6 多路輸出的控制界面
圖7則抓取了系統中的其中兩路輸出，當系統控制兩路按照相同的條件輸出，我們可以看到這兩路的輸出保持了非常良好的同步性。
圖7 兩路的同步輸出
動態天氣變化模擬
高空空氣稀薄，不像地面光伏由於雲層遮擋等因素而造成較為劇烈的輻照度變化，但輻照度仍然會隨時間而變化。
阿美特克程式控制電源部的ETS提供極為強大的動態天氣變化模擬功能，客戶可以創建自定義的以秒為步進單位的輻照度/溫度天氣文檔，時間長度不限，ETS能夠自動以最高每秒128次的速率線性內插更新IV曲線。該功能使得用戶可以方便地設定動態的天氣變化過程，例如模擬一整天、一周、一個月乃至更長的時間，模擬陰雨天氣、日食過程等，大大減輕客戶搭建長時間動態測試平台的工作量。
圖8 動態天氣文檔示例
本文總結
太陽能無人飛行器的光伏配電研究屬於較為前沿的研究，缺少現成的對於測試條件和內容的規定，各家科研單位都在探索各自的測試條目。從功率等級、調製制式、多通道能力、動態天氣變化模擬等功能和能力來看，阿美特克程式控制電源部提供的ETS產品倚靠其卓越的產品性能以及強大的配套功能，可以為相關研究提供強大助力。
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