关于多域电力系统的分析和介绍

NASA的“猎户座”飞船将能够搭载人类到包括火星在内的深空目的地。“猎户座”计划已经成功完成了在地球轨道上的探索飞行测试1（EFT-1）任务，洛克希德马丁公司的工程师们正在为探索任务1（EM1）的机组成员工作，这是一架绕月飞行的无人驾驶飞机。

四个太阳能电池组和四个锂离子电池组件将为“猎户座”飞船的生命支持、推进、导航和其他系统提供动力。为了确保这些系统能够在长时间的深空任务中获得足够的能量，洛克希德马丁公司的工程师们使用Simulink和Simscape Power Systems开发的“猎户座”动力系统模型进行仿真。

“我们在Simulink中创建的多节点电力模型使我们比以前使用的单节点模型能更精确地进行仿真” ，洛克希德马丁公司的猎户座项目电力系统主管分析师Hector Hernandez如是说。“Simscape Power Systems使得仿真整个电网并仿真更真实的行为变得更加容易。我们现在有能力测量不同组件之间的电压下降，这让我们更深入地了解整个系统的电力质量。”

挑战

几年前，洛克希德马丁公司的工程师们为NASA的星座计划开发了一种电力系统模型，使用的是微软Excel和Visual Basic(VBA)。然而，当工程师们试图检查越来越多的测试用例时，模型却变慢了，偶尔也会崩溃。由于这是一个单节点电源模型，所以该团队不能用它来评估整个系统中的电压下降，或者评估电能质量要求。

洛马公司需要建立一个“猎户座”电力系统的多节点模型，包括它的发电、储能和配电组件，然后运行仿真来验证设计、测试故障条件、验证系统性能和执行任务分析。他们想要的是一种视觉模型，让NASA的同事们能够立即理解，而不用去检查低层次的代码。

猎户座电力系统模型。该模型使工程师能够模拟大量的任务概要，以验证系统的性能和能力。

解决方案

洛克希德马丁公司的工程师使用Simulink和Simscape Power Systems来对猎户座飞船的电力系统进行建模和仿真。

为了对太阳能电池阵列建模，该团队创建了一个用Simscape语言编写的定制太阳能电池模型。为了计算阵列的精确电流电压(IV)曲线，该模型考虑了每块翼板上的电池单元数量，太阳能电池阵列的指向角、阴影以及太阳、行星红外和阿尔贝多等引起的热效应。此外，还考虑了辐射、污染、与微陨星和轨道碎片的碰撞等造成性能下降的因素。

接下来，该团队使用了SimscapePower Systems组件库的标准块和使用Simscape语言开发的定制块，创建了一个锂离子电池模型。该模型描述了电池的滞后效应、温度和电池的充电状态。

继续使用Simscape语言，团队创建了一个自定义的电源负载块，以仿真飞船的推进、引导和其他系统在执行任务时开启和关闭状态下所产生的不同负载。使用集成的电力系统模型，该团队对各种任务工况进行了模拟。他们监测任务和负载变化，仿真故障场景，包括电池故障、开关卡死和在上升和在轨阶段的太阳能阵列故障，以便在开发过程中评估对电力的影响。这些结果被用来指导开发针对失败情况的可能性与协议。

使用Simscape Power Systems，我们创建了一个连接电力和热域的集成电力系统模型，由此我们在任务级仿真中掌握了整体蓝图。如果我们需要对太阳能电池板的发动机进行建模，我们也有能力将这些机械部件整合起来。

—— Lockheed Martin

Hector Hernandez

他们还仿真了大量的任务工况，以确保太阳能电池阵列和电池的大小正确，并在长达数小时的日食场景中考察电力系统的性能。这些仿真的输入是受控系统状态和用MATLAB生成的负载工况的时间轴。

利用MATLAB，该团队对仿真结果进行了后处理与可视化，并利用美国宇航局的国际空间站内部电力系统模拟器产生的结果进行了验证。

结果

开发时间减少了三分之二。“用Simscape Power Systems和Simscape语言，与使用VBA相比，我们开发猎户座电力系统模型少用了大约三分之二的时间”，Hernandez说，“Simscape很直接;它使我们能够比VBA更快更高效地创建自定义组件。”

建立了可重用组件库。“我们已经用Simscape建立了一个定制的组件库，包括电力配电组件，以及电气、热和轨道力学块”，Hernandez说，“从EFT-1中重用几个组件使我们能够对EM-1程序进行快速的转回评估。”

低层次编码最小化。“有了Simulink和Simscape Power Systems，我不需要自己写代码求解系统方程。我构建了自定义的块，以图形方式连接它们，并让求解器自己完成工作”，Hernandez说，“和我一起工作的NASA工程师们都喜欢Simscape模型，因为模型比低级代码更直观。”