基于APR控制策略的MPPT電源拓?fù)浼夹g(shù)研究

劉莉

摘 要：本文提出了一種基于APR控制策略的MPPT電源控制系統(tǒng)，對電源系統(tǒng)的工作模式及APR模塊的控制邏輯關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并介紹了多APR模塊并聯(lián)的工作模式，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，為滿足大功率重復(fù)脈沖載荷的需求提供了解決方案。

關(guān)鍵詞：APR控制策略；最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)；多模塊并聯(lián)

1 概述

航天器電源系統(tǒng)一般占整個(gè)航天器重量的 30%以上。如采用傳統(tǒng) S3R 等全調(diào)節(jié)母線架構(gòu)則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)太陽能電池和蓄電池必須按照峰值功率配備，造成了極大的浪費(fèi)。

本文基于APR控制策略的電源控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，使得負(fù)載需求很大時(shí)，太陽能電池一直工作在最大功率輸出狀態(tài)，負(fù)載需求較小時(shí)，太陽能電池工作在一個(gè)合適的功率點(diǎn)，輸出功率與負(fù)載需求功率相平衡且母線電壓工作在容許的范圍內(nèi)，通過對對重復(fù)脈沖功率壓縮技術(shù)進(jìn)行調(diào)研和研究，使壓縮前的功率也就是從一次母線獲取功率為平均功率，而壓縮后的功率為重復(fù)脈沖功率，從而實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)重量和體積的壓縮。

2 基于APR控制策略的母線拓?fù)?/p>

對于上圖方案，已經(jīng)被用于一些ESA科學(xué)任務(wù)，如Mars express、Venus EXPRESS、Rosetta等，經(jīng)三域調(diào)節(jié)獲取穩(wěn)定母線供衛(wèi)星負(fù)載使用；光照期間通過在方陣與母線之間串入的功率調(diào)節(jié)器獲取穩(wěn)定母線，其余調(diào)節(jié)器形式與傳統(tǒng)的全調(diào)節(jié)型母線相同。

3 基于APR控制策略的系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)工作模式有四種（見圖2）：

PSA為太陽陣輸出功率，PLoad為負(fù)載需求功率。

1）工作模式一：

當(dāng)太陽能電池陣可以同時(shí)滿足負(fù)載和充電功率需求時(shí)，方陣功率調(diào)節(jié)器（APR）工作在調(diào)壓模式，即依據(jù)主誤差放大器（MEA）控制母線電壓。

2）工作模式二：

當(dāng)太陽能電池陣可以滿足負(fù)載功率需求，但不能完全滿足充電功率需求時(shí)，方陣功率調(diào)節(jié)器工作在最大功率點(diǎn)控制模式，即依據(jù)MPPT與主誤差放大器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，由充電調(diào)節(jié)器（BCR）對母線電壓和充電進(jìn)行控制；

3）工作模式三：

當(dāng)太陽能電池陣不能滿足負(fù)載功率需求，方陣功率調(diào)節(jié)器（APR）工作在最大功率點(diǎn)控制模式，由 MPPT進(jìn)行調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)，由放電調(diào)節(jié)器（BDR）對母線電壓和放電進(jìn)行控制。

4）工作模式四：

當(dāng)太陽能電池陣無功率輸出時(shí)，由放電調(diào)節(jié)器（BDR）對母線電壓和放電進(jìn)行控制。

用MEA來劃分三域之間的界限，MEA反映了太陽陣輸出功率PSA和負(fù)載需求功率PLoad之間的關(guān)系。域和域之間有一定的死區(qū)，當(dāng)功率輸出與需求平衡時(shí)所對應(yīng)的MEA正好處在域和域之間的切換點(diǎn)時(shí)，可以防止域和域之間的來回切換，從而避免了域和域之間來回切換帶來的母線波動(dòng)。

下面分析了電源控制器各模塊在三域分別對應(yīng)的工作狀態(tài)。

3.1 BDR域

當(dāng)太陽陣的最大輸出功率不能滿足負(fù)載需求時(shí)：PSA-PLoad<0，此時(shí)母線電壓下降，MEA下降到某一值，系統(tǒng)判定輸出功率不足，需要BDR工作輸出功率從而達(dá)到功率平衡，并使母線電壓穩(wěn)定為某一設(shè)定值。此時(shí)工作在BDR域，功率分配情況見BDR域工作圖，最終系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，APR1～APR8全部工作在MPPT模式，使方陣最大功率點(diǎn)輸出，BDR通過調(diào)節(jié)自身的輸出功率穩(wěn)定母線電壓。圖3顯示了BDR域的功率流向。

3.2 BCR域

當(dāng)太陽陣的最大輸出功率能滿足負(fù)載需求但不能滿足此時(shí)的充電功率需求：03.3 APR域

當(dāng)太陽陣的最大輸出功率能滿足負(fù)載需求同時(shí)能滿足BCR最大電流充電需求：PSA-PLoad>Pcharge 時(shí)，母線電壓上升，MEA上升，系統(tǒng)判定輸出功率能滿足負(fù)載需求，同時(shí)能滿足BCR最大電流充電需求，此時(shí)APR1～APR8逐級(jí)工作在MPPT工作模式。

在該模式下，若干級(jí)APR工作于MPPT態(tài)（或者限功率模式）以滿足負(fù)載的需求，以及下一級(jí)APR工作于調(diào)節(jié)母線電壓態(tài)，余下APR處于關(guān)斷狀態(tài)。關(guān)斷狀態(tài)的APR，所對應(yīng)的方陣工作在開路狀態(tài)。圖5顯示了APR域的功率流向。

APR模塊的輸入電壓為29V～100V，母線要求是31±1V，故采用了降壓型DC/DC作為功率調(diào)節(jié)器。通過調(diào)節(jié)占空比來改變太陽能負(fù)載的等效電阻，最終實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤。

此方案中選用了super-buck的電路拓?fù)?，如圖6所示，此拓?fù)渲恍栎^少的儲(chǔ)能器件便可實(shí)現(xiàn)輸入輸出電流電壓較小的紋波，便于最大功率跟蹤電路的采樣以及跟蹤精度的提高，同時(shí)也減輕了重量。

5 APR模塊的控制邏輯關(guān)系

5.1 MPPT算法電路

高脈沖，RS觸發(fā)器的S=1，Q非=0，后級(jí)積分器的輸出Vppt開始線性增加，DC/DC占空比增大，等效電阻減小，Isa增大，功率點(diǎn)開始由P1點(diǎn)向P2點(diǎn)移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)P2點(diǎn)時(shí)，RS觸發(fā)器的R=1，Q非=1，Vppt開始線性減小，功率點(diǎn)由P2開始向P1轉(zhuǎn)移，功率點(diǎn)在P1和P2之間反復(fù)波動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的左右。Vppt的波形為一個(gè)低頻率的三角波，占空比的變化和Vppt一致，最終模擬陣的輸出電壓和輸出電流波形都為此低頻率的三角波，圖9為最大功率跟蹤模式下的太陽陣輸出波形。

5.2 穩(wěn)壓模式算法電路

當(dāng)太陽陣功率很充足時(shí)，MEA會(huì)較高，APR工作在穩(wěn)壓模式，減小APR的功率輸出，使母線電壓穩(wěn)定在容許的范圍里，穩(wěn)壓模式下的控制邏輯如下圖所示：

APR模塊共有三種工作模式：MPPT模式、穩(wěn)壓模式、限流模式。MPPT模式下Vppt控制電流環(huán)最終控制占空比、穩(wěn)壓模式下VMEA控制電流環(huán)最終控制占空比、限流模式下Vref控制電流環(huán)最終控制占空比。

參與控制的電壓信號(hào)有三個(gè)：Vppt、VMEA、Vref；控制點(diǎn)的電壓等于這三個(gè)信號(hào)中電壓最低的一個(gè)，也就是說三個(gè)信號(hào)中誰最低誰控制。

當(dāng)MEA較低且太陽陣最大功率點(diǎn)功率較小時(shí)，MPPT控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，其他控制信號(hào)被屏蔽，APR工作在最大功率跟蹤模式。

當(dāng)MEA較低且太陽陣功率非常充足時(shí)，限功率控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，其他信號(hào)被屏蔽，APR工作在限功率模式，輸出電流限制在8A，輸出功率限制在250W左右。

當(dāng)MEA較高時(shí)，MEA變換控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，其他信號(hào)被屏蔽，APR工作在穩(wěn)壓模式，輸出電流的大小受MEA控制。

6 多APR模塊并聯(lián)工作方式

基于APR控制的電源系統(tǒng)共由8級(jí)APR模塊組成，每一級(jí)APR的工作模式由MEA決定，MEA由高到低的過程中，APR1、APR2……APR8逐級(jí)輸出，每一級(jí)APR都是先進(jìn)入穩(wěn)壓模式，然后再進(jìn)入MPPT模式或限流模式，當(dāng)所有的APR都進(jìn)入MPPT模式或限流模式時(shí)，如果負(fù)載再加重，MEA繼續(xù)降低，電源控制器開始進(jìn)入BCR域，BCR開始工作。圖12 為太陽陣功率不充足時(shí)多模塊APR并聯(lián)邏輯關(guān)系圖。

圖中可以看出這種情況下，每一級(jí)MPPT的切換點(diǎn)MEA都低了很多。隨著負(fù)載的增加MEA逐漸降低，APR1進(jìn)入限流模式輸出電流限制在8A，負(fù)載繼續(xù)增加，此時(shí)MEA降低，APR2進(jìn)入穩(wěn)壓模式，當(dāng)所有的APR模塊進(jìn)入限流模式后，負(fù)載繼續(xù)增加，電源控制器將進(jìn)入BCR域。所有的APR都不可能進(jìn)入MPPT模式，所有APR的控制信號(hào)都是限流信號(hào)，Vppt信號(hào)和VMEA信號(hào)都被屏蔽，在這種情況下，APR工作在恒流模式，而不是穩(wěn)壓模式，此時(shí)MEA和輸出電壓不再有線性關(guān)系，且母線電壓的穩(wěn)定與否不再受APR控制。

7 結(jié)論

本文介紹了一種基于APR控制策略的MPPT電源系統(tǒng)拓?fù)?，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合了目前已有的成熟技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)性能的做大功率輸出，使得空間電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠極大限度的利用太陽電池陣功率，優(yōu)化太陽電池陣設(shè)計(jì)，并為大功率重復(fù)脈沖載荷的激光、通信等航天器電源系統(tǒng)需求提供了解決方案。

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