微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制策略研究

韓尚卿

天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 天津 300301

引言

微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)可靠供電是整星各分系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提,當(dāng)前,在軌航天器普遍采用太陽能電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電的方式維持整星能源平衡。

按控制策略分類,可將微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)所采用的能量傳輸方式分為直接能量傳輸(DET)方式和最大功率點追蹤(MPPT)能量傳輸方式。相應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 DET 能量傳輸方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 MPPT 能量傳輸方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DET 能量傳輸方式中,使用分流調(diào)節(jié)器與太陽能電池陣并聯(lián),太陽能電池陣產(chǎn)生的能量直接傳遞至母線,通過分流調(diào)節(jié)器消耗多余能量,屬耗散型分系統(tǒng)[1,2]。

MPPT 能量傳輸方式中,使用串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器與太陽能電池陣串聯(lián),通過串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器控制太陽能電池陣的輸出功率,可實現(xiàn)以太陽能電池陣最大功率進(jìn)行輸出,屬非耗散型分系統(tǒng)[1,2]。

DET 和MPPT 能量傳輸方式的特點如表1所示。

表1 DET 和MPPT 能量傳輸方式特點

1 微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為最大程度利用太陽能電池陣輸出功率,提高能源轉(zhuǎn)化效率,本文采用MPPT 能量傳輸方式。采用MPPT 能量傳輸方式的微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)由太陽能電池陣發(fā)電單元、蓄電池組充放電單元、FPGA 控制器等部分組成,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 太陽能電池仿真

由圖3可知,太陽能電池陣通過串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器接入直流母線,蓄電池組通過充電調(diào)節(jié)器(BCR)和放電調(diào)節(jié)器(BDR)接入直流母線,各通道負(fù)載通過DC/DC變流器接入直流母線。各監(jiān)測點的電壓、電流等信號通過AD采集芯片發(fā)送至FPGA,AD 芯片完成系統(tǒng)狀態(tài)量信號采集與實時監(jiān)控,FPGA 實時識別異常狀態(tài)并進(jìn)行故障診斷與處理。

FPGA 控制器通過向各變流器發(fā)送PWM 控制信號,實現(xiàn)整星電源系統(tǒng)控制,包括太陽能電池陣MPPT 控制、蓄電池充放電控制、故障診斷與處理等,最終實現(xiàn)微小衛(wèi)星太陽能電池陣和蓄電池組聯(lián)合供電系統(tǒng)的智能化運行。

太陽能電池吸收光能后,生成電子空穴對,電子和空穴在電場作用下分離,在太陽能電池正極與負(fù)極間形成電勢差,最終將太陽光能量轉(zhuǎn)化為電能。

太陽能電池等效電路如圖4所示。

圖4中,U、I分別為太陽能電池輸出電壓、輸出電流。Isc為太陽能帆板在一定光照強(qiáng)度下產(chǎn)生的激發(fā)電流,其數(shù)值受光照強(qiáng)度等因素影響。二極管電流Id為P-N 結(jié)總擴(kuò)散電流。Rsh為電池旁路電阻,Rs為電池串聯(lián)電阻,可用電池內(nèi)阻等效。

太陽能電池等效模型的表達(dá)式為:

圖4 太陽能電池等效電路

鑒于旁路電阻值Rsh很大,串聯(lián)電阻值Rs很小,將式(2-1)簡化為:

與輸出特性緊密相關(guān)的主要參數(shù)包括:開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點Pm、最大功率點處對應(yīng)的電壓Um和電流Im。由于環(huán)境因素將影響太陽能電池輸出性能,將光照和溫度參數(shù)列入表達(dá)式中,可得如下公式:

其中,

Tref-溫度參考值

Rref-光照強(qiáng)度參考值

α-電流變化系數(shù) (A m ps/°C)

β-電壓變化系數(shù) (V /°C)

在MATLAB/Simulink中建立太陽能電池仿真模型,如圖5所示。

圖5 太陽能電池等效模型仿真圖

太陽能電池仿真模型中主要參數(shù)見表2所示。

表2 太陽能電池仿真參數(shù)

當(dāng)溫度固定,光照強(qiáng)度不同時,太陽能電池等效模型I-U 仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果與光伏特性曲線一致,太陽能電池電流輸出能力隨光照強(qiáng)度增加而增強(qiáng)、隨光照強(qiáng)度減少而減弱。

圖6 太陽能電池I-U 仿真結(jié)果圖

當(dāng)溫度固定,光照強(qiáng)度不同時,太陽能電池等效模型P-U 仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果與光伏特性曲線一致,太陽能電池功率輸出能力隨光照強(qiáng)度增加而增強(qiáng)、隨光照強(qiáng)度減少而減弱。

圖7 太陽能電池P-U 仿真結(jié)果圖

可見,若能通過某種技術(shù)手段,使太陽能電池在變化的光照強(qiáng)度下始終輸出最大功率,即始終工作于最大功率點,將大大提高能源轉(zhuǎn)化效率以及太陽能電池的供電能力。

3 MPPT 控制策略

MPPT 控制方法眾多,包括恒定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等。每種方法各具特點,考慮到擾動觀察法具有復(fù)雜度較低且跟蹤性能較高等優(yōu)點,本文采用擾動觀測法作為MPPT 控制策略。

當(dāng)太陽能電池內(nèi)阻為Ri,外部負(fù)載為R,占空比為T 時,存在關(guān)系式Ri=R(1-T)2,若R 數(shù)值固定,通過調(diào)節(jié)占空比,可調(diào)節(jié)太陽能電池內(nèi)阻阻抗。

MPPT 工作原理為:當(dāng)太陽能電池所處環(huán)境動態(tài)變化時,通過控制算法調(diào)節(jié)串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器工作狀態(tài)來改變太陽能電池內(nèi)阻阻抗,當(dāng)電池內(nèi)阻與外部負(fù)載阻抗相等時,可使太陽能電池輸出最大功率。

3.1 定步長MPPT 控制策略 為太陽能電池輸出電壓初始值指定某一移動方向和步長,輸出電壓初始值按指定移動方向移動,通過判斷輸出電壓的移動趨勢是否逼近最大功率點工作電壓Um,確定下一時刻輸出電壓的移動方向,最終使輸出電壓追蹤到最大功率點工作電壓Um。擾動觀測法原理圖如圖8所示。

圖8 擾動觀測法原理圖

依據(jù)擾動觀測法原理,當(dāng)輸出電壓初始值位于Um左側(cè)時,假設(shè)輸出電壓移動方向為向右移動,移動后:

若Δp＞0,可知電壓移動方向正確,此時電壓值正接近Um,下次移動應(yīng)繼續(xù)沿該方向進(jìn)行；

若Δp＜0,可知電壓移動方向錯誤,電壓值正遠(yuǎn)離Um,下次移動應(yīng)沿相反方向進(jìn)行。

同理,可知初始輸出電壓值位于Um右側(cè)時輸出電壓的動態(tài)追蹤過程。定步長最大功率點追蹤過程的流程圖如圖9所示:

圖9 定步長追蹤流程圖

如圖9所示,定步長最大功率點追蹤過程為:k時刻,通過電壓傳感器、電流傳感器采集太陽能電池輸出電壓U(k)和輸出電流I(k),可知太陽能電池輸出功率P(k)=U(k)*I(k),若上一時刻輸出功率為P(k-1),為追蹤到最大功率點,通過比較P(k)和P(k-1),可知下一時刻輸出電壓移動方向。

定步長追蹤控制策略簡單有效,但由于該方法步長固定,造成對最大功率點的追蹤速率和追蹤精度存在沖突。若步長小,則MPPT 追蹤精度高,但追蹤速度慢；若步長大,則MPPT 追蹤速度快,但精度低。此外,定步長MPPT 控制策略易在最大功率點附近發(fā)生震蕩,造成母線電壓紋波過大。發(fā)生震蕩的原因為:若輸出電壓初始值與步長不匹配,逼近最大功率點時,輸出電壓難以恰好移動到Um處,一般會在Um兩側(cè)反復(fù)震蕩。

3.2 變步長MPPT 控制策略 由于定步長MPPT 控制策略存在缺陷,本文采用變步長MPPT 控制策略,通過在不同的追蹤階段下,選擇適當(dāng)時機(jī)改變步長或停止追蹤,可兼顧追蹤速度與追蹤精度,并避免在最大功率點處發(fā)生震蕩。

為規(guī)避定步長最大功率點追蹤策略缺陷,設(shè)置參數(shù)a和參數(shù)b,在追蹤過程中,計算k、k-1時刻的功率差Δp,并依據(jù)Δp設(shè)置多級步長,第一級步長采用較大步長,第二級步長采用較小步長。

若Δp＞a,此時距離最大功率點較遠(yuǎn),應(yīng)以更快速度趨近最大功率點,采用第一級步長；

若b＜Δp≤a,此時距離最大功率點較近,只需細(xì)微變化,便可趨近最大功率點,應(yīng)以更高精度趨近最大功率點,采用第二級步長；

若Δp≤b,此時輸出功率非常趨近于最大功率點,二者功率值近似相等,選取該點為最大功率點,為避免震蕩,停止追蹤。

變步長MPPT 控制策略流程圖如圖10所示。

圖10 變步長MPPT 控制策略流程圖

3.3 仿真分析 在MPPT 能量傳輸系統(tǒng)中,串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為DC/DC變流器,為滿足應(yīng)用需求且控制成本,本文采用Boost變流器。

在MATLAB/Simulink中,將太陽能電池等效模型和MPPT 控制策略算法分別封裝,將太陽能電池與串聯(lián)開關(guān)調(diào)節(jié)器串聯(lián)后接入直流母線,采用MPPT 控制信號驅(qū)動DC/DC,建立采用MPPT 控制策略下的太陽能電池發(fā)電仿真模型如圖11所示,仿真環(huán)境參數(shù)選取常規(guī)溫度和光照強(qiáng)度,即T=25℃,S=1000W/m2。

圖11 太陽能發(fā)電仿真模型

定步長MPPT 控制策略下,當(dāng)定步長設(shè)置為0.002時,太陽能帆板輸出功率、輸出電壓、輸出電流隨時間變化的仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 定步長仿真結(jié)果圖

通過仿真結(jié)果可知,通過定步長MPPT 控制,仿真結(jié)果收斂,太陽能電池可追蹤至最大功率點工作,并穩(wěn)定輸出功率,為整星各分系統(tǒng)負(fù)載有效供電。MPPT 到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間為0.037s,追蹤速度快,但由于步長較大,追蹤到的最大功率點與理論值存在較大偏差,即追蹤精度差。此外,在最大功率點附近出現(xiàn)反復(fù)震蕩的情況,這將導(dǎo)致母線出現(xiàn)紋波,影響供電質(zhì)量,不利于負(fù)載正常工作。

當(dāng)定步長設(shè)置為0.0005時,太陽能帆板輸出功率、輸出電壓、輸出電流隨時間變化的仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 定步長仿真結(jié)果圖

通過仿真結(jié)果可知,通過定步長MPPT 控制,仿真結(jié)果收斂,太陽能電池可追蹤至最大功率點工作,并穩(wěn)定輸出功率,為整星各分系統(tǒng)負(fù)載有效供電。MPPT 到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間為0.075s,追蹤到的最大功率點與理論值接近,即追蹤精度高,但由于步長較小,導(dǎo)致追蹤速度慢。此外,在最大功率點附近依然出現(xiàn)反復(fù)震蕩的情況。值得注意的是,相對于圖12仿真結(jié)果而言,振幅隨步長變小而明顯減小,即母線出現(xiàn)的紋波減弱。

由前文分析可知,變步長MPPT 控制策略可兼顧追蹤速度與追蹤精度,并避免在最大功率點處發(fā)生震蕩,變步長MPPT 控制策略仿真結(jié)果如圖14所示,此時,一級步長設(shè)置為0.002,二級步長設(shè)置為0.0005。

圖14 變步長仿真結(jié)果圖

通過仿真結(jié)果可知,MPPT 到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時間為0.05s。調(diào)節(jié)時間介于圖12和圖13之間,較圖12有所增加的原因為:為提高精度,設(shè)置了較小的二級步長,導(dǎo)致追蹤后期收斂速度減慢,但調(diào)節(jié)時間依然處于合理范圍內(nèi)。二級步長的設(shè)置有效提升了追蹤精度,追蹤到的最大功率點與理論值接近,即追蹤精度高,且在最大功率點附近不再出現(xiàn)反復(fù)震蕩的情況,使供電質(zhì)量顯著提升,從而更好的保障整星各分系統(tǒng)負(fù)載正常工作。

綜上所述,變步長MPPT 控制策略可有效克服定步長MPPT 控制策略的缺陷,兼顧追蹤速度與追蹤精度,同時避免最大功率點附近出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文通過建立太陽能電池陣等效模型,進(jìn)行太陽能電池仿真建模,分析比較定步長MPPT 控制策略和變步長MPPT 控制策略,進(jìn)行基于MPPT 的太陽能發(fā)電單元的仿真建模,驗證了MPPT 控制策略在微小衛(wèi)星電源系統(tǒng)控制中的優(yōu)勢與有效性。