高壓大功率S3MPR電源控制器設(shè)計與驗證

謝偉 靳洋 董寶磊 董夢雪 藍(lán)建宇 林志松 何小斌

(上?？臻g電源研究所 空間電源國家重點實驗室，上海 200245)

空間電源系統(tǒng)是保證航天器可靠運行的重要子系統(tǒng)之一。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器對電能的需求越來越大，其負(fù)載功率已達(dá)數(shù)十千瓦[1]。在深空探測領(lǐng)域，由于光照的變化，傳統(tǒng)的直接能量傳輸(DET)[2]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得太陽能利用率較低。為了提高太陽電池的利用率，最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)得到了廣泛研究與應(yīng)用[3-7]。

傳統(tǒng)MPPT技術(shù)應(yīng)用于太陽電池陣輸出搭載串聯(lián)的DC/DC變換器，以實現(xiàn)對太陽電池陣的最大功率跟蹤輸出，但是，它存在低效率、高損耗、電路復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)慢的缺點。針對這些問題，文獻(xiàn)[8]中提出了順序開關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器(S3MPR)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，結(jié)合順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)器(S3R)拓?fù)?，可根?jù)負(fù)載要求實時輸出太陽電池陣的功率。文獻(xiàn)[9]中針對地球靜止軌道(GEO)電信衛(wèi)星設(shè)計了基于S3MPR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)太陽能電池的最大功率輸出。該調(diào)節(jié)器輸出為不調(diào)節(jié)母線電壓，且最大功率點(MPP)母線紋波控制在5%以內(nèi)，還增加了三模冗余可靠性設(shè)計。國內(nèi)關(guān)于S3MPR技術(shù)的研究也取得不少進(jìn)展。文獻(xiàn)[10]中對基于S3MPR電路拓?fù)涞腗PPT技術(shù)進(jìn)行研究，搭建了Matlab+Saber的聯(lián)合仿真平臺和半物理試驗平臺，采用電導(dǎo)增量法的MPPT技術(shù)，抑制最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11]中對S3MPR技術(shù)進(jìn)行研究，將MPPT算法內(nèi)置于單片機內(nèi)，采用數(shù)字控制技術(shù)實現(xiàn)S3MPR技術(shù)功能，并對工程化應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計?？梢姡趪?，S3MPR技術(shù)大多應(yīng)用于低壓太陽電池陣輸出平臺，而且在高壓太陽電池陣輸出平臺應(yīng)用時母線電壓也是控制在一定范圍內(nèi)。國內(nèi)關(guān)于S3MPR技術(shù)的研究依靠仿真及數(shù)字實現(xiàn)方式較多，針對航天應(yīng)用場景采用模擬方式實現(xiàn)S3MPR技術(shù)的研究相對較少。因此，目前國內(nèi)外關(guān)于S3MPR的算法研究與應(yīng)用只是針對太陽電池陣最大功率輸出電壓在小范圍變化的場合,在輸出電壓電流范圍較大時已有控制方式難以保證全范圍MPPT的精確跟蹤，而且母線紋波較大，不利于后級變換器的穩(wěn)定控制。

本文針對高壓大功率及太陽電池陣最大功率輸出電壓變化范圍較大的S3MPR應(yīng)用需求，提出一種S3MPR電源控制器設(shè)計，可實現(xiàn)太陽電池陣最大功率輸出電壓變化范圍較大時，在全輸出電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)MPPT正常工作與精確MPPT跟蹤技術(shù)，具有較高的工程應(yīng)用價值。

1 S3MPR電源控制器設(shè)計

考慮空間特殊環(huán)境單粒子翻轉(zhuǎn)帶來的數(shù)字控制系統(tǒng)容錯能力不足、抗擾能力差等環(huán)境適應(yīng)性問題，以及數(shù)字芯片成本高昂等問題，本文采用模擬電路方式設(shè)計S3MPR電源控制器，使其同時具備MPPT模式和固定工作模式。當(dāng)后級的功率需求大于單個太陽電池陣列的最大輸出功率時，電路以MPPT模式工作運行；否則，最大功率點(MPP)參考電壓切換到固定的電壓基準(zhǔn)，這樣母線從不調(diào)節(jié)控制模式轉(zhuǎn)換為全調(diào)節(jié)控制模式，電路運行在經(jīng)典模式(S3R模式)下運行，其中MPPT算法電路被禁用。圍繞母線電壓較大范圍變化的應(yīng)用背景，優(yōu)化設(shè)計S3MPR控制電路及控制算法，確保太陽電池陣MPP點范圍變化較大時調(diào)節(jié)器的MPPT功能正常，并且能準(zhǔn)確跟蹤太陽陣最大功率輸出。

結(jié)合S3R拓?fù)鋵崿F(xiàn)太陽電池陣列的MPPT功能，是在設(shè)計時必須要考慮的因素。

(1)MPPT正常工作的先決條件是要求最少兩路的太陽電池陣列能夠完全連接到MPP母線，這就決定MPPT正常工作時至少需要一路處于非分流狀態(tài)。

(2)對于MPPT的啟動和正常運行，必須限制MPPT電壓基準(zhǔn)的最大值和最小值，特別是保護(hù)有效載荷的最大值。

(3)根據(jù)負(fù)載需要輸出太陽電池陣輸出功率，決定其工作在MPPT模式還是固定工作模式。當(dāng)負(fù)載需要時，能夠工作在MPPT模式；當(dāng)負(fù)載功率需求減小時，逐級退出MPPT模式，當(dāng)需求功率足夠小(小于單陣最大功率)時，工作在固定工作模式。同時，通過限制電壓基準(zhǔn)值范圍以限制固定工作點的母線電壓范圍。

(4)MPPT的擾動頻率應(yīng)足夠低，以確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

(5)在可靠性方面，為了避免單點失效，MPPT電路采用三模冗余設(shè)計。

為了在太陽電池陣MPP范圍變化較大時，確保MPPT的正常運行并實現(xiàn)MPPT的準(zhǔn)確跟蹤，本文通過在太陽電池陣輸出不同電壓電流范圍內(nèi)采用不同的擾動系數(shù)方式，優(yōu)化設(shè)計S3MPR電源控制器的控制電路及控制算法。S3MPR電源控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，所有太陽電池分陣在相同的MPP電壓下工作，不同太陽電池分陣的MPP電壓失配的影響較小。

注：Sa為太陽電池分陣，共有N個；USa為MPP母線采樣電壓；ISa為Sa1采樣電流；MEA為主誤差放大器,UMEA為其輸出電壓；UMPPT_ref為MPP母線參考電壓。

圖1 S3MPR電源控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Fig.1 Topology of S3MPR power controller

1.1 限頻分流電路設(shè)計

S3MPR電源控制器功率電路采用低功耗限頻分流S3R系統(tǒng)拓?fù)?，該系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。S3MPR技術(shù)屬于MPPT技術(shù)在傳統(tǒng)S3R[12-13]上的應(yīng)用，該架構(gòu)正是從傳統(tǒng)的S3R演變而來，其中固定母線電壓的MEA控制器所使用的基準(zhǔn)由可變的MPP電壓基準(zhǔn)代替。因此，該系統(tǒng)屬于應(yīng)用在不調(diào)節(jié)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，但是具有全調(diào)節(jié)總線的動態(tài)特性，并且能夠跟蹤太陽電池陣的最大功率輸出。在非MPPT工作模式下(S3R模式)，其工作點在上下限控制范圍內(nèi)根據(jù)負(fù)載需求變化。

注：UC為控制信號電壓；UN為基準(zhǔn)信號電壓，其上下限電壓分別為UHN和ULN；UA為輸出采樣信號電壓；UrefN為該分流電路基準(zhǔn)電壓；R1為限流電阻；R2為滯環(huán)比較器正端電阻；RF為反饋電阻；L為濾波電感。

圖2 限頻分流S3R系統(tǒng)架構(gòu)

Fig.2 Architecture of frequency-limited shunt S3R system

在圖1所示的系統(tǒng)中，電路工作狀態(tài)由經(jīng)過MPPT算法后輸出MPP母線電壓的目標(biāo)值UMPPT_ref與反饋電壓(USa)作差，再送至MEA控制器，得到控制器輸出的誤差信號電壓UMEA。電路的分流狀態(tài)由UMEA值的大小和相應(yīng)的N路電壓基準(zhǔn)值決定，N路電壓基準(zhǔn)值由串聯(lián)電阻的電壓構(gòu)成。負(fù)載增大，母線電壓下降，對應(yīng)UMEA值下降，N路分流電路逐級依次退出分流狀態(tài)；相反，負(fù)載減小，母線電壓上升，對應(yīng)UMEA值也上升，N路分流電路依次進(jìn)入分流狀態(tài)。

限頻分流電路設(shè)計主要包括限頻分流滯環(huán)比較電路設(shè)計、開關(guān)頻率設(shè)計、濾波電感設(shè)計以及母線濾波電容設(shè)計等。

1.1.1 滯環(huán)比較電路設(shè)計

滯環(huán)比較電路由滯環(huán)(施密特)比較器組成(圖2中虛線框部分)，控制信號電壓UC、基準(zhǔn)信號電壓UN(上下限電壓UHN和ULN)和輸出采樣信號電壓UA之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 UC,UN,UA關(guān)系

滯環(huán)比較器某一路上限電壓為

(1)

滯環(huán)比較器某一路下限電壓為

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，可以得到滯環(huán)比較器的回差電壓為

(3)

1.1.2 開關(guān)頻率設(shè)計

調(diào)整級的頻率與母線紋波電壓(峰值)ΔU、太陽電池分陣電流ISan(n=1,2,3,…,N)、母線的濾波電容Co和負(fù)載對該分陣需要的電流ILN等參數(shù)有關(guān)。

當(dāng)母線濾波電容充電時,設(shè)充電電流為IC，母線濾波電容充電時間為TR，放電時間為TD，放電電流為ID，則IC+ID=ISaN。由電容的伏安特性方程可計算母線濾波電容的電壓值，即

(4)

式中：t為電容的充電時間；i(ε)為充電電流，ε為形式積分參數(shù)。

對于輸出濾波電容Co,可得

(5)

式(4)和式(5)聯(lián)立，可推導(dǎo)出開關(guān)頻率為

(6)

由(6)可知，當(dāng)IC=ID時，f最大。

1.1.3 濾波電感設(shè)計

由于太陽電池陣存在寄生電容CJ，濾波電感主要是抑制開通瞬間峰值電流。根據(jù)能量守恒，可得濾波電感為

(7)

式中：Uo為太陽電池陣開路電壓；UMPP為太陽電池陣最大工作點電壓；ΔI為短路電流。

1.1.4 母線紋波電壓計算

母線紋波電壓計算公式為

(8)

式中：K為采樣電路母線電壓的衰減比例；A為MEA電路的放大倍數(shù)。

由式(8)可見，母線紋波電壓的大小與母線濾波電容的大小沒有關(guān)系。

1.2 MPPT控制技術(shù)

太陽電池陣的輸出特性曲線如圖4所示，可知在電流源區(qū)域，太陽電池陣的輸出電流變化緩慢，而輸出電壓隨電流的微小減小快速增大；在電壓源區(qū)域，太陽電池陣的輸出電壓變化緩慢，而輸出電流隨電壓的微小增大快速減小。

圖4 太陽電池陣輸出特性Fig.4 Solar array output characteristics

傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺的MPPT算法主要應(yīng)用于太陽電池陣輸出伏安曲線在小范圍變化，例如MPPT調(diào)節(jié)器常用在低壓輸出的太陽電池陣，高壓大功率輸出的太陽電池陣也是將太陽電池陣輸出電壓控制在一定范圍內(nèi)應(yīng)用，例如ESA近地地球軌道(LEO)衛(wèi)星平臺的S3MPR系統(tǒng)母線電壓變化范圍限制在15 V以內(nèi)，以確保MPPT精確跟蹤[9]。因為在傳統(tǒng)算法中電壓電流的擾動系數(shù)是固定的，因此電路本身的特點決定其在太陽電池陣輸出母線電壓范圍變化較小時應(yīng)用效果較好，如果母線電壓范圍較大，其跟蹤效果很不理想。

1.2.1 MPPT算法設(shè)計與原理分析

圖5為MPPT追蹤過程。當(dāng)MPPT模式工作運行時，通過電壓電流的交錯擾動，太陽電池陣輸出功率在P1和P2之間震蕩，并且P1,P2從兩邊向最大功率點Pmax收斂。

圖5 MPPT追蹤過程Fig.5 MPPT tracking operation

基于前文分析，本文設(shè)計的應(yīng)用電壓電流交錯擾動法的MPPT算法電路如圖6所示，在增加復(fù)雜運算功能的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，所用器件較少且工程上容易實現(xiàn)。另外，MPPT算法電路運行時不需要額外的功耗，能夠有效提升控制器的效率。該算法的基本原理是在最大功率點處dP/dt|tPmax=0，即

(9)

從而

UΔI+IΔU=0

(10)

進(jìn)而

(11)

在如圖6所示的交錯擾動MPPT算法電路中，電流擾動工作時：①當(dāng)輸入電壓大于工作參考電壓Uref1時，比較器3輸出低電平，通過通道選擇器控制，MPPT電壓調(diào)節(jié)系數(shù)切換至λ1，否則，MPPT電壓調(diào)節(jié)系數(shù)為λ0；②當(dāng)輸入采樣電流大于工作參考電流Iref1時，比較器4輸出低電平，通過通道選擇器控制，MPPT電流調(diào)節(jié)系數(shù)切換至ξ1，否則，MPPT電壓調(diào)節(jié)系數(shù)為ξ0。

注：RMPP為MPPT頻率設(shè)置電阻；CMPP為MPPT頻率設(shè)置電容；EA為運算放大器；M1，M2為開關(guān)；λ0，λ1為電壓擾動系數(shù)；ζ0，ζ1為電流擾動系數(shù)；C1、C2為采樣保持電容；R1～R8為分壓電阻；Ps0，Ps1，Ks0，Ks1分別為RS觸發(fā)器的輸入信號參數(shù)。

圖6 MPPT算法電路

Fig.6 MPPT algorithm circuit

在太陽電池陣不同工作曲線下，根據(jù)其不同的工作電壓電流值，在合理范圍內(nèi)選擇不同的擾動系數(shù)，從而對太陽電池陣輸出電壓、電流變化范圍較大時實現(xiàn)精確的MPPT控制輸出。在可靠性規(guī)范方面，MPPT算法電路采用三模冗余可靠性設(shè)計。

1.2.2 MPPT基準(zhǔn)校正電路設(shè)計

根據(jù)目前工程應(yīng)用發(fā)展趨勢，MPP母線與后級串聯(lián)型功率變換器之間無蓄電池掛載時，為保正后級功率變換器正常工作運行，需要控制太陽電池陣輸出電壓(即MPP母線)的上限與下限(本文設(shè)計上限140 V，下限90 V)。為防止由于基準(zhǔn)信號異常出現(xiàn)太陽電池陣輸出電壓失控情況發(fā)生，在硬件上加入了MPPT基準(zhǔn)校正電路，使MPP母線電壓嚴(yán)格控制在上下限之間。MPPT基準(zhǔn)校正電路如圖7所示。

圖7 MPPT基準(zhǔn)校正電路

Fig.7 Reference correction circuit of MPPT

2 試驗驗證與分析

為了對高壓大功率S3MPR電源控制器設(shè)計進(jìn)行驗證，本文研制了一臺由10路太陽電池陣輸入、5 kW輸出功率的原理樣機。圖8為S3MPR單個模塊(5路太陽電池陣輸入，2.5 kW額定輸出功率)的試驗原理樣機平臺，圖9為試驗樣機系統(tǒng)原理框圖。

圖8 試驗原理樣機平臺Fig.8 Test prototype platform

注：Uref1～Uref10為限頻分流電路的電壓基準(zhǔn)值。

圖9 試驗樣機系統(tǒng)原理框圖

Fig.9 Block diagram of test prototype system

表1給出了原理樣機的主要參數(shù)。其他的硬件試驗設(shè)備包括一臺直流電子負(fù)載(CHROMA 63024A)、10臺太陽電池陣模擬器(KEYSIGHT E4360A)，直流源一臺、示波器一臺(Tektronix)、萬用表一臺、電流探頭、電壓探頭、隔離探頭等。在本試驗中，太陽電池陣1作為直供母線的太陽電池陣(MPPT模式下)。

表1 S3MPR 原理樣機參數(shù)

2.1 MPPT試驗結(jié)果與分析

表2給出了太陽電池陣模擬器在本文MPPT算法下的試驗數(shù)據(jù)，測量了MPP母線電壓在90～140 V內(nèi)不同伏安曲線下(相同電路參數(shù))的MPPT跟蹤試驗數(shù)據(jù)。圖10給出了對應(yīng)的試驗波形(圖中由于示波器自身的直流測量電壓值與真實值有一定偏差，因此以太陽電池陣模擬器顯示的數(shù)值為準(zhǔn)，見表2)。

表2 太陽電池陣模擬器試驗結(jié)果

注：紅色曲線和綠色曲線分別為太陽電池分陣1的輸出功率和輸出電流；紫色曲線為MPP母線電壓；藍(lán)色曲線為MPP母線紋波電壓。

圖10 MPPT運行在不同伏安曲線下波形

Fig.10 MPPT operation waveforms at differentI-Vcurves

通過試驗結(jié)果可知：MPPT工作性能較好，在MPP母線電壓90～140 V內(nèi)MPPT跟蹤精度較高(不小于99%)，同時MPP母線紋波電壓小，控制在1%以內(nèi)，較好地解決了針對S3MPR系統(tǒng)MPP母線變化范圍較大時實現(xiàn)MPPT的正常工作與精確MPPT跟蹤的技術(shù)難點。

2.2 S3MPR電源控制器系統(tǒng)性能測試

由表2所示的試驗數(shù)據(jù)和圖10的試驗波形可以看出：本文設(shè)計的MPPT工作性能較好，母線電壓在較大范圍內(nèi)變化時均能實現(xiàn)MPPT的正常工作和準(zhǔn)確跟蹤。為了驗證S3MPR電源控制器的工作性能，進(jìn)行在MPPT模式和非MPPT工作模式(S3R工作模式)之間切換測試試驗，測試條件為采用兩路太陽電池陣1和2供電。試驗開始時，太陽電池陣1處于MPPT模式，太陽電池陣2處于分流開關(guān)狀態(tài)，通過改變電子負(fù)載的阻值實現(xiàn)“MPPT工作模式→非MPPT工作模式(S3R工作模式)→MPPT工作模式”的順序切換工作。測試參數(shù)設(shè)置如表3所示，測試波形如圖11所示。為了測試S3MPR電源控制器的動態(tài)特性，設(shè)置負(fù)載以50 Hz頻率在6 A和16 A之間瞬變切換運行，如圖12所示。

表3 測試參數(shù)設(shè)置

圖11 S3MPR電源控制器跨模式性能測試Fig.11 Cross-mode performance test of S3MPR power controller

圖12 S3MPR電源控制器母線動態(tài)響應(yīng)測試Fig.12 Bus dynamic response test of S3MPR system

從圖11中可以看出：電源控制器在MPPT工作模式與非MPPT工作模式之間可以相對平滑切換運行，響應(yīng)較快(1 s左右完成模式切換且進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài))，母線紋波變化較小，穩(wěn)定性較好，電源控制器跨模式運行良好。從圖12可以看出：負(fù)載瞬變時母線紋波電壓約為2.1 V，母線電壓躍變速率為210 mV/ms，滿足衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，說明其動態(tài)特性較好。因此，本文設(shè)計的S3MPR電源控制器性能良好，具有較高的工程應(yīng)用價值。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的S3MPR電源控制器具有提升電路效率、MPPT運算電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好和性能優(yōu)等特點。試驗測試結(jié)果表明：MPPT算法能實現(xiàn)太陽電池陣輸出伏安曲線范圍變化較大時對其最大功率進(jìn)行跟蹤，且跟蹤效果較好；整個S3MPR電源控制器性能良好，能滿足高壓大功率空間電源應(yīng)用平臺的需求。根據(jù)目前的研究結(jié)果，應(yīng)在以下3個方面繼續(xù)開展研究工作。①在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，MPPT算法跟蹤精度與采樣電流的線性度和準(zhǔn)確率密切相關(guān)，后續(xù)要解決采樣電流的準(zhǔn)確率與線性度的問題，以進(jìn)一步提升MPPT跟蹤效果；②進(jìn)一步研究在擴大MPP母線電壓范圍時(如低壓到高壓相差100 V以上)的MPPT精確控制問題；③進(jìn)一步研究太陽電池陣被遮擋時存在多極點情況的MPPT控制技術(shù)。