基于S3MPR拓?fù)浜蛿_動(dòng)觀察法的空間電源系統(tǒng)研究

司佳佳，王利然，張 璇，蔣 碩

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

在航天領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)絕大部分都采用直接能量傳輸(DET)方式，即將太陽(yáng)電池陣功率直接饋送給負(fù)載的方式。DET 方式中，太陽(yáng)電池陣的工作點(diǎn)必須設(shè)置在壽命末期(EOL)處，這樣只能保證EOL 期太陽(yáng)電池陣輸出功率得到最大利用，而不能充分利用壽命初期(BOL)太陽(yáng)電池陣的最大功率輸出。但近年來(lái)由于對(duì)月球、火星、水星等深空探測(cè)浪潮的回歸，電推進(jìn)技術(shù)的成熟，新型有效載荷對(duì)高功率的需求，以及國(guó)內(nèi)外航天產(chǎn)業(yè)對(duì)面向成本設(shè)計(jì)日益增長(zhǎng)的追求，使得最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)重新獲得了關(guān)注和應(yīng)用。

1 MPPT 簡(jiǎn)介

1.1 MPPT 原理與算法

太陽(yáng)電池陣輸出功率調(diào)節(jié)分為并聯(lián)調(diào)節(jié)和串聯(lián)調(diào)節(jié)兩大類(lèi)。在并聯(lián)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，太陽(yáng)電池陣的參考工作點(diǎn)通常按照壽命末期的光強(qiáng)和穩(wěn)定條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮輻照損失、溫度等條件的影響。因此，采用固定參考工作點(diǎn)不能使太陽(yáng)電池陣輸出功率最大。在這種條件下，采用MPPT 方式，按照負(fù)載功率需求控制太陽(yáng)電池陣輸出功率，可以最大限度利用太陽(yáng)電池陣輸出功率[1]。

MPPT 技術(shù)的原理可以表述為：在最大功率點(diǎn)時(shí)，太陽(yáng)電池陣的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)阻抗是相等的，即電壓(V)與電流(I)及其變化量dV、dI的關(guān)系可表示為式(1)。

式(1)說(shuō)明，在對(duì)太陽(yáng)電池陣施加一定擾動(dòng)的情況下，如果輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量相等，則表明太陽(yáng)電池陣已處于最大功率點(diǎn)(Pmax)處。

常用的MPPT 算法有：電壓回授法、功率回授法、擾動(dòng)觀察法、增量電阻法、三點(diǎn)相位比較法、直線近似法和實(shí)際測(cè)量法[2]。各種MPPT 算法的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1 所示。

表1 MPPT 算法比較

擾動(dòng)觀察法相比于其他算法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量參量少，適合航天應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)外多個(gè)航天器均采用該算法。擾動(dòng)觀察法自有的振蕩問(wèn)題可以通過(guò)飽和擾動(dòng)的方法進(jìn)行改進(jìn)，在此不再贅述。

1.2 MPPT 電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

國(guó)外已經(jīng)獲得空間應(yīng)用的MPPT 電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩類(lèi)。

(1)傳統(tǒng)MPPT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

歐洲航天局(ESA)研制的RADARSAT-2 雷達(dá)衛(wèi)星、SWARM 衛(wèi)星系統(tǒng)、Mars Express 火星快車(chē)、Venus Express 金星快車(chē)，意大利宇航局的AGILE 小衛(wèi)星、韓國(guó)的STSAT-3 小衛(wèi)星等均已應(yīng)用了MPPT 電源系統(tǒng)。這些衛(wèi)星采用的是傳統(tǒng)的MPPT 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出不調(diào)節(jié)母線。太陽(yáng)電池陣串聯(lián)升壓或降壓DC/DC 變換器，傳感器檢測(cè)太陽(yáng)電池陣電壓或電流、母線電壓或蓄電池充電電流，作為MPPT 模塊的輸入信號(hào)，MPPT 模塊根據(jù)輸入信號(hào)判斷太陽(yáng)電池陣的工作狀態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 信號(hào)，控制DC/DC 變換器調(diào)整太陽(yáng)電池陣的工作點(diǎn)，跟蹤其最大功率點(diǎn)。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多個(gè)機(jī)構(gòu)都在對(duì)MPPT 控制方式進(jìn)行研究，MPPT 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)始逐漸應(yīng)用到微小衛(wèi)星中，比如ClydeSpace 公司研制的立方體衛(wèi)星等。

ClydeSpace 公司研制的立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)如圖1 所示。該電源系統(tǒng)有3 路電池陣輸入，每一路都有控制器實(shí)現(xiàn)MPPT 功能。太陽(yáng)電池陣為供電陣和充電陣合一，蓄電池充電還是放電取決于負(fù)載所需的電流大小。衛(wèi)星同樣采用單一不調(diào)節(jié)母線，兩路二次母線分別為3.3 和5 V，輸出端有過(guò)流保護(hù)，防止某一路輸出出現(xiàn)問(wèn)題將母線電壓拉低，導(dǎo)致衛(wèi)星欠壓斷電的情況發(fā)生。

圖1 ClydeSpace公司立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(2)S3MPR 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ESA 在2008 年1 月宣布了采用電推進(jìn)系統(tǒng)的BepiColombo 水星探測(cè)計(jì)劃，空間環(huán)境和電推進(jìn)裝置對(duì)電源系統(tǒng)有了獨(dú)特的要求：提供一個(gè)可靠的100 V 全調(diào)節(jié)母線，負(fù)載可達(dá)到14 kW。ESA 為BepiColombo 選擇了峰值功率跟蹤技術(shù)來(lái)控制電源系統(tǒng)。概括來(lái)說(shuō)，BepiColombo 電源系統(tǒng)就是利用S3R 調(diào)節(jié)器和MPPT 模塊將太陽(yáng)電池陣控制在最大功率點(diǎn)工作，然后用升壓變換器獲得100 V 母線。這個(gè)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為順序開(kāi)關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器(sequential switching shunt maximum power regulator，S3MPR)[3]，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 BepiColombo 探測(cè)器的電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

相比于傳統(tǒng)的MPPT 系統(tǒng)，S3MPR 具有很大的優(yōu)勢(shì)，能夠保持太陽(yáng)電池陣始終輸出最大功率。首先，太陽(yáng)電池陣的峰值功率電壓并不依賴于負(fù)載的變化，而是通過(guò)控制太陽(yáng)電池分陣的通斷來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率，匹配精度能夠達(dá)到1%，當(dāng)負(fù)載功率由最大變?yōu)? 時(shí)，太陽(yáng)電池陣上不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓。其次，S3MPR 具有很高的功率質(zhì)量比：S3R 部分約為5 kW/kg，升壓變換器部分約為2 kW/kg。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于S3MPR 的算法研究與應(yīng)用只是針對(duì)太陽(yáng)電池陣最大功率輸出電壓在小范圍變化的場(chǎng)合，在輸出電壓電流范圍較大時(shí)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(jí)變換器的穩(wěn)定控制。

國(guó)內(nèi)目前在對(duì)部分型號(hào)的方案論證中已采用MPPT 電源控制技術(shù)，本文基于擾動(dòng)觀察法，設(shè)計(jì)了最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，并與分流調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，驗(yàn)證最大功率算法的有效性和S3MPR 拓?fù)潆娐返恼_性。

2 S3MPR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

S3R 系統(tǒng)的參考給定電壓往往是確定的，通過(guò)MEA 電路形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，保證母線電壓穩(wěn)定。然而航天器在空間不同條件下飛行時(shí)，光照與溫度變化較大，太陽(yáng)電池陣的最大功率點(diǎn)也會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，恒定的母線電壓會(huì)造成太陽(yáng)電池陣功率的較大浪費(fèi)，因此本文參考BepiColombo 的S3MPR 設(shè)計(jì)思路，通過(guò)調(diào)節(jié)母線電壓來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)。本文的S3MPR由兩部分組成，S3R 順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器和MPPT 控制器。S3R 調(diào)節(jié)器的參考電壓由MPPT 控制器獲得，而不是傳統(tǒng)S3R 調(diào)節(jié)器用的固定的穩(wěn)壓管做基準(zhǔn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 S3MPR系統(tǒng)框圖

2.1 S3R 主要電路設(shè)計(jì)

S3R 主電路可以分為三部分：SAR 電路、MEA 產(chǎn)生電路和滯環(huán)比較器。太陽(yáng)電池陣輸出的電流經(jīng)SAR 電路連接至地，作為S3R 的分流電路；MEA 信號(hào)產(chǎn)生電路將MPPT 控制信號(hào)與Vmpp 總線反饋信號(hào)進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后送至滯環(huán)比較器部分，輸出的信號(hào)作為SAR 中MOSFET 的開(kāi)關(guān)信號(hào)，以確定是否對(duì)地分流。具體電路的設(shè)計(jì)如下。

2.1.1 SAR 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)為兩路并聯(lián)的分流調(diào)節(jié)器，分流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)太陽(yáng)電池陣的輸出功率，耗散太陽(yáng)電池陣多余功率，保持輸出功率為太陽(yáng)電池陣的最大功率，同時(shí)使供電母線電壓連續(xù)受調(diào)，實(shí)現(xiàn)多余電流對(duì)地分流的功能。兩路分流器的優(yōu)先級(jí)由滯環(huán)控制信號(hào)給定。分流調(diào)節(jié)器采用驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單、快速開(kāi)通關(guān)斷的功率MOSFET，采用由放大器構(gòu)成的推挽式電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖4 所示。

圖4 兩路并聯(lián)的分流調(diào)節(jié)器

2.1.2 MEA 信號(hào)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

MEA 信號(hào)產(chǎn)生電路[4]主要由母線分壓、三路PI 調(diào)節(jié)、3∶2表決和電壓跟隨器幾部分組成，由于MEA 信號(hào)是整個(gè)電源控制系統(tǒng)的核心，在電源控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，為了提高系統(tǒng)的可靠性，這里采用三路PI 調(diào)節(jié)和3∶2 表決電路來(lái)獲得MEA 信號(hào)，如圖5 所示。

圖5 MEA信號(hào)產(chǎn)生電路

2.1.3 滯環(huán)比較器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)為兩路太陽(yáng)電池單元供電，每路太陽(yáng)電池單元都對(duì)應(yīng)一個(gè)滯環(huán)比較器。本文所設(shè)計(jì)的滯環(huán)給定偏置是由R4、R5、R6、R7 從母線分壓所得，因此不帶死區(qū)，電壓調(diào)節(jié)平滑，比較器輸出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)NPN 與PNP 組成的推挽式電路增加了對(duì)分流調(diào)節(jié)器的驅(qū)動(dòng)能力，無(wú)需其他附加的驅(qū)動(dòng)電路，直接驅(qū)動(dòng)分流MOSFET，如圖6 所示。

圖6 母線滯環(huán)比較器

2.2 MPPT 控制器設(shè)計(jì)

S3MPR 最大功率跟蹤采用擾動(dòng)觀察法，其中，太陽(yáng)電池陣被分為n個(gè)太陽(yáng)電池單元，每個(gè)太陽(yáng)電池單元之間相互獨(dú)立。S3MPR 最大功率跟蹤的核心思想就是讓每個(gè)處于向負(fù)載供電狀態(tài)的太陽(yáng)電池單元都工作在最大功率點(diǎn)上，最終實(shí)現(xiàn)在滿足負(fù)載功率需求的前提下，處于負(fù)載供電狀態(tài)的太陽(yáng)電池單元數(shù)目最少。

若檢測(cè)所有向負(fù)載供電的太陽(yáng)電池單元的端電壓與電流，實(shí)現(xiàn)較為困難且經(jīng)濟(jì)性差。最大功率跟蹤控制器需要去除向電池供電的單元和未滿電流輸出的單元，并要計(jì)算滿電流輸出單元的功率平均值，控制復(fù)雜、計(jì)算量大。針對(duì)上述缺點(diǎn)，在太陽(yáng)電池單元相互差別不大，無(wú)特別輕載狀況下(即母線控制環(huán)中最底層的太陽(yáng)電池單元能滿電流輸出)，可對(duì)上述算法進(jìn)行簡(jiǎn)化：只檢測(cè)母線控制環(huán)中最底層的太陽(yáng)電池單元Iss_1 的端電壓v_1 與輸出電流i_1，檢測(cè)信號(hào)由傳感器sense_1 送入最大功率控制器，計(jì)算其功率，并以之為標(biāo)準(zhǔn)決定擾動(dòng)方向與S3R 的輸入給定值。

當(dāng)擾動(dòng)觀察法達(dá)到最大功率穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)仍會(huì)在最大功率點(diǎn)附近震蕩。震蕩會(huì)使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的MPP 輸出降低。本文設(shè)計(jì)的MPPT 算法中有一個(gè)符號(hào)(Sgn)判斷過(guò)程，即在穩(wěn)態(tài)時(shí)最大功率點(diǎn)附近如果MPPT 算法中符號(hào)多次出現(xiàn)正負(fù)變化則停止擾動(dòng)觀察，而以恒定的充電控制信號(hào)作為MPPT 輸出。

基于擾動(dòng)算法的最大功率點(diǎn)跟蹤流程如圖7 所示。

圖7 最大功率點(diǎn)跟蹤算法流程

第一步：系統(tǒng)初始化，外設(shè)初始化。

第二步：給定所需計(jì)算變量(電壓、電流和功率)的初始值；給定擾動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、擾動(dòng)步長(zhǎng)、S3R 基礎(chǔ)參考初始值。

第三步：時(shí)間管理器通用計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，達(dá)到指定時(shí)間時(shí)啟動(dòng)A/D。

第四步：A/D 采集電壓和電流信號(hào)，并轉(zhuǎn)換。

第五步：DSP 接收采集信號(hào)，并計(jì)算當(dāng)前功率值。

第六步：當(dāng)前功率值與上一次功率值比較，若前者大于后者則維持?jǐn)_動(dòng)方向不變，反之則改變擾動(dòng)方向。

第七步：輸出疊加擾動(dòng)后的參考給定值。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 太陽(yáng)電池陣模型

太陽(yáng)電池陣的數(shù)學(xué)模型參考式為：

式中：IL為光伏電池中經(jīng)由光照射后所產(chǎn)生的電流；Rs和Rsh分別為光伏電池內(nèi)部等效的并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻；I為光伏電池的輸出電流，A；U為光伏電池的輸出電壓，V；q為一個(gè)電子所含的電荷量，取值1.6×10-19C；K為波爾茲曼常數(shù)，取值1.38×10-23J/K；T為太陽(yáng)電池表面溫度，K；A為光伏電池的理想因數(shù)(n=1.5)；Id為太陽(yáng)電池的逆向飽和電流[5]。

可建立太陽(yáng)電池陣仿真模型取代普通直流源作為S3MPR供電電源，工程上一般取光照強(qiáng)度Sref=1 000 W/m2，溫度Tref=298.15 K (25 ℃)為標(biāo)準(zhǔn)條件。標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽(yáng)電池技術(shù)參數(shù)一般由生產(chǎn)商給出，如標(biāo)準(zhǔn)條件下的短路電流Iscref、開(kāi)路電壓Uocref、最大功率點(diǎn)電流Imref和最大功率點(diǎn)電壓Umref，非標(biāo)準(zhǔn)條件下的技術(shù)參數(shù)可由式(3)～式(6)的數(shù)學(xué)模型參考式得出。

式中：S為實(shí)際光照強(qiáng)度；T為實(shí)際溫度；Isc為實(shí)際條件下太陽(yáng)電池短路電流；Im為實(shí)際條件下太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)電流；Uoc為實(shí)際條件下太陽(yáng)電池開(kāi)路電壓；Um為實(shí)際條件下太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)電壓；ui為太陽(yáng)電池電流溫度系數(shù)；uV為太陽(yáng)電池電壓溫度系數(shù)。

由上述表達(dá)式可得到與給定光照溫度相對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池陣輸出特性曲線。

3.2 S3R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

S3R 將太陽(yáng)電池陣分成許多太陽(yáng)電池單元，每個(gè)太陽(yáng)電池單元都相當(dāng)于恒流源(Iss)，每個(gè)太陽(yáng)電池單元都對(duì)應(yīng)著一個(gè)滯環(huán)比較器。這些滯環(huán)比較器根據(jù)母線的主誤差放大器(MEA)決定向母線供電的太陽(yáng)電池單元的數(shù)量，即供電電流的大小。主誤差放大器MEA 將反饋的MPP 母線電壓信號(hào)進(jìn)行衰減，與參考給定Vref_bus比較，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后輸出誤差信號(hào)給后級(jí)的滯環(huán)比較器來(lái)控制母線電壓[6]。

4 仿真結(jié)果

要求最終輸出電壓為126～160 V，單體模塊輸出功率500 W，總輸出功率1 kW。不同條件下太陽(yáng)電池單元的最大功率點(diǎn)見(jiàn)表2。

設(shè)置如表2 所示的光照、溫度和時(shí)間條件，MPPT 控制器給定的控制信號(hào)如圖8 所示，對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上，由于太陽(yáng)電池輸入的光照和溫度發(fā)生突變，S3R 的參考給定MPPT 控制信號(hào)不再固定，而是相應(yīng)隨著最大功率點(diǎn)移動(dòng)的方向而移動(dòng)。S3R 母線電壓也不再穩(wěn)定于某一值而是隨著擾動(dòng)信號(hào)改變，最終穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)電壓處。

表2 不同條件下太陽(yáng)電池單元最大功率點(diǎn)

對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)光照溫度條件下的最大功率點(diǎn)電壓為128、148 和161 V，可得S3MPR 在對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)光照溫度條件下的母線電壓，平均值分別為127.5、147.5 和162.5 V，基本相符，最大誤差為0.93%，表明最大功率算法可以快速、精確地將母線電壓調(diào)整在最大功率點(diǎn)電壓，如圖8 所示。

由圖8 可知對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的最大輸出功率為500、451 和404 W，不同時(shí)間點(diǎn)光照溫度條件下，最底層太陽(yáng)電池單元輸出功率的平均值分別為500、452 和400 W，基本相符，最大誤差為1%，基本滿足要求，說(shuō)明所采用的最大功率跟蹤算法和S3MPR 拓?fù)潆娐氛_。

圖8 單體最大輸出功率

圖9 所示為S3MPR 總輸出功率，由于外界條件變化較大較迅速，在對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)處的功率波動(dòng)非常大，在這種較為嚴(yán)苛的條件下，S3MPR 仍能夠重新找回最大功率點(diǎn)，證明S3MPR 具有一定的可靠性與穩(wěn)定性。

圖9 S3MPR 總輸出功率

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了S3MPR 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并基于Matlab/Simulink 仿真環(huán)境，建立了太陽(yáng)電池陣仿真模型、S3R 母線調(diào)壓仿真模型，并將它們與采用擾動(dòng)觀察法的最大功率跟蹤函數(shù)結(jié)合，建立了S3MPR 仿真模型。仿真驗(yàn)證了所用最大功率算法的可靠性與S3MPR 電路的正確性，為后續(xù)S3MPR 拓?fù)涞膽?yīng)用提供了參考。