趙國(guó)偉，韓獻(xiàn)堂

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

高軌大功率衛(wèi)星電源系統(tǒng)的MPPT技術(shù)

趙國(guó)偉，韓獻(xiàn)堂

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

針對(duì)高軌大功率衛(wèi)星的環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)空間電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)展研究。高軌大功率衛(wèi)星通常采用直接能量傳輸(DET)方式的電源系統(tǒng)，為保證衛(wèi)星壽命末期電源系統(tǒng)的功率輸出，通常把太陽(yáng)電池方陣壽命末期的最大功率點(diǎn)設(shè)在母線電壓附近，這就導(dǎo)致衛(wèi)星壽命初期太陽(yáng)能的利用率較低，提出了一種控制方法，保持DET電源系統(tǒng)的高傳輸效率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，采用分段固定電壓最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池方陣始終接近最大功率輸出，從而壽命初期的能源利用率遠(yuǎn)高于其他形式的電源系統(tǒng)。

空間電源系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；能源利用率

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，大功率、輕量化成為了衛(wèi)星發(fā)展的主要方向[1]。受這兩個(gè)條件的約束，高比功率成為了電源系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

高軌大功率衛(wèi)星，星箭分離后，電源系統(tǒng)為整星供電，隨著軌道環(huán)境的變化，以及姿態(tài)的調(diào)整，太陽(yáng)電池陣的輸出功率也發(fā)生變化，如何充分利用能源成為了首要解決的任務(wù)。

目前常見(jiàn)的航天電源系統(tǒng)可以分為：采用傳統(tǒng)直接能量傳輸(DET)的電源系統(tǒng)和采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制技術(shù)的電源系統(tǒng)兩種方式：

傳統(tǒng)直接能量傳輸(DET)電源系統(tǒng)：傳輸效率高，適合高軌光照環(huán)境穩(wěn)定的衛(wèi)星，初期能源利用率較低，末期能源利用率高。圖1為直接能量傳輸方式。

最大功率點(diǎn)跟蹤電源系統(tǒng)(分為并聯(lián)調(diào)節(jié)方式和串聯(lián)調(diào)節(jié)方式)：

串聯(lián)調(diào)節(jié)方式(圖2)：傳輸效率比較低、熱耗大，但光能轉(zhuǎn)換效率高，適合低軌道小衛(wèi)星，能源利用率比較穩(wěn)定。

圖1 直接能量傳輸方式

圖2 串聯(lián)調(diào)節(jié)方式MPPT電源系統(tǒng)

并聯(lián)調(diào)節(jié)方式(圖3)：傳輸效率低、熱耗大，但光能轉(zhuǎn)換效率高，適合深空探測(cè)大功率衛(wèi)星。

圖3 并聯(lián)調(diào)節(jié)方式MPPT電源系統(tǒng)

對(duì)于高軌大功率衛(wèi)星而言，如果選擇以上MPPT電源系

?統(tǒng)，由于系統(tǒng)拓?fù)渲写氲腄C/DC變換器始終工作，熱耗很大，尤其是在光照期，其熱耗明顯高于傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)，增大整星熱控的難度，而且在衛(wèi)星壽命末期其能源利用率反而低于DET電源系統(tǒng)，所以高軌大功率衛(wèi)星通常不采用以上MPPT電源系統(tǒng)，而是采用傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)。

以100 V母線為例，對(duì)各電源系統(tǒng)的電性能進(jìn)行了對(duì)比(能源利用率等于太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率與電源的傳輸效率乘積，其代表母線的功率輸出能力)，見(jiàn)表1和表2。

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經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，可知在衛(wèi)星壽命末期，傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)明顯優(yōu)于MPPT電源系統(tǒng)，在全衛(wèi)星壽命中，熱耗明顯小于MPPT電源系統(tǒng)，高軌大功率衛(wèi)星通常選擇傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)。

傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)電源傳輸效率很高，如果能夠提高其太陽(yáng)電池陣的光電轉(zhuǎn)化效率，其優(yōu)勢(shì)將更加明顯，在衛(wèi)星壽命初期增大母線的輸出能力。

基于以上設(shè)想，僅針對(duì)高軌大功率衛(wèi)星，本文提出了一種基于DET電源系統(tǒng)的MPPT控制技術(shù)。

1 DET電源系統(tǒng)的MPPT技術(shù)

1.1 MPPT工作原理

太陽(yáng)電池的輸出具有非線性特性，其輸出功率主要受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和輸出電壓影響，在一定的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度條件下，太陽(yáng)電池可以在不同的輸出電壓工作，但只有在某一輸出電壓時(shí)，輸出功率最大，稱該點(diǎn)為最大功率點(diǎn)，所以調(diào)整太陽(yáng)電池陣輸出功率的一個(gè)有效途徑就是，調(diào)整太陽(yáng)電池陣的輸出電壓，使其電壓保持在最大功率點(diǎn)電壓附近，即實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的跟蹤(MPPT)。

在光照強(qiáng)度和溫度不變的情況下，太陽(yáng)電池的基本特性曲線如圖4所示?？梢钥闯鎏?yáng)電池在低電壓區(qū)域內(nèi)可以視為電流源，在較高電壓區(qū)可以視為恒壓源，最大功率點(diǎn)在恒流源和恒壓源的交叉處。

在光照情況變化較快的環(huán)境下，采用MPPT算法，不斷地調(diào)節(jié)功率點(diǎn)，使電源系統(tǒng)的功率輸出跟隨最大功率點(diǎn)。

在光照情況變換很緩慢的環(huán)境下，且清晰地知道最大功率點(diǎn)電壓的情況下，采用固定電壓法，也可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，電路實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單很多，電路可靠性也更高。

圖4 太陽(yáng)電池I-V曲線

1.2 DET電源系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤設(shè)計(jì)

高軌大功率衛(wèi)星的光照情況，相對(duì)很穩(wěn)定，變化周期很長(zhǎng)，這就為采用一段時(shí)間內(nèi)固定電壓法實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)，提供了條件，每過(guò)一段時(shí)間重新設(shè)定一次母線電壓，在每一段時(shí)間里，太陽(yáng)電池陣都工作在最大功率點(diǎn)，也就實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤的目的。

圖5是采用了MPPT技術(shù)的DET電源系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)的DET電源系統(tǒng)，其主誤差放大(MEA)電路進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

圖5 采用MPPT技術(shù)的DET電源系統(tǒng)

傳統(tǒng)的DET電源系統(tǒng)，MEA的基準(zhǔn)電壓固定不變，從而母線電壓一直不變，功率點(diǎn)無(wú)法調(diào)節(jié)，而圖5電源系統(tǒng)中的MEA基準(zhǔn)電壓是可調(diào)節(jié)的，由N個(gè)基準(zhǔn)電壓和多路開(kāi)關(guān)選通電路組成，通過(guò)改變基準(zhǔn)電壓來(lái)改變母線電壓，使其接近最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的母線電壓，最終太陽(yáng)電池方陣以近似最大功率輸出。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，但帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

如果需要基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)檔位很多，采用以上的方式不再適合，可以采用D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓的變化，例如需要256檔電壓檔位，設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 MEA基準(zhǔn)電壓電路

通過(guò)8位D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行了256檔的分壓，作為MEA的基準(zhǔn)電壓，最終實(shí)現(xiàn)了母線電壓的256檔可調(diào)。

1.3 采用了MPPT技術(shù)的DET電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)對(duì)比分析

由于采用了MPPT技術(shù)，光電轉(zhuǎn)化效率始終保持99%左右，電源傳輸效率不變。

同樣是100 V的DET傳輸方式的電源系統(tǒng)，兩種不同的控制方式，電性能對(duì)比如表3和表4所示。

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數(shù)據(jù)表明，無(wú)論是初期還是末期，采用了MPPT技術(shù)的DET電源系統(tǒng)，能源利用率都保持在97%，在衛(wèi)星壽命初期相對(duì)傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)提高了15%左右(相對(duì)提高的比例=97%÷84.3%－1)。衛(wèi)星壽命末期與傳統(tǒng)DET電源系統(tǒng)各項(xiàng)電性能相當(dāng)。

結(jié)合前面的表格可以得出結(jié)論，針對(duì)高軌大功率衛(wèi)星的環(huán)境特點(diǎn)，采用了MPPT技術(shù)的DET電源系統(tǒng)在衛(wèi)星壽命的各個(gè)階段，能源利用率最高，其熱耗最低，但對(duì)母線電壓范圍有一定的要求。

2 案例分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)際案例方案設(shè)計(jì)

已知某高軌大功率衛(wèi)星，整星負(fù)載功率需求10 kW，容許輸入電壓范圍為95～120 V。

其電源系統(tǒng)初步方案設(shè)計(jì)為：電源控制器采用了傳統(tǒng)的DET方式的，母線電壓為100.3 V穩(wěn)定電壓，太陽(yáng)電池方陣在各階段的輸出特性如表5。

????????????????????? ??????100.3 V??????/W???? 118 12 686???? 119 12 265???? 117.5 13 115???? 106 11 935???? 108 11 521????????????????/V???????? 105.5 12 335???? 107 11 970???? 110.6 10 566???? 108.5 11 317???? 99.5 11 507???? 102.5 10 159???? 100.7 10 882

為了能夠更充分地發(fā)揮衛(wèi)星的作用，對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的母線輸出功率提出了新的要求：轉(zhuǎn)移軌道初期提高17%，轉(zhuǎn)移軌道末期和同步軌道初期提高5%。

由太陽(yáng)電池陣地I-V曲線可知，在最大功率點(diǎn)的左側(cè)電流近似于恒定，所以在最大功率點(diǎn)左側(cè)，電壓增加的比例就近似等于功率增加的比例，所以針對(duì)軌道的不同階段，在不超過(guò)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓前提下，適當(dāng)增加母線電壓，便可以實(shí)現(xiàn)母線輸出功率增加，滿足功率需求。

針對(duì)不同壽命期間和軌道光照情況，設(shè)定不同的母線電壓，其輸出能力如表6。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，DET電源系統(tǒng)采用了分段定電壓MPPT技術(shù)后，太陽(yáng)電池陣沒(méi)有增加的情況下，壽命初期輸出能力大幅度提高。

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2.2 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，母線電壓設(shè)3檔電壓值[(100.3±0.29)V、(105.3±0.29)V、(117.3±0.29)V]，設(shè)置3路基準(zhǔn)電壓，根據(jù)不同軌道太陽(yáng)電池陣具體情況，選通需要的檔位，實(shí)現(xiàn)功率的增加，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路框圖如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電原理框圖

實(shí)驗(yàn)條件：方陣設(shè)置(120 V，0.5 A)；負(fù)載0.1 A；S3R電路模塊一個(gè)；MEA電路板一塊；選通電路板一塊。圖8為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

轉(zhuǎn)移軌道初期，通過(guò)遙控指令，選通117.3 V對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓檔，母線電壓工作在117.31 V，相對(duì)100.3 V母線，提高17%的功率輸出。

轉(zhuǎn)移軌道末期和同步軌道初期，通過(guò)遙控指令，選通105.3 V對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓檔，母線電壓工作在105.254 V，相對(duì)100.3 V母線，提高5%的功率輸出。

同步軌道末期，通過(guò)遙控指令，選通105.3 V對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓檔，母線電壓工作在100.386 V，功率輸出基本接近最大功率點(diǎn)功率。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于目前在軌的衛(wèi)星而言，其電源系統(tǒng)類型的選擇和光照環(huán)境有很大關(guān)系，通常低軌小衛(wèi)星和深空探測(cè)，由于光照條件變化較快，比較適合采用常規(guī)的MPPT電源系統(tǒng)，而高軌大功率衛(wèi)星，由于光照條件穩(wěn)定、太陽(yáng)電池陣衰減緩慢，綜合考慮通常采用固定母線電壓的DET電源系統(tǒng)，而本文提出的變母線電壓的DET電源系統(tǒng)，僅針對(duì)高軌大功率衛(wèi)星的光照條件，結(jié)合了常規(guī)MPPT電源系統(tǒng)和DET電源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)的高能源利用率和低熱耗，希望為我國(guó)的衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供一種全新的參考。

[1]劉治鋼，蔡曉東，陳其，等.采用MPPT技術(shù)的國(guó)外深空探測(cè)器電源系統(tǒng)綜述[J].航天器工程，2011，20(5)：105-106.

MPPT technology for high-orbit and high-power satellite power system

ZHAO Guo-wei,HAN Xian-tang
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Based on the environmental characteristics of high-orbit power satellite,the space power system was researched.High-orbit power satellites usually adopt DET power transmission system.To ensure the output of power system at the end life of satellite,the end-life maximum power point of solar array usually locates near the bus voltage.This leads to lower solar energy utilization in initial-life of satellite.A control method was presented.While maintaining high-efficiency transmission advantages of DET power system,the segment fixed voltage MPPT technology was used to make solar array always close to the maximum power output,allowing the initial-life energy efficiency much higher than other power systems.

space power system;MPPT;energy efficiency

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1675-04

2016-01-15

趙國(guó)偉(1982—)，男，天津市人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榭臻g電源技術(shù)。