杜　青　崔　波　曾　毅　夏　寧　劉治鋼（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

基于E3MPR拓?fù)浜碗妼?dǎo)增量法的空間電源系統(tǒng)研究

杜青崔波曾毅夏寧劉治鋼
（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

為滿足高分辨率光學(xué)和雷達(dá)遙感衛(wèi)星、深空探測(cè)器等航天器日益增長(zhǎng)的電能需求，文章提出了一種基于順序開(kāi)關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器（S3MPR）拓?fù)潆娐返碾妼?dǎo)增量峰值功率跟蹤方法，克服了傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）變換器拓?fù)滟|(zhì)量比功率低、效率不高的缺點(diǎn)，可減少最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象。搭建了Matlab-Saber的聯(lián)合仿真平臺(tái)和半物理試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所提出的電路和跟蹤方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：基于S3MPR電路的電導(dǎo)增量峰值功率跟蹤方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池陣最大功率點(diǎn)的有效跟蹤，并具有較好的跟蹤效率，證明仿真和試驗(yàn)平臺(tái)合理有效。

航天器；最大功率點(diǎn)跟蹤；順序開(kāi)關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器；電導(dǎo)增量法

1　引言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，高分辨率光學(xué)和雷達(dá)遙感衛(wèi)星、空間武器平臺(tái)和深空探測(cè)器等新型航天器對(duì)電能的需求越來(lái)越大，其負(fù)載功率已經(jīng)達(dá)到數(shù)十千瓦級(jí)［1］。大多數(shù)航天器功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)都是通過(guò)設(shè)定固定的參考工作點(diǎn)對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常工作點(diǎn)電壓低于最大功率輸出點(diǎn)電壓，能源利用率低。而采用太陽(yáng)電池陣最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，可以最大限度地利用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換的電能，在滿足航天器功率需求的前提下可減小太陽(yáng)翼的面積、減輕質(zhì)量、降低熱耗、優(yōu)化航天器設(shè)計(jì)［2-3］。

傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）拓?fù)涫峭ㄟ^(guò)太陽(yáng)電池陣輸出串聯(lián)DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出最大功率的跟蹤，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在美國(guó)的陸地衛(wèi)星-4、5 （LANDSAT-4/5）、加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星-2（RADARSAT-2）、意大利宇航局的輕型伽馬射線成像天文探測(cè)器（AGILE）等上都有成功的應(yīng)用［4-5］。由于DCDC變換器不可避免地引入了功率半導(dǎo)體器件和電感變壓器等磁性元件，使得傳統(tǒng)MPPT拓?fù)涞馁|(zhì)量比功率較低，效率很難提高。2008年ESA在貝皮-科倫坡（BepiColombo）水星探測(cè)器上首次提出了順序開(kāi)關(guān)分流最大功率調(diào)節(jié)器（Sequential Switching Shunt Maximum Power Regulator，S3MPR）的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6］，該拓?fù)渫ㄟ^(guò)在太陽(yáng)電池陣輸出端串接順序開(kāi)關(guān)分流調(diào)節(jié)器（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）電路實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，具有很高的質(zhì)量比功率和傳輸效率。目前，國(guó)內(nèi)外已對(duì)MPPT技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，主要包括擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等［7-9］，但國(guó)內(nèi)關(guān)于星載MPPT技術(shù)的研究大多停留在原理分析和仿真驗(yàn)證的階段［9-10］，沒(méi)有研制工程樣機(jī)實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用?；诠こ绦枨蠛蛯?duì)國(guó)外先進(jìn)電源控制技術(shù)的跟蹤，開(kāi)展空間MPPT電源系統(tǒng)拓?fù)浜涂刂扑惴ǖ难芯亢蛯?shí)現(xiàn)是十分必要的。

本文提出了一種基于S3MPR拓?fù)涞碾妼?dǎo)增量MPPT控制方法，S3MPR電路質(zhì)量比功率高，電導(dǎo)增量控制方法對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤準(zhǔn)確；介紹了電導(dǎo)增量法控制流程，搭建了Matlab-Saber的聯(lián)合仿真平臺(tái)和半物理試驗(yàn)平臺(tái)，最后給出了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。

2　空間MPPT電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1E3MPR電路拓?fù)?/p>

S3MPR電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，SA1至SAn為n級(jí)太陽(yáng)電池陣，輸出串接S3R電路，主誤差控制器（MEA）控制分流管Mosfet的開(kāi)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)母線電壓VBUS的調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的S3R電路不同，S3MPR電路的電壓參考值VMPP不再是一個(gè)固定值，而是一個(gè)跟隨太陽(yáng)電池陣最大輸出功率點(diǎn)的變量，該變量由最大功率點(diǎn)（MPP）控制器生成。

MEA的控制方式與傳統(tǒng)的恒壓型S3R電路調(diào)節(jié)方式相同，采用滯環(huán)控制，滯環(huán)門限電壓從SA1至 SAn依次線性降低。假設(shè)MPP控制器已經(jīng)追蹤到當(dāng)前太陽(yáng)電池陣最大工作點(diǎn)電壓VMPP，當(dāng)VBUS＞VMPP時(shí)，MEA輸出誤差信號(hào)正向增加，使得分流管導(dǎo)通的數(shù)量增加，供電母線電容陣上的電流減少，母線電壓下降；當(dāng)VBUS＜VMPP時(shí)，MEA輸出誤差信號(hào)降低，使得分流管導(dǎo)通的數(shù)量減少，供電母線電容陣上的電流增加，母線電壓上升；當(dāng)VBUS與VMPP接近時(shí)，MEA輸出誤差信號(hào)維持在一個(gè)恒定的正值，滯環(huán)門限與之最接近的分陣處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，滯環(huán)門限高的分陣分流管關(guān)閉，滯環(huán)門限低的分陣分流管導(dǎo)通。從而使VBUS穩(wěn)定在VMPP的設(shè)定值。

圖1　S3MPR拓?fù)銯ig.1　Topology of S3MPR

和傳統(tǒng)的MPPT系統(tǒng)相比，S3MPR的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:

（1）能夠保持太陽(yáng)電池陣始終輸出最大功率。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。

（2）技術(shù)繼承性好。整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在S3R基礎(chǔ)上進(jìn)行的調(diào)整，而S3R是應(yīng)用非常成熟的功率調(diào)節(jié)技術(shù)。

（3）具有很高的功率比質(zhì)量。S3R部分約為5kW/kg，電效率約為98%。

2.2電導(dǎo)增量法尋優(yōu)機(jī)理

目前，雖然關(guān)于MPPT的算法很多，但是由于航天器特殊的應(yīng)用條件及高可靠性要求，在航天器上應(yīng)用的算法還很少，仍以擾動(dòng)觀察法及其改進(jìn)算法為主。為了更貼近工程應(yīng)用，本文采用電導(dǎo)增量法來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣最大功率點(diǎn)的跟蹤，該方法目前在光伏發(fā)電等民用領(lǐng)域已得到應(yīng)用。

圖2為太陽(yáng)電池陣輸出功率隨電壓變化的曲線。電導(dǎo)增量法是基于“太陽(yáng)電池陣功率曲線的導(dǎo)數(shù)在最大功率Pmax處為0，在Pmax左邊功率曲線變化斜率為正，在Pmax右邊功率曲線變化斜率為負(fù)”對(duì)太陽(yáng)電池陣最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤的，如式（1）所示。

根據(jù)式（2）可以通過(guò)比較瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)增量來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)。

圖2　太陽(yáng)電池陣輸出電壓-功率曲線Fig.2　Output voltage-power curve of solar array

電導(dǎo)增量法跟蹤流程如圖3所示，由式（2）可知，通過(guò)比較ΔI/ΔV和I/V的大小關(guān)系可以確定最大功率點(diǎn)的位置:當(dāng)ΔI/ΔV＜—I/V時(shí)，應(yīng)減小太陽(yáng)電池陣的工作電壓，從而增大輸出功率；當(dāng)ΔI/ΔV＞—I/V時(shí)，應(yīng)增大太陽(yáng)電池陣的工作電壓，從而增大輸出功率，但是實(shí)際工程中必須排除ΔV= 0這一特殊情況:當(dāng)ΔV=0時(shí)，如果ΔI=0，則不須調(diào)整；如果ΔI＞0，則應(yīng)增大太陽(yáng)電池陣的工作電壓，反之須要減小太陽(yáng)電池陣的工作電壓。

電導(dǎo)增量法的最大優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)外界光照強(qiáng)度發(fā)生迅速變化時(shí)，其輸出端電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，從而保證最大功率的輸出。與擾動(dòng)觀察法相比，雖然電導(dǎo)增量法仍然是以改變太陽(yáng)電池輸出電壓來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)，但是它是憑借修改邏輯判斷式來(lái)減少在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象的，因此更能適應(yīng)光照強(qiáng)度和溫度瞬息變化的環(huán)境條件。

圖3　電導(dǎo)增量法控制流程圖Fig.3　Control flow chart of incremental conductance method

3　仿真和試驗(yàn)

3.1仿真分析

如第2節(jié)所述，空間MPPT電源系統(tǒng)可以劃分為S3MPR拓?fù)浜蚆PPT控制算法兩部分，前者為硬件電路設(shè)計(jì)，后者為控制算法設(shè)計(jì)，這就要求仿真環(huán)境能夠很好地支持實(shí)際電路仿真和控制算法仿真，并且可以實(shí)現(xiàn)兩部分仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)交互。

目前，用于電力電子領(lǐng)域的仿真軟件主要包括Pspice、Saber、Psim和Matlab。其中Psim操作簡(jiǎn)單，可以完成簡(jiǎn)單的原理性仿真；Pspice、Saber功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)器件級(jí)的電路仿真，而Matlab中的Simulink模塊側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模和仿真，在自動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。上述軟件各具優(yōu)勢(shì)，但都不能很好地滿足文中控制方法和硬件電路相結(jié)合的仿真需求。為此，本文選定了Matlab和Saber相結(jié)合的聯(lián)合仿真環(huán)境。

利用SaberCosim接口，以Saber作為主仿真器，在該平臺(tái)下搭建S3MPR拓?fù)?、調(diào)節(jié)電路和驅(qū)動(dòng)電路，在Matlab中搭建MPPT控制算法，仿真過(guò)程中自動(dòng)啟動(dòng)Simulink，Saber將S3MPR拓?fù)渲械牟蓸与妷汉碗娏鲗?shí)時(shí)傳遞給Simulink，Simulink經(jīng)過(guò)MPPT控制算法處理后輸出含有功率信息的誤差信號(hào)傳遞給Saber，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)電路和驅(qū)動(dòng)電路后，生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制S3MPR拓?fù)渲械拈_(kāi)關(guān)管動(dòng)作。

利用Saber軟件搭建的S3MPR電路模型如圖4所示。設(shè)計(jì)了10級(jí)太陽(yáng)電池陣和S3R電路，按照SA10至SA1的順序?qū)崿F(xiàn)逐級(jí)分流；選擇MPP母線電壓Vf為電壓反饋信號(hào)，第一級(jí)分陣的輸出電流if為電流反饋信號(hào)，將二者送至MPPT控制器，經(jīng)過(guò)MPPT算法后輸出母線電壓的目標(biāo)值Vref，與反饋電壓作差后得到MPP母線電壓誤差信號(hào)empp，再送至PI調(diào)節(jié)器，得到調(diào)制后的誤差信號(hào)，再分別送至各級(jí)的總線滯回比較器，驅(qū)動(dòng)S3R電路中Mos管的開(kāi)通和關(guān)斷。

圖4　S3MPR電路模型Fig.4　Model of S3 MPR circuit

太陽(yáng)電池陣的數(shù)學(xué)模型參考式（3）為

式中:Iph為太陽(yáng)電池陣輸出電流；Io為反向飽和電流；q為電荷電量（1.6×1019C）；n為二極管因子；K為玻耳茲曼常數(shù)（K=1.38×10—23J/K）；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為并聯(lián)電阻；I為太陽(yáng)電池陣輸出電流；V為太陽(yáng)電池陣輸出電壓。

圖5為基于Matlab的算法模型，SaberCosim 是Matlab中調(diào)用Saber的控件。首先將Saber中傳入的母線電壓Vf和第一級(jí)分陣的輸出電流If做濾波處理，然后，再將其相乘得到當(dāng)前太陽(yáng)電池陣的輸出功率Pf。該信號(hào)為一個(gè)離散信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣保持器后可以得到連續(xù)的功率信號(hào)。將此連續(xù)的功率信號(hào)送至MPPT算法模塊，完成對(duì)輸出功率的最大值跟蹤控制。經(jīng)過(guò)運(yùn)算，MPPT算法模塊最終將輸出目標(biāo)母線電壓信號(hào)Vref，回傳給Saber。MPPT算法模塊通過(guò)M函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)。

圖5　Matlab控制算法模型Fig.5　Matlab control algorithm model

太陽(yáng)電池陣采用由128單體串連，共3串單體并聯(lián)的組合方式，最大功率點(diǎn)輸出電壓為58.112V，輸出電流為1.413A，最大功率為82.112W。

圖6為電導(dǎo)增量法的仿真結(jié)果。電壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)ΔV取0.2 V，從圖6可以看出，采用電導(dǎo)增量法的母線電壓經(jīng)過(guò)一次下調(diào)后穩(wěn)步上升，大約2 s后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)81.196W，跟蹤效率可達(dá)99%。

圖6　仿真結(jié)果Fig.6　Simulation results

3.2試驗(yàn)驗(yàn)證

半物理試驗(yàn)硬件由S3MPR電路、工控機(jī)、方陣模擬器和電子負(fù)載組成。

采用方陣模擬器代替真實(shí)的太陽(yáng)電池陣，通過(guò)太陽(yáng)電池陣模擬器控制軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池陣開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點(diǎn)輸出電壓Vmp和最大功率點(diǎn)輸出電流Imp的設(shè)置；S3MPR電路實(shí)物如圖7所示，包括S3R部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制板和電容陣，控制板一方面可以將輸入的目標(biāo)母線電壓Vref轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，逐級(jí)驅(qū)動(dòng)S3R電路，另一方面可以實(shí)現(xiàn)母線電壓Vf和電池陣1輸出電流If的信號(hào)采集。工控機(jī)內(nèi)集成了NI的數(shù)據(jù)采集卡，可以實(shí)現(xiàn)0～10V模擬信號(hào)的采集和給定。共設(shè)計(jì)了10路S3R電路，單路分流能力為5A/路，母線電壓的調(diào)節(jié)范圍為20～41V。

圖7　S3MPR電路實(shí)物圖Fig.7　S3 MPR circuit

半物理試驗(yàn)軟件平臺(tái)主要包括太陽(yáng)電池陣模擬器控制軟件、虛擬儀器軟件Labview和C++6.0編譯器。太陽(yáng)電池陣模擬器控制軟件用于設(shè)置電池模擬器的輸出特性，Labview用于編寫(xiě)人機(jī)交互的監(jiān)控界面，C++6.0編譯器用于編寫(xiě)MPPT算法并生成dll文件，方便Labview調(diào)用。

設(shè)定方陣模擬器單個(gè)分陣的開(kāi)路電壓Voc=36V、短路電流Isc=1.2A、最大功率點(diǎn)輸出電壓Vmp= 34V和最大功率點(diǎn)輸出電流Imp=1A，則每個(gè)分陣最大功率點(diǎn)功率Pmp=34W，共開(kāi)啟10個(gè)分陣。設(shè)定電子負(fù)載為恒流模式，總負(fù)載電流值2A。

先將監(jiān)控界面的控制模式設(shè)為恒壓模式（不進(jìn)行MPP跟蹤，工控機(jī)輸出固定的目標(biāo)母線電壓Vref=28.7V），測(cè)得MPP母線電壓穩(wěn)態(tài)波形如圖8所示。可以看出，母線電壓平穩(wěn)，紋波不超過(guò)150mV，S3MPR電路工作穩(wěn)定。

再將監(jiān)控界面的控制模式設(shè)為MPPT模式，圖9為電導(dǎo)增量法的試驗(yàn)結(jié)果。從測(cè)試曲線可以看出，在啟動(dòng)MPPT模式后，Vf經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整后迅速追蹤到了最大功率點(diǎn)的方向并逐步逼近，約3s后在34V附近形成小幅振蕩，振幅約為0.25V，母線輸出電流If約為0.95A，進(jìn)而得到追蹤到的最大功率Pmp=32.3W，跟蹤效率可達(dá)95%。

圖8　MPP母線電壓穩(wěn)態(tài)波形圖Fig.8　Static voltage waveform of MPP bus

圖9　電導(dǎo)增量法試驗(yàn)結(jié)果Fig.9　Results of incremental conductance method

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于S3MPR拓?fù)浜碗妼?dǎo)增量法的空間MPPT電源系統(tǒng)技術(shù)方案，搭建了一套基于Matlab-Saber的聯(lián)合仿真平臺(tái)，最大程度地發(fā)揮了Matlab軟件在控制算法方面和Saber在硬件電路方面仿真的優(yōu)勢(shì)。對(duì)S3MPR電路和電導(dǎo)增量法進(jìn)行了仿真，峰值功率跟蹤效率可達(dá)99%；搭建了S3MPR電路、工控機(jī)、太陽(yáng)電池陣模擬器和電子負(fù)載的半物理試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電路和算法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，峰值功率跟蹤效率可達(dá)95%。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明:S3MPR電路工作穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池陣最大功率點(diǎn)的有效跟蹤，證明仿真平臺(tái)和試驗(yàn)平臺(tái)合理有效，可為后續(xù)MPPT在航天器電源系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

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（編輯：李多）

Research of Space Power System Based on S3MPR Topology and Incremental Conductance Algorithm

DU Qing CUI Bo ZENG Yi XIA Ning LIU Zhigang
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

To meet the growing energy demand of the new spacecraft such as high resolution optic and radar remote sensing satellites，and deep space probes，an incremental conductance peak power tracking method based on S3MPR topology circuit is presented in this paper.The shortcomings of traditional MPPT topology such as low power-to-mass ratio and low efficiency are overcome.The incremental conductance method can be used to reduce the oscillation near the maximum power point.A co-simulation platform and semi-physical experimental platform is built to validate the circuit and control method.The results show，that the incremental conductance peak power tracking method based on S3MPR circuit can achieve effective tracking of the maximum power point of the solar array，and has high tracking efficiency，and the simulation and experiment platform is reasonable and effective.

spacecraft；MPPT；S3MPR；incremental conductance method

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.012

2016-01-18；

2016-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307006）

杜青，男，博士，研究方向?yàn)楹教炱麟娫聪到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)。Email：danielduqing@163.com。