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        空間電源系統(tǒng)MPPT升降壓調(diào)節(jié)器研究

        2021-03-07 02:29:18孫洪彬趙春陽
        電源技術(shù) 2021年2期
        關鍵詞:方陣太陽電池調(diào)節(jié)器

        張 偉,王 鍇,孫洪彬,趙春陽,趙 超

        (1.中國電子科技集團公司第十八研究所,天津300384;2.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司,吉林長春130000)

        空間電源系統(tǒng)是深空探測器、衛(wèi)星等空間飛行器電能產(chǎn)生、存儲、變換、傳輸和分配的重要組成分系統(tǒng),在飛行器全壽命期內(nèi)為飛行器提供穩(wěn)定的能量來源,其性能直接決定著飛行器的功率能力以及壽命兩個關鍵技術(shù)指標,是空間飛行器不可或缺的組成部分。目前,空間飛行器尤其衛(wèi)星電源系統(tǒng),大多采用太陽電池作為空間電源系統(tǒng)的發(fā)電單元、蓄電池作為儲能單元??臻g飛行器在光照期,控制器通過調(diào)節(jié)太陽電池為負載優(yōu)先供電,多余能量存儲蓄電池;當工作于地影期,蓄電池通過控制器放電,滿足負載用電需求,控制器與配電器(PCDU)起著調(diào)節(jié)太陽電池陣、負載及充電功率平衡的同時完成電源的配電。MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器又是空間電源系統(tǒng)控制器與配電器(PCDU)的核心電路,通過成功研制單個MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器,利用多個調(diào)節(jié)器的順序調(diào)控或者多個調(diào)節(jié)器的并聯(lián)控制,實現(xiàn)PCDU 單機功率的擴展,本文只針對單個MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器進行研究。

        1 MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器設計

        1.1 主功率拓撲

        當前,空間電源系統(tǒng)控制器中常用的非隔離升壓拓撲有單Boost、交錯Boost、He-Boost、Super-Boost、Weinberg 等拓撲電路,非隔離降壓拓撲有單Buck、Super-Buck 等拓撲電路,通過以上升降壓電路的組合,實現(xiàn)非隔離升降壓的拓撲主要有CUK 拓撲,B3R 拓撲及H 橋型拓撲等。

        CUK 拓撲可以實現(xiàn)升降壓功能,但是CUK 拓撲電路需要兩個電感和一個電容(不指濾波電容);輸出是負電壓;電容作為儲能元件,提供電流比較小,增大電容勢必使拓撲體積質(zhì)量增大,因此不適合空間應用。圖1 為CUK 拓撲電路圖。

        圖1 CUK拓撲

        B3R 包括三個拓撲[1],在太陽電池陣與儲能電池之間為Buck 和Super-Boost 拓撲,在儲能電池和母線之間Super-Buck 拓撲。實現(xiàn)升降壓為Buck 和Super-Boost 的組合,系統(tǒng)主要用于太陽電池陣電流較大[2]、單模塊功率需求大的場合,功率器件和磁性器件使用較多,電路控制較復雜。圖2為B3R 拓撲電路圖。

        圖2 B3R 拓撲

        圖3 為本文研究的升降壓拓撲方案,適合每級方陣電流不大于6 A 的控制器中使用。

        圖3 MPPT升降壓拓撲

        升降壓拓撲的實現(xiàn)使用兩個MOS 管,兩個二極管及一個電感,是一個H 橋電路。當電路工作于降壓模式時,MOS1 工作于開關狀態(tài),MOS2 工作于完全開路態(tài),電路為Buck 拓撲,實現(xiàn)降壓功能;當電路工作于升壓狀態(tài),MOS1 工作于完全導通態(tài),MOS2 工作于開關狀態(tài),電路為Boost 拓撲,實現(xiàn)升壓功能,通過MOS1 和MOS2 的工作狀態(tài)變換,最終實現(xiàn)升降壓功能。拓撲在控制中的關鍵是變換器升降壓狀態(tài)切換過程中需連續(xù),不必增加直通電路和切換電路仍能實現(xiàn)各工作狀態(tài)的平滑切換。

        MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器具有如下優(yōu)點:

        (1)升降壓拓撲形式簡單,器件少,可靠性高;

        (2)二極管D2的存在易實現(xiàn)多級電路的并聯(lián);

        (3)硬件電路實現(xiàn)MPPT 功能;

        (4)升降壓狀態(tài)切換過程動態(tài)連續(xù)。

        1.2 升降壓狀態(tài)切換控制

        升降壓狀態(tài)切換控制電路是保證拓撲在升降壓工作狀態(tài)的自動切換,不僅要實現(xiàn)狀態(tài)的快速切換,而且需要保證連續(xù)可靠,如圖3 所示框圖PWM 切換電路。電路在實現(xiàn)的過程中設置降壓電路的PWM1 和升壓電路的PWM2 的鋸齒波,在PWM1 與PWM2 之間的鋸齒波設置死區(qū)電壓,PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的誤差信號會隨太陽電池方陣輸入電壓與蓄電池電壓的差值,產(chǎn)生3~7.5 V 誤差信號,由控制PWM1 的降壓,到等壓的直通,再到控制PWM2 的升壓連續(xù)控制過程,反之,控制方式相反。此種方式,較數(shù)字電路控制等其他方式升降壓過程不連續(xù),以及需要增加MOS 管實現(xiàn)輸入與輸出電壓相同時的直通路控制具有明顯優(yōu)勢。

        1.3 MPPT 電路

        太陽電池陣的最大功率跟蹤控制方法較多,本方案采用電導增量法。電導增量法控制精確,響應速度比較快,適用于空間環(huán)境條件變化較快的場合[3-4]。MPPT 電路原理如圖3所示,控制原理如圖4 所示。

        圖4 MPPT控制原理示意圖

        由式(1)的意義可知,通過設計類似push-pull 電路,使得在P1點時電壓逐漸下降,當下降 ||ΔV 后,功率點到達P2點,同時電壓逐漸上升,電流逐漸下降,當下降 ||ΔI 后,到達P1點后再向P2點移動,反復循環(huán),則當ΔV 足夠小時,功率點在最大功率點很小的范圍內(nèi)波動,實現(xiàn)動態(tài)最大功率點的定位[5]。

        2 MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器仿真與實驗

        為了證明方案的可行性,進行了仿真和實驗驗證。搭建了空間不調(diào)節(jié)母線控制拓撲,母線電壓即蓄電池電壓,電壓可多檔位控制,本項目采用50 V 母線電壓,進行升降壓調(diào)節(jié)器的驗證。

        MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器主要參數(shù):

        輸出電壓:(50±1)V;

        輸出功率:300 W;

        輸入電壓(太陽電池陣最大功率點電壓):30~70 V;

        輸入電流(太陽電池陣最大功率點電流):5 A;

        MPPT 跟蹤精度:≥98.5%;

        升壓效率:≥94.5%;

        降壓效率:≥95.5%。

        圖5 是調(diào)節(jié)器工作于降壓模式的仿真,其中CH_A 為輸入方陣電壓65 V、CH_B 為輸出母線電壓50 V、CH_C 為MOS1 驅(qū)動波形及CH_D 為MOS2 驅(qū)動波形。

        圖5 工作于降壓模式的仿真1

        圖6 是調(diào)節(jié)器工作于降壓模式的仿真,其中CH_A 為輸出母線電壓、CH_B 為PWM1 鋸齒波、CH_C 為誤差信號及CH_D 為PWM2 鋸齒波。

        圖6 工作于降壓模式的仿真2

        圖7 是調(diào)節(jié)器工作于升壓模式的仿真,其中CH_A 為輸入方陣電壓33 V、CH_B 為輸出母線電壓50 V、CH_C 為MOS1 驅(qū)動波形及CH_D 為MOS2 驅(qū)動波形。

        圖7 工作于升壓模式的仿真1

        圖8 是調(diào)節(jié)器工作于升壓模式的仿真,其中CH_A 為輸出母線電壓、CH_B 為PWM1 鋸齒波、CH_C 為誤差信號及CH_D 為PWM2 鋸齒波。

        圖8 工作于升壓模式的仿真2

        圖9 是調(diào)節(jié)器工作于輸入電壓與輸出電壓相等模式的仿真,其中CH_A 為輸入方陣電壓、CH_B 為輸出母線電壓、CH_C 為MOS1 驅(qū)動波形及CH_D 為MOS2 驅(qū)動波形。

        圖9 工作于直通模式的仿真1

        圖10 是調(diào)節(jié)器工作于輸入電壓與輸出電壓相等模式的仿真,其中CH_A 為輸出母線電壓、CH_B 為PWM1 鋸齒波、CH_C 為誤差信號及CH_D 為PWM2 鋸齒波。

        圖10 工作于直通模式的仿真2

        圖11 是太陽電池陣工作于最大功率點時,方陣電壓與電流仿真波形,圖12 是H 橋升降壓電路實際測試太陽電池方陣的最大功率點跟蹤時波形,MPPT 跟蹤精度達到98.5%。通過輸入電壓65 V(如圖5)和輸入電壓33 V(如圖7),輸出電壓50 V 工況下對調(diào)節(jié)器進行仿真和原理樣機的測試,調(diào)節(jié)器在方陣電流5 A 時,升壓效率達到94.5%,降壓效率達到95.5%,參數(shù)滿足輸入要求,本文電路拓撲可以實現(xiàn)升降壓調(diào)節(jié)及MPPT 控制。

        圖11 MPPT仿真波形

        圖12 太陽電池陣實際測試波形

        3 結(jié)束語

        通過對MPPT 升降壓調(diào)節(jié)器進行電路仿真和原理樣機的研制及測試,證明了方案的可行性,對空間電源飛行器在太陽電池陣和蓄電池組組合的電源系統(tǒng)具有指導意義。

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