一种适用于空间太阳电池的MPPT限压控制技术.pdf

2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期：2023-01-11作者简介：韩娜(1991)，女，河北省人，工程师，主要研究方向为空间电源设计。一种适用于空间太阳电池的MPPT限压控制技术韩娜，鲁伟，张泰峰，宋涛(中电科能源有限公司，天津 300384)摘要：峰值功率跟踪器(MPPT)的特点是在低温条件下和寿命初期，使太阳电池输出最大功率。太阳电池出影后电压较高，增加了电源控制器(PCU)的电压应力，PCU可靠性降低。采用增加MPPT基准限制电路，针对低温太阳电池电压较高的现象，提出了限制太阳电池最高输出电压的控制方法，以此提高可靠性。分析了MPPT电路的控制方法，给出了满足能源平衡时太阳电池电压的工作范围，得到了MPPT基准限制电压，从而降低了电压应力，放宽了参数设计的约束条件，由此简化了PCU设计，提高了可靠性。通过计算、仿真和实验验证了理论分析的正确性。关键词：MPPT；太阳电池电压；基准限制电路中图分类号：TM 914.4文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0952-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.029Technology of MPPT voltage limiting for space solar arrayHAN Na,LU Wei,ZHANG Taifeng,SONG Tao(CETC Energy Co.,Ltd.,Tianjin 300384,China)Abstract:The feature of maximum power point tracking(MPPT)is to regulate solar array(SA)working at maximumpower,at low temperature and BOL.The high voltage of SA after shadow increases the voltage stress of PCU andreduces its reliability.A control method of limiting the SA maximum voltage was proposed.In view of the high voltageof SA at low temperature,the MPPT reference limiting circuit was added to improve the reliability.By analyzing thecontrol method of MPPT circuit,the working range of SA voltage when meeting the energy balance was obtained.Byadding MPPT reference limiting circuit,the voltage stress was reduced and the constrained condition of parameterdesign was relaxed.Thus,the design of PCU was simplified and the reliability was improved.The correctness of thetheoretical analysis was verified by calculation,simulation and experiment.Key words:MPPT;voltage of SA;reference limiting circuit目前，太阳能光伏转换是空间应用中最普遍的电源供电方法。随着温度的增加，太阳电池的短路电流增大，开路电压减小。由于电流的增加量远小于电压的减小量，因此太阳电池的输出功率减小。由此可知，电源系统设计时必须考虑温度对太阳电池电性能的影响。传统的 S3R 或 S4R 控制系统，均是调节太阳电池阵工作在恒流段，进而保证功率的正常输出。此时，太阳电池阵输出电压被母线钳位，输出功率利用率较低。在任意时间不同温度下，只有采用峰值功率跟踪(MPPT)系统使太阳电池阵与母线隔离，才能够实现输出功率的最大化利用。MPPT技术通过补偿太阳电池阵的峰值功率点到蓄电池充电末期的值来取代分流调节器，适用于太阳光照强度变化较大或太阳电池阵工作温度变化剧烈的航天器。对于寿命小于 5年，初期功率需求比末期功率高的航天器，采用 MPPT优势明显。同时，对于具有大功率载荷的 SAR 卫星，国外多数卫星采取MPPT技术进行功率控制。电源系统设计时，以航天器最恶劣工况(寿命末期且高温工作)进行能源平衡分析，此时太阳电池电压明显低于低温出影时的电压。由于太阳电池阵低温出影时电压较高，PCU的电压应力较大，增加了设计难度，降低了系统可靠性。本文通过对 MPPT控制电路进行分析，给出了采用增加MPPT基准限制电路的方法降低太阳电池阵最高输出电压的控制策略。通过化简，给出了简单的参数设计要求以方便设计过程，并且证明了该设计方法适用于采用 MPPT控制的各种功率变换器。最后，通过仿真和实验测定的 MPPT电路在加入MPPT限压基准前后的电压结果对理论分析进行验证。1 MPPT跟踪控制电路对于采用 MPPT技术的航天器，负载一般以低于峰值功率电压恒压供电，在太阳电池阵和负载之间接入一个合适的开关调节器就能弥补峰值功率电压和负载电压之间的差值。串接的调节器输入电压依靠峰值功率跟踪器与峰值功率电压保持一致，输出电压通过改变所需的负荷比降到与负载所需的恒定电压的水平。MPPT控制方法很多，常用的有恒压跟踪法、扰动观察法及增量电导法。恒压跟踪法是太阳电池外界温度恒定前提下近似的最大功率跟踪，星上应用局限性较高。扰动观察法通过软件实现，控制思路简单，但是快速跟踪时易导致系统振荡。增量电导法控制逻辑简单、硬件电路可靠性高、系统稳定。因此，本文采用增量电导法实现MPPT控制。1.1 等效电阻控制算法太阳电池可以等效为一个恒压源和一个电阻串联，串联9522023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计电阻 Rs代表电流流动时的内部电阻。图 1 表示太阳电池经DC/DC变换器为负载供电的等效电路图。根据基尔霍夫方程可知：当 Rs=Rq时，即太阳电池的内阻等于外部等效电阻时，外部电阻获得的功率最大，即 DC/DC的输入功率最大，从而负载Rq上获得的功率最大。Rs=dV/dI(1)Rq=V/I(2)当Rs=Rq时，满足最大功率点时的微分方程，即：dP/dV=(VdI+IdV)/dV=0(3)由图2可知，I-V曲线中切点的法线斜率为：n=1/(dI/dV)=Rs(4)切点的法线斜率等于太阳电池内阻，随着电压增大，内阻减小，外阻增大。在大信号模型中，占空比减小，输入电压增大，内阻减小，外阻增大，功率点向右移动。反之，占空比增大，输入电压减小，内阻增大，外阻减小，功率点向左移动。因此，通过控制功率变换器的占空比D便可以控制功率点的移动。图3给出了D与太阳电池电压和输出功率的关系。利用 Rs=Rq，可以得到太阳电池输出的最大功率，但测量Rs和Rq难度较大，一般不予采用。1.2 功率积分控制算法太阳电池阵的输出功率是电压和输出电流的乘积，图 4描述了太阳电池输出功率随电压的变化情况。在电压为0或电流为 0 的情况下，电池输出功率为 0，输出的最大功率点Pmax对应电压-电流特性曲线的拐点。当工作点在曲线拐点左侧时，太阳电池作为恒流源工作，产生与负载电阻相匹配的电压。当工作点在拐点右侧，电压稍微上升，电流便迅速下降，此时，太阳电池类似一个有内部电阻的恒压源。当dP/dV=0，即dI/I=-dV/V时，太阳电池输出功率最大。太阳电池功率由P1变化为P2，求导可得：I/I1=-V/VMAX=KV(V0)(5)太阳电池功率由P2变化为P1，求导可得：-I/IMAX=V/V2=KI(I0)(6)给定KV=KI，可以得到：-V/VMAX=-I/IMAX(V0，I0)(7)由此可知，如果存在一种装置使得太阳电池在P1点时电压逐渐下降，当下降|V|后，功率点到达 P2点，同时电压逐渐上升，电流逐渐下降；当下降|I|后，到达 P1点后再向 P2点移动，反复循环。当 V足够小时，太阳电池输出功率可以在最大功率点较小的范围内波动。结合图 4、图 5、图 6 可知，在 P1点时，Isa对应的比较器发出一个高脉冲，RS触发器的 S=1，Qn=0，Sv断开，电压采样保持器 Cv 电压保持在(VMAX-V)不变，后级积分器的输出 Vppt增加，DC/DC 占空比增大，Vsa减小，功率点开始由 P1点向 P2点移动；到达 P2点时，RS 触发器的 R=1，Q=0，Qn=1，Si 断开，电流采样保持器 Ci 电流保持在(IMAXI)不变，Vppt开始减小，Vsa增大，功率点由 P2开始向 P1转移。功率点在 P1和 P2之间反复波动，系统稳定在最大功率点附近。稳定时的 Vppt波形为一个低频率的三角波，最终太阳电池的输出电压和输出电流波形都为此低频率的三角波。2 MPPT限压控制电路太阳电池阵在寿命初期和刚出地影时，会以较高的电压图1阻抗变换示意图图2I-V曲线中的Rs图3占空比与太阳电池电压和输出功率的关系图图4MPPT控制示意图图5MPPT控制逻辑电路图6MPPT控制功率电路9532023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计产生较高的功率。此时电源系统的功率富裕，蓄电池组限流充电，太阳电池阵N级处于MPPT模式，1级处于恒压模式，其余开路。处于MPPT工作模式的功率变换器承受较大的电流和电压应力，设计风险较大。因此，必须限制太阳电池阵出影时的输出功率。由以上分析可知，太阳电池阵最大功率由电压和电流进行积分运算得到控制信号，由控制信号调节太阳电池电压进而控制输出功率。太阳电池电压受到Vppt信号的控制，Vppt电压越大，太阳电池电压越高，PCU 的电压应力越大。为了提高PCU的可靠性，需要适应性地降低太阳电池低温出影的最高输出电压。此最高输出电压需要满足电源系统的整体需求。由图 5可知，减小 Vppt电压值的前提是减小 RS触发器 Qn的输出电压。而 Qn的输出值受 R、S、Q 的控制。由于 MPPT的限压控制优先级高于MPPT控制，因此必须使Qn信号强制变低，通过控制 S端输入变为高电平即可实现。图 7为新增的MPPT基准限制电路，其中VR为太阳电池最高电压基准。下面以太阳电池低温出影时的工况对MPPT基准限制电路的可行性进行分析。出影时，由于温度较低，太阳电池的最佳工作点电压较高，Vppt电压逐渐向Vmp方向(最大功率点方向)增加。当Vppt信号高于 VR时，比较器输出由低电平翻转为高电平，RS触发器的 S端强制拉高，进而导致Qn强制变为低电平，Vppt信号减小，Vsa降低；随着 Vsa降低，MPPT基准限制电路解锁，Vppt电压又开始向 Vmp方向增加，Vsa最终稳定在限压点附近。稳定时 Vppt的波形仍然为低频率的三角波，频率与MPPT工作时一致。增加的 MPPT基准限制电路简单可靠，VR通过电阻分压即可得到。同时，系统的工作频率无变化，系统稳定性不会受到影响。3 仿真与实验分析验证MPPT技术在两个方向的应用中效益明显：(1)小卫星没有指向机构，故太阳电池阵不是始终指向太阳；(2)卫星受到的太阳辐射和太阳电池阵温度变化范围很大，从而会间接改变太阳电池阵电压。针对这两个方面，以传统太阳同步轨道(轨道高度 505km)为例进行分析与验证。太阳电池工作温度范围为9090，每一级太阳电池采取 20串的组合方式。通过计算可以得到太阳电池初期出影时电压约为 70 V，末期高温 90 工况时电压约为 38 V。为了保证卫星可以在最恶劣环境下正常工作，通常以末期高温 90 工况进行能源平衡分析，并未利用初期出影时的高压。因此，太阳电池电压限制在55 V左右较为合适，既可以保证蓄电池组快速充电，减小帆板面积，又可以减小电压应力，提高 PCU 的可靠性。表 1 给出了元器件的参数，由此可知，MPPT限压工作可以简化功率元器件选型。选取太阳电池曲线：Voc=76 V，Vmp=70 V，Isc=6.4 A，Imp=5.8 A，Vbus=28 V。利用 PSIM 软件针对 MPPT 工作和 MPPT限压工作分别进行仿真分析，仿真结果见图8、图9。图7MPPT基准限制电路表 1 MPPT 工作和 MPPT 限压工作对比表 V 参数 数值 MPPT 工作 MPPT 限压工作 输入电容 Cin 70 55 功率开关管 M1 70 55 续流二极管 D1 70 55 图8MPPT工作模式仿真结果9542023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计图 8中太阳电池电压工作范围为 69.270.6 V，在设定值70 V附近波动，太阳电池电压输出跟随最佳工作点处电压波动。如果太阳电池出影时温度更低则电压会进一步增大。图 9 中太阳电池采取了限压措施，电压范围为 5455.5 V，在限压值 55 V附近波动，偏离最佳工作点。加入MPPT基准限制电路后，电压工作频率无变化，系统工作稳定无振荡。进而验证了理论设计的可行性。为了验证仿真及理论设计的准确性，搭建了实验平台，测试加入MPPT基准限制电路后太阳电池在不同功率曲线下的输出电压，测试波形见图1012。图 10、11中，太阳电池最佳工作点电压均低于限制值 56V，太阳电池以最大功率输出，电池电压测量值分别为 38.77和55.84 V，在设定值附近低频波动。图12中，太阳电池最佳工作点电压高于限制值，输出电压受到MPPT限压电路控制，电压测量值为 56.376 V，在限制值附近低频波动。理论计算和实验测定结果相符。对于 28 V 母线系统，如果太阳电池输出电压过高，也会导致功率电路输出电流过大，进而增加了电压、电流应力，系统效率降低。同时为了满足高压大电流的系统，元器件的体积质量均增大。因此，对太阳电池电压进行限制意义重大。4 结论本文通过对MPPT控制电路加入MPPT限压基准前后进行理论分析，提出了一种针对采用MPPT控制的电源系统避免低温出影时 PCU电压应力过高的电路设计方法。通过选择合适的限压参数，可以使太阳电池最高电压限制在较为合适的范围内。经过理论分析和仿真及实验测定，表明在合适的限压参数下，太阳电池的最高输出电压可以被限制，易于简化 PCU设计。通过搭建实验平台，测试不同功率曲线下的太阳电池电压输出值，证明了带有 MPPT基准限制电路的 PCU具有良图9MPPT限压工作模式仿真结果太阳电池曲线：Voc=44 V，Vmp=38 V，Isc=6.4 A，Imp=5.8 A图10太阳电池电压波形图1太阳电池曲线：Voc=61 V，Vmp=55 V，Isc=6.4 A，Imp=5.8 A图11太阳电池电压波形图2太阳电池曲线：Voc=70 V，Vmp=64 V，Isc=6.4 A，Imp=5.8 A图12太阳电池电压波形图39552023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计好的可靠性和稳定性。参考文献：1TEULINGS W J A,MARPINARD J C,CAPEL A.A maximumpower point tracker for a regulated power busC/Proceedings ofthe European Space Power Conference.Graz,Austria:ESPC,1993:93-97.2TONICELLO F,VAZQUEZ S D R.Maximum point power trackerapproach to a regulated busC/Proceedings of the 5th EuropeanSpace Power 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