基于S3MPR拓扑和扰动观察法的空间电源系统研究_司佳佳.pdf

2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期：2022-06-19作者简介：司佳佳(1989)，女，河北省人，硕士，工程师，主要研究方向为航天器电源。基于S3MPR拓扑和扰动观察法的空间电源系统研究司佳佳，王利然，张 璇，蒋硕(中国空间技术研究院 通信卫星事业部，北京 100094)摘要：利用S3R调节器和最大功率点跟踪(MPPT)模块将太阳电池阵控制在最大功率点工作，采用此控制策略的功率调节系统被称为开关分流最大功率调节器，可实现太阳电池阵功率的最大化利用。设计了S3MPR控制系统结构，并基于Matlab/Simulink仿真环境验证了最大功率算法的可靠性以及S3MPR电路的正确性，为后续S3MPR拓扑的应用提供了参考。关键词:最大功率点跟踪；开关分流调节；扰动观察法中图分类号：TM 914文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0117-05DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.026Research of space power system based on S3MPR topology andperturbation observation methodSI Jiajia,WANG Liran,ZHANG Xuan,JIANG Shuo(Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)Abstract:Using the S3R regulator and the MPPT module,the solar array can be controlled to work at the maximumpower point.A power regulation system using this control strategy is known as a Sequential Switching ShuntMaximum Power Regulator(S3MPR),which maximizes the use of solar array power.In this paper,the S3MPRcontrol system structure is designed and the reliability of the maximum power algorithm and the correctness of theS3MPR circuit are verified based on the Matlab/Simulink simulation environment,providing a reference for thesubsequent application of the S3MPR topology.Key words:MPPT;S3R perturbation;observation method在航天领域，国内卫星电源系统的功率调节系统绝大部分都采用直接能量传输(DET)方式，即将太阳电池阵功率直接馈送给负载的方式。DET方式中，太阳电池阵的工作点必须设置在寿命末期(EOL)处，这样只能保证 EOL期太阳电池阵输出功率得到最大利用，而不能充分利用寿命初期(BOL)太阳电池阵的最大功率输出。但近年来由于对月球、火星、水星等深空探测浪潮的回归，电推进技术的成熟，新型有效载荷对高功率的需求，以及国内外航天产业对面向成本设计日益增长的追求，使得最大功率点跟踪(MPPT)技术重新获得了关注和应用。1 MPPT简介1.1 MPPT原理与算法太阳电池阵输出功率调节分为并联调节和串联调节两大类。在并联调节系统中，太阳电池阵的参考工作点通常按照寿命末期的光强和稳定条件进行设计，主要考虑辐照损失、温度等条件的影响。因此，采用固定参考工作点不能使太阳电池阵输出功率最大。在这种条件下，采用MPPT方式，按照负载功率需求控制太阳电池阵输出功率，可以最大限度利用太阳电池阵输出功率1。MPPT技术的原理可以表述为：在最大功率点时，太阳电池阵的静态和动态阻抗是相等的，即电压(V)与电流(I)及其变化量dV、dI的关系可表示为式(1)。VI=dVdIdVV=dII(1)式(1)说明，在对太阳电池阵施加一定扰动的情况下，如果输出电压的变化量与输出电流的变化量相等，则表明太阳电池阵已处于最大功率点(Pmax)处。常用的 MPPT算法有：电压回授法、功率回授法、扰动观察法、增量电阻法、三点相位比较法、直线近似法和实际测量法2。各种MPPT算法的优缺点总结如表1所示。扰动观察法相比于其他算法，结构简单，测量参量少，适合航天应用领域，国外多个航天器均采用该算法。扰动观察法自有的振荡问题可以通过饱和扰动的方法进行改进，在此不再赘述。表 1 MPPT 算法比较 MPPT算法 优点 缺点 功率回授法 能够减少损耗，提高效率 较为复杂，且需要较多运算过程 扰动观察法 结构简单，被测参量少 到达最大功率点附近后易造成振荡，造成功率损失 三点比较法 可降低因干扰及误判而产生的功率损失 运算时间较长，在条件变化快速时无法达到最大功率点 实际测量法 可避免因太阳电池老化而失去准确度 对小功率系统成本高，对大功率系统要考虑条件一致问题 1172023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计1.2 MPPT电源系统拓扑结构国外已经获得空间应用的MPPT电源系统拓扑结构可分为两类。(1)传统MPPT拓扑结构欧 洲 航 天 局(ESA)研 制 的 RADARSAT-2 雷 达 卫 星、SWARM 卫星系统、Mars Express 火星快车、Venus Express 金星快车，意大利宇航局的 AGILE 小卫星、韩国的 STSAT-3 小卫星等均已应用了MPPT电源系统。这些卫星采用的是传统的 MPPT拓扑结构，输出不调节母线。太阳电池阵串联升压或降压 DC/DC变换器，传感器检测太阳电池阵电压或电流、母线电压或蓄电池充电电流，作为 MPPT 模块的输入信号，MPPT模块根据输入信号判断太阳电池阵的工作状态，产生相应的 PWM信号，控制DC/DC变换器调整太阳电池阵的工作点，跟踪其最大功率点。近年来国内外多个机构都在对 MPPT 控制方式进行研究，MPPT 电源拓扑结构开始逐渐应用到微小卫星中，比如ClydeSpace公司研制的立方体卫星等。ClydeSpace 公司研制的立方体卫星电源系统如图 1 所示。该电源系统有 3路电池阵输入，每一路都有控制器实现MPPT功能。太阳电池阵为供电阵和充电阵合一，蓄电池充电还是放电取决于负载所需的电流大小。卫星同样采用单一不调节母线，两路二次母线分别为 3.3和 5 V，输出端有过流保护，防止某一路输出出现问题将母线电压拉低，导致卫星欠压断电的情况发生。(2)S3MPR拓扑结构ESA 在 2008 年 1 月 宣 布 了 采 用 电 推 进 系 统 的BepiColombo水星探测计划，空间环境和电推进装置对电源系统有了独特的要求：提供一个可靠的100 V全调节母线，负载可达到 14 kW。ESA为BepiColombo选择了峰值功率跟踪技术来控制电源系统。概括来说，BepiColombo 电源系统就是利用S3R调节器和MPPT模块将太阳电池阵控制在最大功率点工作，然后用升压变换器获得 100 V 母线。这个新型拓扑结构被称为顺序 开关分流最大功率 调节器(sequentialswitching shunt maximum power regulator，S3MPR)3，其拓扑结构如图2所示。相比于传统的 MPPT 系统，S3MPR 具有很大的优势，能够保持太阳电池阵始终输出最大功率。首先，太阳电池阵的峰值功率电压并不依赖于负载的变化，而是通过控制太阳电池分阵的通断来调节输出功率，匹配精度能够达到 1%，当负载功率由最大变为0时，太阳电池阵上不会出现过压。其次，S3MPR具有很高的功率质量比：S3R部分约为5 kW/kg，升压变换器部分约为2 kW/kg。目前国内外关于 S3MPR 的算法研究与应用只是针对太阳电池阵最大功率输出电压在小范围变化的场合，在输出电压电流范围较大时已有控制方式难以保证全范围MPPT的精确跟踪，而且母线纹波较大，不利于后级变换器的稳定控制。国内目前在对部分型号的方案论证中已采用MPPT电源控制技术，本文基于扰动观察法，设计了最大功率点跟踪控制器，并与分流调节系统进行了联合仿真，验证最大功率算法的有效性和S3MPR拓扑电路的正确性。2 S3MPR系统设计S3R系统的参考给定电压往往是确定的，通过MEA电路形成闭环调节，保证母线电压稳定。然而航天器在空间不同条件下飞行时，光照与温度变化较大，太阳电池阵的最大功率点也会发生较大变动，恒定的母线电压会造成太阳电池阵功率的较大浪费，因此本文参考BepiColombo的 S3MPR设计思路，通过调节母线电压来达到最大功率点。本文的S3MPR由两部分组成，S3R 顺序开关分流调节器和 MPPT 控制器。S3R 调节器的参考电压由 MPPT 控制器获得，而不是传统S3R调节器用的固定的稳压管做基准，拓扑结构如图3所示。2.1 S3R主要电路设计S3R 主电路可以分为三部分：SAR电路、MEA 产生电路和滞环比较器。太阳电池阵输出的电流经 SAR 电路连接至地，作为 S3R 的分流电路；MEA 信号产生电路将 MPPT 控制信号与Vmpp总线反馈信号进行PI调节后送至滞环比较器部分，输出的信号作为 SAR中 MOSFET 的开关信号，以确定是否对地分流。具体电路的设计如下。2.1.1 SAR电路设计电路设计为两路并联的分流调节器，分流调节器调节太阳电池阵的输出功率，耗散太阳电池阵多余功率，保持输出功率为太阳电池阵的最大功率，同时使供电母线电压连续受图1ClydeSpace公司立方体卫星电源系统拓扑结构SA1S3R-10S3R-12/3表 决MPPT控 制器I第一组I第二组I第三组Vref_MPPV err_MPPB1We i n ber g升 压变换器B2B3B4B52/3表 决母 线ME AS3MPR-2S3MPR-3S3MPR-414 kW电推进系 统负载SA10SA 2SA3S3MPR-1(3.5k W)MPP母线1Ve rr_EP6A/支路7A35A/100V140 A/10 0V图2BepiColombo 探测器的电源系统拓扑结构S 3 RDC/DC控 制器CmppDC/DCCbusMPPT 控制 器负载Iss_1VrefbusVmppVbusv_1sense_1sense_ni_1v_ni_nIss_n蓄 电池BCRBS3MPR部分S 3R一次 配电 管理中心图3S3MPR系统框图1182023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计调，实现多余电流对地分流的功能。两路分流器的优先级由滞环控制信号给定。分流调节器采用驱动方式简单、快速开通关断的功率 MOSFET，采用由放大器构成的推挽式电路进行驱动，如图4所示。2.1.2 MEA信号产生电路设计MEA信号产生电路4主要由母线分压、三路PI调节、3 2表决和电压跟随器几部分组成，由于 MEA 信号是整个电源控制系统的核心，在电源控制系统中起着至关重要的作用，为了提高系统的可靠性，这里采用三路 PI调节和 3 2表决电路来获得MEA信号，如图5所示。2.1.3 滞环比较器设计本文设计为两路太阳电池单元供电，每路太阳电池单元都对应一个滞环比较器。本文所设计的滞环给定偏置是由R4、R5、R6、R7从母线分压所得，因此不带死区，电压调节平滑，比较器输出控制信号经过NPN与PNP组成的推挽式电路增加了对分流调节器的驱动能力，无需其他附加的驱动电路，直接驱动分流MOSFET，如图6所示。2.2 MPPT控制器设计S3MPR最大功率跟踪采用扰动观察法，其中，太阳电池阵被分为 n个