微小衛星電源系統控制策略研究

韓尚卿

天津航天中為數據系統科技有限公司 天津 300301

引言

微小衛星電源系統可靠供電是整星各分系統穩定工作的前提,當前,在軌航天器普遍采用太陽能電池陣和蓄電池組聯合供電的方式維持整星能源平衡。

按控制策略分類,可將微小衛星電源系統所采用的能量傳輸方式分為直接能量傳輸(DET)方式和最大功率點追蹤(MPPT)能量傳輸方式。相應拓撲結構分別如圖1和圖2所示。

圖1 DET 能量傳輸方式拓撲結構

圖2 MPPT 能量傳輸方式拓撲結構

DET 能量傳輸方式中,使用分流調節器與太陽能電池陣并聯,太陽能電池陣產生的能量直接傳遞至母線,通過分流調節器消耗多余能量,屬耗散型分系統[1,2]。

MPPT 能量傳輸方式中,使用串聯開關調節器與太陽能電池陣串聯,通過串聯開關調節器控制太陽能電池陣的輸出功率,可實現以太陽能電池陣最大功率進行輸出,屬非耗散型分系統[1,2]。

DET 和MPPT 能量傳輸方式的特點如表1所示。

表1 DET 和MPPT 能量傳輸方式特點

1 微小衛星電源系統拓撲結構

為最大程度利用太陽能電池陣輸出功率,提高能源轉化效率,本文采用MPPT 能量傳輸方式。采用MPPT 能量傳輸方式的微小衛星電源系統由太陽能電池陣發電單元、蓄電池組充放電單元、FPGA 控制器等部分組成,拓撲結構如圖3所示。

圖3 微小衛星電源系統拓撲結構

2 太陽能電池仿真

由圖3可知,太陽能電池陣通過串聯開關調節器接入直流母線,蓄電池組通過充電調節器(BCR)和放電調節器(BDR)接入直流母線,各通道負載通過DC/DC變流器接入直流母線。各監測點的電壓、電流等信號通過AD采集芯片發送至FPGA,AD 芯片完成系統狀態量信號采集與實時監控,FPGA 實時識別異常狀態并進行故障診斷與處理。

FPGA 控制器通過向各變流器發送PWM 控制信號,實現整星電源系統控制,包括太陽能電池陣MPPT 控制、蓄電池充放電控制、故障診斷與處理等,最終實現微小衛星太陽能電池陣和蓄電池組聯合供電系統的智能化運行。

太陽能電池吸收光能后,生成電子空穴對,電子和空穴在電場作用下分離,在太陽能電池正極與負極間形成電勢差,最終將太陽光能量轉化為電能。

太陽能電池等效電路如圖4所示。

圖4中,U、I分別為太陽能電池輸出電壓、輸出電流。Isc為太陽能帆板在一定光照強度下產生的激發電流,其數值受光照強度等因素影響。二極管電流Id為P-N 結總擴散電流。Rsh為電池旁路電阻,Rs為電池串聯電阻,可用電池內阻等效。

太陽能電池等效模型的表達式為:

圖4 太陽能電池等效電路

鑒于旁路電阻值Rsh很大,串聯電阻值Rs很小,將式(2-1)簡化為:

與輸出特性緊密相關的主要參數包括:開路電壓Uoc、短路電流Isc、最大功率點Pm、最大功率點處對應的電壓Um和電流Im。由于環境因素將影響太陽能電池輸出性能,將光照和溫度參數列入表達式中,可得如下公式:

其中,

Tref-溫度參考值

Rref-光照強度參考值

α-電流變化系數 (A m ps/°C)

β-電壓變化系數 (V /°C)

在MATLAB/Simulink中建立太陽能電池仿真模型,如圖5所示。

圖5 太陽能電池等效模型仿真圖

太陽能電池仿真模型中主要參數見表2所示。

表2 太陽能電池仿真參數

當溫度固定,光照強度不同時,太陽能電池等效模型I-U 仿真結果如圖6所示。仿真結果與光伏特性曲線一致,太陽能電池電流輸出能力隨光照強度增加而增強、隨光照強度減少而減弱。

圖6 太陽能電池I-U 仿真結果圖

當溫度固定,光照強度不同時,太陽能電池等效模型P-U 仿真結果如圖7所示。仿真結果與光伏特性曲線一致,太陽能電池功率輸出能力隨光照強度增加而增強、隨光照強度減少而減弱。

圖7 太陽能電池P-U 仿真結果圖

可見,若能通過某種技術手段,使太陽能電池在變化的光照強度下始終輸出最大功率,即始終工作于最大功率點,將大大提高能源轉化效率以及太陽能電池的供電能力。

3 MPPT 控制策略

MPPT 控制方法眾多,包括恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法等。每種方法各具特點,考慮到擾動觀察法具有復雜度較低且跟蹤性能較高等優點,本文采用擾動觀測法作為MPPT 控制策略。

當太陽能電池內阻為Ri,外部負載為R,占空比為T 時,存在關系式Ri=R(1-T)2,若R 數值固定,通過調節占空比,可調節太陽能電池內阻阻抗。

MPPT 工作原理為:當太陽能電池所處環境動態變化時,通過控制算法調節串聯開關調節器工作狀態來改變太陽能電池內阻阻抗,當電池內阻與外部負載阻抗相等時,可使太陽能電池輸出最大功率。

3.1 定步長MPPT 控制策略 為太陽能電池輸出電壓初始值指定某一移動方向和步長,輸出電壓初始值按指定移動方向移動,通過判斷輸出電壓的移動趨勢是否逼近最大功率點工作電壓Um,確定下一時刻輸出電壓的移動方向,最終使輸出電壓追蹤到最大功率點工作電壓Um。擾動觀測法原理圖如圖8所示。

圖8 擾動觀測法原理圖

依據擾動觀測法原理,當輸出電壓初始值位于Um左側時,假設輸出電壓移動方向為向右移動,移動后:

若Δp＞0,可知電壓移動方向正確,此時電壓值正接近Um,下次移動應繼續沿該方向進行；

若Δp＜0,可知電壓移動方向錯誤,電壓值正遠離Um,下次移動應沿相反方向進行。

同理,可知初始輸出電壓值位于Um右側時輸出電壓的動態追蹤過程。定步長最大功率點追蹤過程的流程圖如圖9所示:

圖9 定步長追蹤流程圖

如圖9所示,定步長最大功率點追蹤過程為:k時刻,通過電壓傳感器、電流傳感器采集太陽能電池輸出電壓U(k)和輸出電流I(k),可知太陽能電池輸出功率P(k)=U(k)*I(k),若上一時刻輸出功率為P(k-1),為追蹤到最大功率點,通過比較P(k)和P(k-1),可知下一時刻輸出電壓移動方向。

定步長追蹤控制策略簡單有效,但由于該方法步長固定,造成對最大功率點的追蹤速率和追蹤精度存在沖突。若步長小,則MPPT 追蹤精度高,但追蹤速度慢；若步長大,則MPPT 追蹤速度快,但精度低。此外,定步長MPPT 控制策略易在最大功率點附近發生震蕩,造成母線電壓紋波過大。發生震蕩的原因為:若輸出電壓初始值與步長不匹配,逼近最大功率點時,輸出電壓難以恰好移動到Um處,一般會在Um兩側反復震蕩。

3.2 變步長MPPT 控制策略 由于定步長MPPT 控制策略存在缺陷,本文采用變步長MPPT 控制策略,通過在不同的追蹤階段下,選擇適當時機改變步長或停止追蹤,可兼顧追蹤速度與追蹤精度,并避免在最大功率點處發生震蕩。

為規避定步長最大功率點追蹤策略缺陷,設置參數a和參數b,在追蹤過程中,計算k、k-1時刻的功率差Δp,并依據Δp設置多級步長,第一級步長采用較大步長,第二級步長采用較小步長。

若Δp＞a,此時距離最大功率點較遠,應以更快速度趨近最大功率點,采用第一級步長；

若b＜Δp≤a,此時距離最大功率點較近,只需細微變化,便可趨近最大功率點,應以更高精度趨近最大功率點,采用第二級步長；

若Δp≤b,此時輸出功率非常趨近于最大功率點,二者功率值近似相等,選取該點為最大功率點,為避免震蕩,停止追蹤。

變步長MPPT 控制策略流程圖如圖10所示。

圖10 變步長MPPT 控制策略流程圖

3.3 仿真分析 在MPPT 能量傳輸系統中,串聯開關調節器的硬件拓撲結構為DC/DC變流器,為滿足應用需求且控制成本,本文采用Boost變流器。

在MATLAB/Simulink中,將太陽能電池等效模型和MPPT 控制策略算法分別封裝,將太陽能電池與串聯開關調節器串聯后接入直流母線,采用MPPT 控制信號驅動DC/DC,建立采用MPPT 控制策略下的太陽能電池發電仿真模型如圖11所示,仿真環境參數選取常規溫度和光照強度,即T=25℃,S=1000W/m2。

圖11 太陽能發電仿真模型

定步長MPPT 控制策略下,當定步長設置為0.002時,太陽能帆板輸出功率、輸出電壓、輸出電流隨時間變化的仿真結果如圖12所示。

圖12 定步長仿真結果圖

通過仿真結果可知,通過定步長MPPT 控制,仿真結果收斂,太陽能電池可追蹤至最大功率點工作,并穩定輸出功率,為整星各分系統負載有效供電。MPPT 到達穩定狀態的調節時間為0.037s,追蹤速度快,但由于步長較大,追蹤到的最大功率點與理論值存在較大偏差,即追蹤精度差。此外,在最大功率點附近出現反復震蕩的情況,這將導致母線出現紋波,影響供電質量,不利于負載正常工作。

當定步長設置為0.0005時,太陽能帆板輸出功率、輸出電壓、輸出電流隨時間變化的仿真結果如圖13所示。

圖13 定步長仿真結果圖

通過仿真結果可知,通過定步長MPPT 控制,仿真結果收斂,太陽能電池可追蹤至最大功率點工作,并穩定輸出功率,為整星各分系統負載有效供電。MPPT 到達穩定狀態的調節時間為0.075s,追蹤到的最大功率點與理論值接近,即追蹤精度高,但由于步長較小,導致追蹤速度慢。此外,在最大功率點附近依然出現反復震蕩的情況。值得注意的是,相對于圖12仿真結果而言,振幅隨步長變小而明顯減小,即母線出現的紋波減弱。

由前文分析可知,變步長MPPT 控制策略可兼顧追蹤速度與追蹤精度,并避免在最大功率點處發生震蕩,變步長MPPT 控制策略仿真結果如圖14所示,此時,一級步長設置為0.002,二級步長設置為0.0005。

圖14 變步長仿真結果圖

通過仿真結果可知,MPPT 到達穩定狀態的調節時間為0.05s。調節時間介于圖12和圖13之間,較圖12有所增加的原因為:為提高精度,設置了較小的二級步長,導致追蹤后期收斂速度減慢,但調節時間依然處于合理范圍內。二級步長的設置有效提升了追蹤精度,追蹤到的最大功率點與理論值接近,即追蹤精度高,且在最大功率點附近不再出現反復震蕩的情況,使供電質量顯著提升,從而更好的保障整星各分系統負載正常工作。

綜上所述,變步長MPPT 控制策略可有效克服定步長MPPT 控制策略的缺陷,兼顧追蹤速度與追蹤精度,同時避免最大功率點附近出現震蕩現象。

4 結語

本文通過建立太陽能電池陣等效模型,進行太陽能電池仿真建模,分析比較定步長MPPT 控制策略和變步長MPPT 控制策略,進行基于MPPT 的太陽能發電單元的仿真建模,驗證了MPPT 控制策略在微小衛星電源系統控制中的優勢與有效性。