高壓大功率S3MPR電源控制器設計與驗證

謝偉 靳洋 董寶磊 董夢雪 藍建宇 林志松 何小斌

(上海空間電源研究所 空間電源國家重點實驗室，上海 200245)

空間電源系統是保證航天器可靠運行的重要子系統之一。隨著航天技術的發展，航天器對電能的需求越來越大，其負載功率已達數十千瓦[1]。在深空探測領域，由于光照的變化，傳統的直接能量傳輸(DET)[2]拓撲結構使得太陽能利用率較低。為了提高太陽電池的利用率，最大功率點跟蹤(MPPT)技術得到了廣泛研究與應用[3-7]。

傳統MPPT技術應用于太陽電池陣輸出搭載串聯的DC/DC變換器，以實現對太陽電池陣的最大功率跟蹤輸出，但是，它存在低效率、高損耗、電路復雜、動態響應慢的缺點。針對這些問題，文獻[8]中提出了順序開關分流最大功率調節器(S3MPR)拓撲結構。該拓撲結構相對簡單，結合順序開關分流調節器(S3R)拓撲，可根據負載要求實時輸出太陽電池陣的功率。文獻[9]中針對地球靜止軌道(GEO)電信衛星設計了基于S3MPR拓撲結構的調節器，以實現太陽能電池的最大功率輸出。該調節器輸出為不調節母線電壓，且最大功率點(MPP)母線紋波控制在5%以內，還增加了三模冗余可靠性設計。國內關于S3MPR技術的研究也取得不少進展。文獻[10]中對基于S3MPR電路拓撲的MPPT技術進行研究，搭建了Matlab+Saber的聯合仿真平臺和半物理試驗平臺，采用電導增量法的MPPT技術，抑制最大功率點附近的振蕩現象。文獻[11]中對S3MPR技術進行研究，將MPPT算法內置于單片機內，采用數字控制技術實現S3MPR技術功能，并對工程化應用進行了設計。可見，在國外，S3MPR技術大多應用于低壓太陽電池陣輸出平臺，而且在高壓太陽電池陣輸出平臺應用時母線電壓也是控制在一定范圍內。國內關于S3MPR技術的研究依靠仿真及數字實現方式較多，針對航天應用場景采用模擬方式實現S3MPR技術的研究相對較少。因此，目前國內外關于S3MPR的算法研究與應用只是針對太陽電池陣最大功率輸出電壓在小范圍變化的場合,在輸出電壓電流范圍較大時已有控制方式難以保證全范圍MPPT的精確跟蹤，而且母線紋波較大，不利于后級變換器的穩定控制。

本文針對高壓大功率及太陽電池陣最大功率輸出電壓變化范圍較大的S3MPR應用需求，提出一種S3MPR電源控制器設計，可實現太陽電池陣最大功率輸出電壓變化范圍較大時，在全輸出電壓范圍內實現MPPT正常工作與精確MPPT跟蹤技術，具有較高的工程應用價值。

1 S3MPR電源控制器設計

考慮空間特殊環境單粒子翻轉帶來的數字控制系統容錯能力不足、抗擾能力差等環境適應性問題，以及數字芯片成本高昂等問題，本文采用模擬電路方式設計S3MPR電源控制器，使其同時具備MPPT模式和固定工作模式。當后級的功率需求大于單個太陽電池陣列的最大輸出功率時，電路以MPPT模式工作運行；否則，最大功率點(MPP)參考電壓切換到固定的電壓基準，這樣母線從不調節控制模式轉換為全調節控制模式，電路運行在經典模式(S3R模式)下運行，其中MPPT算法電路被禁用。圍繞母線電壓較大范圍變化的應用背景，優化設計S3MPR控制電路及控制算法，確保太陽電池陣MPP點范圍變化較大時調節器的MPPT功能正常，并且能準確跟蹤太陽陣最大功率輸出。

結合S3R拓撲實現太陽電池陣列的MPPT功能，是在設計時必須要考慮的因素。

(1)MPPT正常工作的先決條件是要求最少兩路的太陽電池陣列能夠完全連接到MPP母線，這就決定MPPT正常工作時至少需要一路處于非分流狀態。

(2)對于MPPT的啟動和正常運行，必須限制MPPT電壓基準的最大值和最小值，特別是保護有效載荷的最大值。

(3)根據負載需要輸出太陽電池陣輸出功率，決定其工作在MPPT模式還是固定工作模式。當負載需要時，能夠工作在MPPT模式；當負載功率需求減小時，逐級退出MPPT模式，當需求功率足夠小(小于單陣最大功率)時，工作在固定工作模式。同時，通過限制電壓基準值范圍以限制固定工作點的母線電壓范圍。

(4)MPPT的擾動頻率應足夠低，以確保系統能夠穩定運行。

(5)在可靠性方面，為了避免單點失效，MPPT電路采用三模冗余設計。

為了在太陽電池陣MPP范圍變化較大時，確保MPPT的正常運行并實現MPPT的準確跟蹤，本文通過在太陽電池陣輸出不同電壓電流范圍內采用不同的擾動系數方式，優化設計S3MPR電源控制器的控制電路及控制算法。S3MPR電源控制器拓撲結構如圖1所示，所有太陽電池分陣在相同的MPP電壓下工作，不同太陽電池分陣的MPP電壓失配的影響較小。

注：Sa為太陽電池分陣，共有N個；USa為MPP母線采樣電壓；ISa為Sa1采樣電流；MEA為主誤差放大器,UMEA為其輸出電壓；UMPPT_ref為MPP母線參考電壓。

圖1 S3MPR電源控制器拓撲結構

Fig.1 Topology of S3MPR power controller

1.1 限頻分流電路設計

S3MPR電源控制器功率電路采用低功耗限頻分流S3R系統拓撲，該系統架構見圖2。S3MPR技術屬于MPPT技術在傳統S3R[12-13]上的應用，該架構正是從傳統的S3R演變而來，其中固定母線電壓的MEA控制器所使用的基準由可變的MPP電壓基準代替。因此，該系統屬于應用在不調節總線的拓撲結構上，但是具有全調節總線的動態特性，并且能夠跟蹤太陽電池陣的最大功率輸出。在非MPPT工作模式下(S3R模式)，其工作點在上下限控制范圍內根據負載需求變化。

注：UC為控制信號電壓；UN為基準信號電壓，其上下限電壓分別為UHN和ULN；UA為輸出采樣信號電壓；UrefN為該分流電路基準電壓；R1為限流電阻；R2為滯環比較器正端電阻；RF為反饋電阻；L為濾波電感。

圖2 限頻分流S3R系統架構

Fig.2 Architecture of frequency-limited shunt S3R system

在圖1所示的系統中，電路工作狀態由經過MPPT算法后輸出MPP母線電壓的目標值UMPPT_ref與反饋電壓(USa)作差，再送至MEA控制器，得到控制器輸出的誤差信號電壓UMEA。電路的分流狀態由UMEA值的大小和相應的N路電壓基準值決定，N路電壓基準值由串聯電阻的電壓構成。負載增大，母線電壓下降，對應UMEA值下降，N路分流電路逐級依次退出分流狀態；相反，負載減小，母線電壓上升，對應UMEA值也上升，N路分流電路依次進入分流狀態。

限頻分流電路設計主要包括限頻分流滯環比較電路設計、開關頻率設計、濾波電感設計以及母線濾波電容設計等。

1.1.1 滯環比較電路設計

滯環比較電路由滯環(施密特)比較器組成(圖2中虛線框部分)，控制信號電壓UC、基準信號電壓UN(上下限電壓UHN和ULN)和輸出采樣信號電壓UA之間的關系，如圖3所示。

圖3 UC,UN,UA關系

滯環比較器某一路上限電壓為

(1)

滯環比較器某一路下限電壓為

(2)

根據式(1)和式(2)，可以得到滯環比較器的回差電壓為

(3)

1.1.2 開關頻率設計

調整級的頻率與母線紋波電壓(峰值)ΔU、太陽電池分陣電流ISan(n=1,2,3,…,N)、母線的濾波電容Co和負載對該分陣需要的電流ILN等參數有關。

當母線濾波電容充電時,設充電電流為IC，母線濾波電容充電時間為TR，放電時間為TD，放電電流為ID，則IC+ID=ISaN。由電容的伏安特性方程可計算母線濾波電容的電壓值，即

(4)

式中：t為電容的充電時間；i(ε)為充電電流，ε為形式積分參數。

對于輸出濾波電容Co,可得

(5)

式(4)和式(5)聯立，可推導出開關頻率為

(6)

由(6)可知，當IC=ID時，f最大。

1.1.3 濾波電感設計

由于太陽電池陣存在寄生電容CJ，濾波電感主要是抑制開通瞬間峰值電流。根據能量守恒，可得濾波電感為

(7)

式中：Uo為太陽電池陣開路電壓；UMPP為太陽電池陣最大工作點電壓；ΔI為短路電流。

1.1.4 母線紋波電壓計算

母線紋波電壓計算公式為

(8)

式中：K為采樣電路母線電壓的衰減比例；A為MEA電路的放大倍數。

由式(8)可見，母線紋波電壓的大小與母線濾波電容的大小沒有關系。

1.2 MPPT控制技術

太陽電池陣的輸出特性曲線如圖4所示，可知在電流源區域，太陽電池陣的輸出電流變化緩慢，而輸出電壓隨電流的微小減小快速增大；在電壓源區域，太陽電池陣的輸出電壓變化緩慢，而輸出電流隨電壓的微小增大快速減小。

圖4 太陽電池陣輸出特性Fig.4 Solar array output characteristics

傳統衛星平臺的MPPT算法主要應用于太陽電池陣輸出伏安曲線在小范圍變化，例如MPPT調節器常用在低壓輸出的太陽電池陣，高壓大功率輸出的太陽電池陣也是將太陽電池陣輸出電壓控制在一定范圍內應用，例如ESA近地地球軌道(LEO)衛星平臺的S3MPR系統母線電壓變化范圍限制在15 V以內，以確保MPPT精確跟蹤[9]。因為在傳統算法中電壓電流的擾動系數是固定的，因此電路本身的特點決定其在太陽電池陣輸出母線電壓范圍變化較小時應用效果較好，如果母線電壓范圍較大，其跟蹤效果很不理想。

1.2.1 MPPT算法設計與原理分析

圖5為MPPT追蹤過程。當MPPT模式工作運行時，通過電壓電流的交錯擾動，太陽電池陣輸出功率在P1和P2之間震蕩，并且P1,P2從兩邊向最大功率點Pmax收斂。

圖5 MPPT追蹤過程Fig.5 MPPT tracking operation

基于前文分析，本文設計的應用電壓電流交錯擾動法的MPPT算法電路如圖6所示，在增加復雜運算功能的基礎上，結構并不復雜，所用器件較少且工程上容易實現。另外，MPPT算法電路運行時不需要額外的功耗，能夠有效提升控制器的效率。該算法的基本原理是在最大功率點處dP/dt|tPmax=0，即

(9)

從而

UΔI+IΔU=0

(10)

進而

(11)

在如圖6所示的交錯擾動MPPT算法電路中，電流擾動工作時：①當輸入電壓大于工作參考電壓Uref1時，比較器3輸出低電平，通過通道選擇器控制，MPPT電壓調節系數切換至λ1，否則，MPPT電壓調節系數為λ0；②當輸入采樣電流大于工作參考電流Iref1時，比較器4輸出低電平，通過通道選擇器控制，MPPT電流調節系數切換至ξ1，否則，MPPT電壓調節系數為ξ0。

注：RMPP為MPPT頻率設置電阻；CMPP為MPPT頻率設置電容；EA為運算放大器；M1，M2為開關；λ0，λ1為電壓擾動系數；ζ0，ζ1為電流擾動系數；C1、C2為采樣保持電容；R1～R8為分壓電阻；Ps0，Ps1，Ks0，Ks1分別為RS觸發器的輸入信號參數。

圖6 MPPT算法電路

Fig.6 MPPT algorithm circuit

在太陽電池陣不同工作曲線下，根據其不同的工作電壓電流值，在合理范圍內選擇不同的擾動系數，從而對太陽電池陣輸出電壓、電流變化范圍較大時實現精確的MPPT控制輸出。在可靠性規范方面，MPPT算法電路采用三模冗余可靠性設計。

1.2.2 MPPT基準校正電路設計

根據目前工程應用發展趨勢，MPP母線與后級串聯型功率變換器之間無蓄電池掛載時，為保正后級功率變換器正常工作運行，需要控制太陽電池陣輸出電壓(即MPP母線)的上限與下限(本文設計上限140 V，下限90 V)。為防止由于基準信號異常出現太陽電池陣輸出電壓失控情況發生，在硬件上加入了MPPT基準校正電路，使MPP母線電壓嚴格控制在上下限之間。MPPT基準校正電路如圖7所示。

圖7 MPPT基準校正電路

Fig.7 Reference correction circuit of MPPT

2 試驗驗證與分析

為了對高壓大功率S3MPR電源控制器設計進行驗證，本文研制了一臺由10路太陽電池陣輸入、5 kW輸出功率的原理樣機。圖8為S3MPR單個模塊(5路太陽電池陣輸入，2.5 kW額定輸出功率)的試驗原理樣機平臺，圖9為試驗樣機系統原理框圖。

圖8 試驗原理樣機平臺Fig.8 Test prototype platform

注：Uref1～Uref10為限頻分流電路的電壓基準值。

圖9 試驗樣機系統原理框圖

Fig.9 Block diagram of test prototype system

表1給出了原理樣機的主要參數。其他的硬件試驗設備包括一臺直流電子負載(CHROMA 63024A)、10臺太陽電池陣模擬器(KEYSIGHT E4360A)，直流源一臺、示波器一臺(Tektronix)、萬用表一臺、電流探頭、電壓探頭、隔離探頭等。在本試驗中，太陽電池陣1作為直供母線的太陽電池陣(MPPT模式下)。

表1 S3MPR 原理樣機參數

2.1 MPPT試驗結果與分析

表2給出了太陽電池陣模擬器在本文MPPT算法下的試驗數據，測量了MPP母線電壓在90～140 V內不同伏安曲線下(相同電路參數)的MPPT跟蹤試驗數據。圖10給出了對應的試驗波形(圖中由于示波器自身的直流測量電壓值與真實值有一定偏差，因此以太陽電池陣模擬器顯示的數值為準，見表2)。

表2 太陽電池陣模擬器試驗結果

注：紅色曲線和綠色曲線分別為太陽電池分陣1的輸出功率和輸出電流；紫色曲線為MPP母線電壓；藍色曲線為MPP母線紋波電壓。

圖10 MPPT運行在不同伏安曲線下波形

Fig.10 MPPT operation waveforms at differentI-Vcurves

通過試驗結果可知：MPPT工作性能較好，在MPP母線電壓90～140 V內MPPT跟蹤精度較高(不小于99%)，同時MPP母線紋波電壓小，控制在1%以內，較好地解決了針對S3MPR系統MPP母線變化范圍較大時實現MPPT的正常工作與精確MPPT跟蹤的技術難點。

2.2 S3MPR電源控制器系統性能測試

由表2所示的試驗數據和圖10的試驗波形可以看出：本文設計的MPPT工作性能較好，母線電壓在較大范圍內變化時均能實現MPPT的正常工作和準確跟蹤。為了驗證S3MPR電源控制器的工作性能，進行在MPPT模式和非MPPT工作模式(S3R工作模式)之間切換測試試驗，測試條件為采用兩路太陽電池陣1和2供電。試驗開始時，太陽電池陣1處于MPPT模式，太陽電池陣2處于分流開關狀態，通過改變電子負載的阻值實現“MPPT工作模式→非MPPT工作模式(S3R工作模式)→MPPT工作模式”的順序切換工作。測試參數設置如表3所示，測試波形如圖11所示。為了測試S3MPR電源控制器的動態特性，設置負載以50 Hz頻率在6 A和16 A之間瞬變切換運行，如圖12所示。

表3 測試參數設置

圖11 S3MPR電源控制器跨模式性能測試Fig.11 Cross-mode performance test of S3MPR power controller

圖12 S3MPR電源控制器母線動態響應測試Fig.12 Bus dynamic response test of S3MPR system

從圖11中可以看出：電源控制器在MPPT工作模式與非MPPT工作模式之間可以相對平滑切換運行，響應較快(1 s左右完成模式切換且進入穩定運行狀態)，母線紋波變化較小，穩定性較好，電源控制器跨模式運行良好。從圖12可以看出：負載瞬變時母線紋波電壓約為2.1 V，母線電壓躍變速率為210 mV/ms，滿足衛星電源系統設計規范，說明其動態特性較好。因此，本文設計的S3MPR電源控制器性能良好，具有較高的工程應用價值。

3 結束語

本文設計的S3MPR電源控制器具有提升電路效率、MPPT運算電路結構簡單、可靠性好和性能優等特點。試驗測試結果表明：MPPT算法能實現太陽電池陣輸出伏安曲線范圍變化較大時對其最大功率進行跟蹤，且跟蹤效果較好；整個S3MPR電源控制器性能良好，能滿足高壓大功率空間電源應用平臺的需求。根據目前的研究結果，應在以下3個方面繼續開展研究工作。①在試驗過程中發現，MPPT算法跟蹤精度與采樣電流的線性度和準確率密切相關，后續要解決采樣電流的準確率與線性度的問題，以進一步提升MPPT跟蹤效果；②進一步研究在擴大MPP母線電壓范圍時(如低壓到高壓相差100 V以上)的MPPT精確控制問題；③進一步研究太陽電池陣被遮擋時存在多極點情況的MPPT控制技術。