基于E3MPR拓扑和电导增量法的空间电源系统研究

杜　青　崔　波　曾　毅　夏　宁　刘治钢（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

基于E3MPR拓扑和电导增量法的空间电源系统研究

杜青崔波曾毅夏宁刘治钢
（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

为满足高分辨率光学和雷达遥感卫星、深空探测器等航天器日益增长的电能需求，文章提出了一种基于顺序开关分流最大功率调节器（S3MPR）拓扑电路的电导增量峰值功率跟踪方法，克服了传统最大功率点跟踪（MPPT）变换器拓扑质量比功率低、效率不高的缺点，可减少最大功率点附近的振荡现象。搭建了Matlab-Saber的联合仿真平台和半物理试验平台，对所提出的电路和跟踪方法进行了验证。结果表明：基于S3MPR电路的电导增量峰值功率跟踪方法，可以实现对太阳电池阵最大功率点的有效跟踪，并具有较好的跟踪效率，证明仿真和试验平台合理有效。

航天器；最大功率点跟踪；顺序开关分流最大功率调节器；电导增量法

1　引言

随着空间技术的不断发展，高分辨率光学和雷达遥感卫星、空间武器平台和深空探测器等新型航天器对电能的需求越来越大，其负载功率已经达到数十千瓦级［1］。大多数航天器功率调节系统都是通过设定固定的参考工作点对电压进行调节，通常工作点电压低于最大功率输出点电压，能源利用率低。而采用太阳电池阵最大功率点跟踪技术，可以最大限度地利用太阳能电池转换的电能，在满足航天器功率需求的前提下可减小太阳翼的面积、减轻质量、降低热耗、优化航天器设计［2-3］。

传统的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）拓扑是通过太阳电池阵输出串联DC/DC变换器，实现对太阳电池阵输出最大功率的跟踪，该拓扑结构在美国的陆地卫星-4、5 （LANDSAT-4/5）、加拿大的雷达卫星-2（RADARSAT-2）、意大利宇航局的轻型伽马射线成像天文探测器（AGILE）等上都有成功的应用［4-5］。由于DCDC变换器不可避免地引入了功率半导体器件和电感变压器等磁性元件，使得传统MPPT拓扑的质量比功率较低，效率很难提高。2008年ESA在贝皮-科伦坡（BepiColombo）水星探测器上首次提出了顺序开关分流最大功率调节器（Sequential Switching Shunt Maximum Power Regulator，S3MPR）的新型拓扑结构［6］，该拓扑通过在太阳电池阵输出端串接顺序开关分流调节器（Sequential Switching Shunt Regulator，S3R）电路实现最大功率点的跟踪，具有很高的质量比功率和传输效率。目前，国内外已对MPPT技术进行了诸多研究，主要包括扰动观察法、电导增量法等［7-9］，但国内关于星载MPPT技术的研究大多停留在原理分析和仿真验证的阶段［9-10］，没有研制工程样机实现在轨应用。基于工程需求和对国外先进电源控制技术的跟踪，开展空间MPPT电源系统拓扑和控制算法的研究和实现是十分必要的。

本文提出了一种基于S3MPR拓扑的电导增量MPPT控制方法，S3MPR电路质量比功率高，电导增量控制方法对最大功率点跟踪准确；介绍了电导增量法控制流程，搭建了Matlab-Saber的联合仿真平台和半物理试验平台，最后给出了仿真分析和试验验证结果。

2　空间MPPT电源系统设计

2.1E3MPR电路拓扑

S3MPR电路拓扑结构如图1所示，SA1至SAn为n级太阳电池阵，输出串接S3R电路，主误差控制器（MEA）控制分流管Mosfet的开通和关断，从而实现对母线电压VBUS的调节。与传统的S3R电路不同，S3MPR电路的电压参考值VMPP不再是一个固定值，而是一个跟随太阳电池阵最大输出功率点的变量，该变量由最大功率点（MPP）控制器生成。

MEA的控制方式与传统的恒压型S3R电路调节方式相同，采用滞环控制，滞环门限电压从SA1至 SAn依次线性降低。假设MPP控制器已经追踪到当前太阳电池阵最大工作点电压VMPP，当VBUS＞VMPP时，MEA输出误差信号正向增加，使得分流管导通的数量增加，供电母线电容阵上的电流减少，母线电压下降；当VBUS＜VMPP时，MEA输出误差信号降低，使得分流管导通的数量减少，供电母线电容阵上的电流增加，母线电压上升；当VBUS与VMPP接近时，MEA输出误差信号维持在一个恒定的正值，滞环门限与之最接近的分阵处于调节状态，滞环门限高的分阵分流管关闭，滞环门限低的分阵分流管导通。从而使VBUS稳定在VMPP的设定值。

图1　S3MPR拓扑Fig.1　Topology of S3MPR

和传统的MPPT系统相比，S3MPR的优势主要体现在:

（1）能够保持太阳电池阵始终输出最大功率。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。

（2）技术继承性好。整个拓扑结构是在S3R基础上进行的调整，而S3R是应用非常成熟的功率调节技术。

（3）具有很高的功率比质量。S3R部分约为5kW/kg，电效率约为98%。

2.2电导增量法寻优机理

目前，虽然关于MPPT的算法很多，但是由于航天器特殊的应用条件及高可靠性要求，在航天器上应用的算法还很少，仍以扰动观察法及其改进算法为主。为了更贴近工程应用，本文采用电导增量法来实现太阳电池阵最大功率点的跟踪，该方法目前在光伏发电等民用领域已得到应用。

图2为太阳电池阵输出功率随电压变化的曲线。电导增量法是基于“太阳电池阵功率曲线的导数在最大功率Pmax处为0，在Pmax左边功率曲线变化斜率为正，在Pmax右边功率曲线变化斜率为负”对太阳电池阵最大功率点进行跟踪的，如式（1）所示。

根据式（2）可以通过比较瞬时电导和电导增量来跟踪最大功率点。

图2　太阳电池阵输出电压-功率曲线Fig.2　Output voltage-power curve of solar array

电导增量法跟踪流程如图3所示，由式（2）可知，通过比较ΔI/ΔV和I/V的大小关系可以确定最大功率点的位置:当ΔI/ΔV＜—I/V时，应减小太阳电池阵的工作电压，从而增大输出功率；当ΔI/ΔV＞—I/V时，应增大太阳电池阵的工作电压，从而增大输出功率，但是实际工程中必须排除ΔV= 0这一特殊情况:当ΔV=0时，如果ΔI=0，则不须调整；如果ΔI＞0，则应增大太阳电池阵的工作电压，反之须要减小太阳电池阵的工作电压。

电导增量法的最大优点是，当外界光照强度发生迅速变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化，从而保证最大功率的输出。与扰动观察法相比，虽然电导增量法仍然是以改变太阳电池输出电压来达到最大功率点，但是它是凭借修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象的，因此更能适应光照强度和温度瞬息变化的环境条件。

图3　电导增量法控制流程图Fig.3　Control flow chart of incremental conductance method

3　仿真和试验

3.1仿真分析

如第2节所述，空间MPPT电源系统可以划分为S3MPR拓扑和MPPT控制算法两部分，前者为硬件电路设计，后者为控制算法设计，这就要求仿真环境能够很好地支持实际电路仿真和控制算法仿真，并且可以实现两部分仿真结果的实时交互。

目前，用于电力电子领域的仿真软件主要包括Pspice、Saber、Psim和Matlab。其中Psim操作简单，可以完成简单的原理性仿真；Pspice、Saber功能强大，可以实现器件级的电路仿真，而Matlab中的Simulink模块侧重于对系统进行动态建模和仿真，在自动控制领域应用极为广泛。上述软件各具优势，但都不能很好地满足文中控制方法和硬件电路相结合的仿真需求。为此，本文选定了Matlab和Saber相结合的联合仿真环境。

利用SaberCosim接口，以Saber作为主仿真器，在该平台下搭建S3MPR拓扑、调节电路和驱动电路，在Matlab中搭建MPPT控制算法，仿真过程中自动启动Simulink，Saber将S3MPR拓扑中的采样电压和电流实时传递给Simulink，Simulink经过MPPT控制算法处理后输出含有功率信息的误差信号传递给Saber，经过调节电路和驱动电路后，生成驱动信号控制S3MPR拓扑中的开关管动作。

利用Saber软件搭建的S3MPR电路模型如图4所示。设计了10级太阳电池阵和S3R电路，按照SA10至SA1的顺序实现逐级分流；选择MPP母线电压Vf为电压反馈信号，第一级分阵的输出电流if为电流反馈信号，将二者送至MPPT控制器，经过MPPT算法后输出母线电压的目标值Vref，与反馈电压作差后得到MPP母线电压误差信号empp，再送至PI调节器，得到调制后的误差信号，再分别送至各级的总线滞回比较器，驱动S3R电路中Mos管的开通和关断。

图4　S3MPR电路模型Fig.4　Model of S3 MPR circuit

太阳电池阵的数学模型参考式（3）为

式中:Iph为太阳电池阵输出电流；Io为反向饱和电流；q为电荷电量（1.6×1019C）；n为二极管因子；K为玻耳兹曼常数（K=1.38×10—23J/K）；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻；I为太阳电池阵输出电流；V为太阳电池阵输出电压。

图5为基于Matlab的算法模型，SaberCosim 是Matlab中调用Saber的控件。首先将Saber中传入的母线电压Vf和第一级分阵的输出电流If做滤波处理，然后，再将其相乘得到当前太阳电池阵的输出功率Pf。该信号为一个离散信号，经过采样保持器后可以得到连续的功率信号。将此连续的功率信号送至MPPT算法模块，完成对输出功率的最大值跟踪控制。经过运算，MPPT算法模块最终将输出目标母线电压信号Vref，回传给Saber。MPPT算法模块通过M函数编程实现。

图5　Matlab控制算法模型Fig.5　Matlab control algorithm model

太阳电池阵采用由128单体串连，共3串单体并联的组合方式，最大功率点输出电压为58.112V，输出电流为1.413A，最大功率为82.112W。

图6为电导增量法的仿真结果。电压调节步长ΔV取0.2 V，从图6可以看出，采用电导增量法的母线电压经过一次下调后稳步上升，大约2 s后稳定在最大功率点81.196W，跟踪效率可达99%。

图6　仿真结果Fig.6　Simulation results

3.2试验验证

半物理试验硬件由S3MPR电路、工控机、方阵模拟器和电子负载组成。

采用方阵模拟器代替真实的太阳电池阵，通过太阳电池阵模拟器控制软件可以实现对电池阵开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点输出电压Vmp和最大功率点输出电流Imp的设置；S3MPR电路实物如图7所示，包括S3R部分、驱动部分、控制板和电容阵，控制板一方面可以将输入的目标母线电压Vref转变为方波信号，逐级驱动S3R电路，另一方面可以实现母线电压Vf和电池阵1输出电流If的信号采集。工控机内集成了NI的数据采集卡，可以实现0～10V模拟信号的采集和给定。共设计了10路S3R电路，单路分流能力为5A/路，母线电压的调节范围为20～41V。

图7　S3MPR电路实物图Fig.7　S3 MPR circuit

半物理试验软件平台主要包括太阳电池阵模拟器控制软件、虚拟仪器软件Labview和C++6.0编译器。太阳电池阵模拟器控制软件用于设置电池模拟器的输出特性，Labview用于编写人机交互的监控界面，C++6.0编译器用于编写MPPT算法并生成dll文件，方便Labview调用。

设定方阵模拟器单个分阵的开路电压Voc=36V、短路电流Isc=1.2A、最大功率点输出电压Vmp= 34V和最大功率点输出电流Imp=1A，则每个分阵最大功率点功率Pmp=34W，共开启10个分阵。设定电子负载为恒流模式，总负载电流值2A。

先将监控界面的控制模式设为恒压模式（不进行MPP跟踪，工控机输出固定的目标母线电压Vref=28.7V），测得MPP母线电压稳态波形如图8所示。可以看出，母线电压平稳，纹波不超过150mV，S3MPR电路工作稳定。

再将监控界面的控制模式设为MPPT模式，图9为电导增量法的试验结果。从测试曲线可以看出，在启动MPPT模式后，Vf经过短暂的调整后迅速追踪到了最大功率点的方向并逐步逼近，约3s后在34V附近形成小幅振荡，振幅约为0.25V，母线输出电流If约为0.95A，进而得到追踪到的最大功率Pmp=32.3W，跟踪效率可达95%。

图8　MPP母线电压稳态波形图Fig.8　Static voltage waveform of MPP bus

图9　电导增量法试验结果Fig.9　Results of incremental conductance method

4　结束语

本文提出了一种基于S3MPR拓扑和电导增量法的空间MPPT电源系统技术方案，搭建了一套基于Matlab-Saber的联合仿真平台，最大程度地发挥了Matlab软件在控制算法方面和Saber在硬件电路方面仿真的优势。对S3MPR电路和电导增量法进行了仿真，峰值功率跟踪效率可达99%；搭建了S3MPR电路、工控机、太阳电池阵模拟器和电子负载的半物理试验平台，对电路和算法进行了试验验证，峰值功率跟踪效率可达95%。仿真和试验结果表明:S3MPR电路工作稳定，可以实现对太阳电池阵最大功率点的有效跟踪，证明仿真平台和试验平台合理有效，可为后续MPPT在航天器电源系统中的设计和工程应用提供参考。

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（编辑：李多）

Research of Space Power System Based on S3MPR Topology and Incremental Conductance Algorithm

DU Qing CUI Bo ZENG Yi XIA Ning LIU Zhigang
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

To meet the growing energy demand of the new spacecraft such as high resolution optic and radar remote sensing satellites，and deep space probes，an incremental conductance peak power tracking method based on S3MPR topology circuit is presented in this paper.The shortcomings of traditional MPPT topology such as low power-to-mass ratio and low efficiency are overcome.The incremental conductance method can be used to reduce the oscillation near the maximum power point.A co-simulation platform and semi-physical experimental platform is built to validate the circuit and control method.The results show，that the incremental conductance peak power tracking method based on S3MPR circuit can achieve effective tracking of the maximum power point of the solar array，and has high tracking efficiency，and the simulation and experiment platform is reasonable and effective.

spacecraft；MPPT；S3MPR；incremental conductance method

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.012

2016-01-18；

2016-02-15

国家自然科学基金（51307006）

杜青，男，博士，研究方向为航天器电源系统总体设计。Email：danielduqing@163.com。