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迄今為止，絕大多數衛星電源都采用太陽陣加蓄電池的供電方式。光照期間，太陽陣一方面為整星載荷提供能量，另一方面對蓄電池進行充電;蓄電池則負責在陰影期或峰值功耗時釋放存儲的能量為載荷供電。根據太陽陣的V-I曲線可知，在任一特定的條件下，太陽陣都有一最佳工作點，在此工作點太陽陣輸出的功率最大。 目前，國內衛星均采用直接能量傳輸方式(DET)，在此方式下，電源系統將太陽陣輸出的能量直接提供給星上載荷。但由于受光照強度、溫度以及使用年限等因素的影響，太陽陣輸出電壓、電流將不斷衰減，直接能量傳輸方式未對太陽陣的最大功率點進行跟蹤，這勢必造成太陽陣輸出能量的浪費。本文針對這一現象，提出一種基于太陽陣最大功率點跟蹤方式(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，通過在太陽陣輸出環節增加一輔助電路，將太陽陣工作點維持在最大功率點，極大地提高太陽陣利用效率。 MPPT理論簡介 MPPT本質上是一個用作阻抗匹配的DC/DC電路，通過控制DC/DC電路對整星阻抗進行匹配。鑒于太陽陣的光伏特性受到外界諸多因素影響(光照強度、溫度等)，其輸出特性呈現非線形特征，為了問題的簡化，太陽陣的模型可以看作是一個直流電源和一個電阻的串聯，其中電阻是一個受到外界因素(光照、溫度、輻射等)影響的可變電阻。這樣，當外界因素發生變化時，勢必造成可變電阻阻值的波動，進而影響太陽陣輸出特性。利用DC/DC電路所構成的MPPT功能電路(圖1)，圖中R表示任一時刻整星的等效載荷。 雖然太陽陣和DC/DC電路是非線性的，然而在極短時間里，可以作為線性電路處理。根據戴維寧定理可以將方框外的電路等效為一個阻抗，假設此阻抗為Req，則任一時刻此等效阻抗Req上得到的功率為： 等式兩邊對Req求導并化簡得： 當分子為零時，亦即Req等于Rs時，太陽陣將輸出最大功率，假設DC/DC電路為理想電路，不存在能量的消耗，則載荷上將得到最大功率。所以欲使任一時刻載荷獲得最大功率，需要一個能夠對整星阻抗進行匹配的DC/DC電路，通過此電路對整星阻抗重新匹配，使得其盡可能逼近太陽陣模型中的等效阻抗Rs。 目前，常用的DC/DC電路有降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk電路以及正、反激電路。假設上述幾種電路都為理想電路，則它們的等效輸入阻抗分別如下(a為開關器件的占空比，0 由上式可知，降壓斬波電路無論如何變化，電路的等效輸入阻抗總是大于有效載荷R;升壓斬波電路則剛 這樣，最大功率點的跟蹤就可以轉化為DC/DC電路占空比的控制問題，通過占空比的調制，使得星上載荷獲得最大功率。由于星上某一時刻實際工作載荷阻抗的不確定性，DC/DC電路必須具備雙向性調節(既可以增大等效輸入阻抗，亦可以減小等效輸入阻抗)。雖然相關文獻中[2,3]，DC/DC電路有采用降壓斬波電路和升壓斬波電路，但是根據上述分析可知，這兩種電路有其自身的局限性的(當R>Rs，降壓斬波電路將無法匹配整星阻抗，使得Req=Rs，以期太陽陣輸出功率最大;升壓斬波電路類似)。所以鑒于星上某一時刻實際工作載荷的不確定性，DC/DC電路應選擇采用反激電路、升降壓電路或Cuk電路為佳。 MPPT理論的實現 目前最大功率點控制方法很多，常用的有恒壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法以及增量電導法(INC)。恒壓跟蹤法是一種建立在外界溫度恒定前提下近似最大功率跟蹤方法，鑒于此種控制方法的局限性，不適合用于星上太陽陣控制;增量電導法是利用太陽陣輸出端動態電導值dI/dV，與此時靜態電導的負數-I/V相比較，控制太陽陣輸出電壓方向的一種最大功率點控制法。當傳感器精度有限時，滿足dI/dV=-I/V的概率有限，將不可避免產生誤差。 擾動觀察法具有控制方式簡單的優點。常規擾動觀察法是通過計算機周期性地采集太陽陣輸出電壓和電流，計算出輸出功率，并和上一次輸出功率進行比較，根據比較結果控制DC/DC電路。經過反復比較、控制，最終使得太陽陣工作在最大功率點附近。太陽陣在最大功率點振蕩的幅度取決于系統的采樣周期和執行時間。過大的采樣周期雖然可以提高跟蹤速度，但跟蹤過程中有可能會跨越最大功率點，最終會在最大功率點處振蕩，造成平均輸出功率大大低于最大功率，甚至無法跟蹤到最大功率點。過小的采樣周期，會對硬件電路提出更高的要求，不利于元器件的選取和增加系統的研制成本，而且，從系統的動態響應性角度考慮，如果某一時刻太陽陣的實際功率點偏離最大功率點過遠，過小的采樣周期將需要花費更多的時間才能跟蹤到位。所以常規擾動觀察法首先面臨著跟蹤步長選取難的問題。 此外，當外部環境快速變化時，常規擾動觀察法不能快速跟蹤，很容易造成誤判現象。例如，當太陽陣已經工作在最大功率附近，假設此時對應的占空比為Da，對應輸出功率為Pa(圖2)，當占空比擾動方向向右移動時，若日照強度沒有發生變化，則太陽陣輸出功率Pb> 所以，根據現有理論和上述常規擾動觀察法存在的缺點，本文提出一種鑒于三點比較理論的變步長控制方法，通過對DC/DC占空比的控制，實現對太陽陣最大功率點的快速跟蹤、定位。 首先在太陽陣的P-D曲線不同位置，從左向右任意取三點a、b、c，對應的輸出功率和占空比分別為Pa、Pb、Pc和Da、Db、Dc(圖 3)。先引入一個符號變量S，對于a、b兩點，若Pa≥Pb，則S=-1，否則S=1;對于b、c兩點，若Pc≥Pb，則S=1，否則S=-1。這樣，以 b點占空比Db為基準，Da=Db-l，Dc=Db+l。每一個采樣周期里，比較三點計算所得功率的大小，進而得到符號變量S的值，根據S決定占空比移動方向。 由圖3可知，當S=0時，工作點將不移動;當S=2時，工作點將向右移動;當S=-2時，工作點將向左移動。現在回顧上面所提及的常規擾動觀察法中，太陽陣誤判情形：Pb≤Pa，Pb≤Pc，此情形下S=0，工作點將保持不變，這樣就可以有效地避免光照快速變化時所引起的誤判現象。 變步長控制策略設計成一個子程序。首先根據三點比較法可以確定a、b、c的大概位置(相對與最大功率點而言)，然后設定一個系統可以接受的最小占空比變化率(假設此值為min a)，下面以三點在最大功率點左邊來闡述變步長控制策略。剛開始時，控制系統以一個較大步長的占空比變化率來調整。假設某一時刻系統占空比為D(n)，如果Pc-Pb≥e(e為一個很小的正數)，則保持原來的占空比變化方向和步長變化率λ;如果0≤Pc-Pb 在MPPT控制子程序中，判斷P是否為零，可以實現當衛星進入陰影期時，計算機放棄對DC/DC電路的控制權。光照期計算機通過定時程序，每隔一定的時間調用一次MPPT控制子程序進行最大功率點跟蹤，一輪最大功率點跟蹤到位的依據是DD(n)=0。當衛星由陰影期進入光照期時，通過采樣太陽陣從陰影期進入光照期輸出電流的變化，結合硬件電路產生計算機外部中斷，來啟動定時程序。 結語 本文對MPPT理論作了較為系統地闡述，對幾種常用的DC/DC電路展開討論，進而得到MPPT控制中DC/DC電路選取的依據，并且針對恒壓跟蹤法的局限性，增量電導法對采樣電路的依賴性以及常規擾動觀察法容易在最大功率點附近振蕩，造成能量損失，而且在光照快速變化時還容易引起誤判等情況，提出一種基于三點比較的變步長控制方法，它不但可以克服光照快速變化時的誤判和最大功率點處的振蕩現象，而且可以實現對最大功率點的快速跟蹤、定位。 星上太陽陣MPPT理論的提出，不但對減小衛星太陽陣的面積和重量，降低生產和發射成本起到積極的意義，而且可以優化衛星電源系統的設計。 |
