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迄今為止，絕大多數(shù)衛(wèi)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(duì)蓄電池進(jìn)行充電;蓄電池則負(fù)責(zé)在陰影期或峰值功耗時(shí)釋放存儲(chǔ)的能量為載荷供電。根據(jù)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(diǎn)，在此工作點(diǎn)太陽陣輸出的功率最大。 目前，國內(nèi)衛(wèi)星均采用直接能量傳輸方式(DET)，在此方式下，電源系統(tǒng)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(qiáng)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(duì)太陽陣的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，這勢(shì)必造成太陽陣輸出能量的浪費(fèi)。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，提出一種基于太陽陣最大功率點(diǎn)跟蹤方式(Maximum Power Point Tracking，MPPT)，通過在太陽陣輸出環(huán)節(jié)增加一輔助電路，將太陽陣工作點(diǎn)維持在最大功率點(diǎn)，極大地提高太陽陣?yán)眯省?br /> MPPT理論簡介 MPPT本質(zhì)上是一個(gè)用作阻抗匹配的DC/DC電路，通過控制DC/DC電路對(duì)整星阻抗進(jìn)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(qiáng)度、溫度等)，其輸出特性呈現(xiàn)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(gè)直流電源和一個(gè)電阻的串聯(lián)，其中電阻是一個(gè)受到外界因素(光照、溫度、輻射等)影響的可變電阻。這樣，當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，勢(shì)必造成可變電阻阻值的波動(dòng)，進(jìn)而影響太陽陣輸出特性。利用DC/DC電路所構(gòu)成的MPPT功能電路(圖1)，圖中R表示任一時(shí)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(shí)間里，可以作為線性電路處理。根據(jù)戴維寧定理可以將方框外的電路等效為一個(gè)阻抗，假設(shè)此阻抗為Req，則任一時(shí)刻此等效阻抗Req上得到的功率為： 等式兩邊對(duì)Req求導(dǎo)并化簡得： 當(dāng)分子為零時(shí)，亦即Req等于Rs時(shí)，太陽陣將輸出最大功率，假設(shè)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(shí)刻載荷獲得最大功率，需要一個(gè)能夠?qū)φ亲杩惯M(jìn)行匹配的DC/DC電路，通過此電路對(duì)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(shè)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(guān)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(diǎn)的跟蹤就可以轉(zhuǎn)化為DC/DC電路占空比的控制問題，通過占空比的調(diào)制，使得星上載荷獲得最大功率。由于星上某一時(shí)刻實(shí)際工作載荷阻抗的不確定性，DC/DC電路必須具備雙向性調(diào)節(jié)(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(guān)文獻(xiàn)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(jù)上述分析可知，這兩種電路有其自身的局限性的(當(dāng)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(shí)刻實(shí)際工作載荷的不確定性，DC/DC電路應(yīng)選擇采用反激電路、升降壓電路或Cuk電路為佳。 MPPT理論的實(shí)現(xiàn) 目前最大功率點(diǎn)控制方法很多，常用的有恒壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀察法以及增量電導(dǎo)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(dǎo)法是利用太陽陣輸出端動(dòng)態(tài)電導(dǎo)值dI/dV，與此時(shí)靜態(tài)電導(dǎo)的負(fù)數(shù)-I/V相比較，控制太陽陣輸出電壓方向的一種最大功率點(diǎn)控制法。當(dāng)傳感器精度有限時(shí)，滿足dI/dV=-I/V的概率有限，將不可避免產(chǎn)生誤差。 擾動(dòng)觀察法具有控制方式簡單的優(yōu)點(diǎn)。常規(guī)擾動(dòng)觀察法是通過計(jì)算機(jī)周期性地采集太陽陣輸出電壓和電流，計(jì)算出輸出功率，并和上一次輸出功率進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制DC/DC電路。經(jīng)過反復(fù)比較、控制，最終使得太陽陣工作在最大功率點(diǎn)附近。太陽陣在最大功率點(diǎn)振蕩的幅度取決于系統(tǒng)的采樣周期和執(zhí)行時(shí)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(huì)跨越最大功率點(diǎn)，最終會(huì)在最大功率點(diǎn)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(diǎn)。過小的采樣周期，會(huì)對(duì)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(tǒng)的研制成本，而且，從系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性角度考慮，如果某一時(shí)刻太陽陣的實(shí)際功率點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)過遠(yuǎn)，過小的采樣周期將需要花費(fèi)更多的時(shí)間才能跟蹤到位。所以常規(guī)擾動(dòng)觀察法首先面臨著跟蹤步長選取難的問題。 此外，當(dāng)外部環(huán)境快速變化時(shí)，常規(guī)擾動(dòng)觀察法不能快速跟蹤，很容易造成誤判現(xiàn)象。例如，當(dāng)太陽陣已經(jīng)工作在最大功率附近，假設(shè)此時(shí)對(duì)應(yīng)的占空比為Da，對(duì)應(yīng)輸出功率為Pa(圖2)，當(dāng)占空比擾動(dòng)方向向右移動(dòng)時(shí)，若日照強(qiáng)度沒有發(fā)生變化，則太陽陣輸出功率Pb> 所以，根據(jù)現(xiàn)有理論和上述常規(guī)擾動(dòng)觀察法存在的缺點(diǎn)，本文提出一種鑒于三點(diǎn)比較理論的變步長控制方法，通過對(duì)DC/DC占空比的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽陣最大功率點(diǎn)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(diǎn)a、b、c，對(duì)應(yīng)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(gè)符號(hào)變量S，對(duì)于a、b兩點(diǎn)，若Pa≥Pb，則S=-1，否則S=1;對(duì)于b、c兩點(diǎn)，若Pc≥Pb，則S=1，否則S=-1。這樣，以 b點(diǎn)占空比Db為基準(zhǔn)，Da=Db-l，Dc=Db+l。每一個(gè)采樣周期里，比較三點(diǎn)計(jì)算所得功率的大小，進(jìn)而得到符號(hào)變量S的值，根據(jù)S決定占空比移動(dòng)方向。 由圖3可知，當(dāng)S=0時(shí)，工作點(diǎn)將不移動(dòng);當(dāng)S=2時(shí)，工作點(diǎn)將向右移動(dòng);當(dāng)S=-2時(shí)，工作點(diǎn)將向左移動(dòng)。現(xiàn)在回顧上面所提及的常規(guī)擾動(dòng)觀察法中，太陽陣誤判情形：Pb≤Pa，Pb≤Pc，此情形下S=0，工作點(diǎn)將保持不變，這樣就可以有效地避免光照快速變化時(shí)所引起的誤判現(xiàn)象。 變步長控制策略設(shè)計(jì)成一個(gè)子程序。首先根據(jù)三點(diǎn)比較法可以確定a、b、c的大概位置(相對(duì)與最大功率點(diǎn)而言)，然后設(shè)定一個(gè)系統(tǒng)可以接受的最小占空比變化率(假設(shè)此值為min a)，下面以三點(diǎn)在最大功率點(diǎn)左邊來闡述變步長控制策略。剛開始時(shí)，控制系統(tǒng)以一個(gè)較大步長的占空比變化率來調(diào)整。假設(shè)某一時(shí)刻系統(tǒng)占空比為D(n)，如果Pc-Pb≥e(e為一個(gè)很小的正數(shù))，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(shí)現(xiàn)當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入陰影期時(shí)，計(jì)算機(jī)放棄對(duì)DC/DC電路的控制權(quán)。光照期計(jì)算機(jī)通過定時(shí)程序，每隔一定的時(shí)間調(diào)用一次MPPT控制子程序進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，一輪最大功率點(diǎn)跟蹤到位的依據(jù)是DD(n)=0。當(dāng)衛(wèi)星由陰影期進(jìn)入光照期時(shí)，通過采樣太陽陣從陰影期進(jìn)入光照期輸出電流的變化，結(jié)合硬件電路產(chǎn)生計(jì)算機(jī)外部中斷，來啟動(dòng)定時(shí)程序。 結(jié)語 本文對(duì)MPPT理論作了較為系統(tǒng)地闡述，對(duì)幾種常用的DC/DC電路展開討論，進(jìn)而得到MPPT控制中DC/DC電路選取的依據(jù)，并且針對(duì)恒壓跟蹤法的局限性，增量電導(dǎo)法對(duì)采樣電路的依賴性以及常規(guī)擾動(dòng)觀察法容易在最大功率點(diǎn)附近振蕩，造成能量損失，而且在光照快速變化時(shí)還容易引起誤判等情況，提出一種基于三點(diǎn)比較的變步長控制方法，它不但可以克服光照快速變化時(shí)的誤判和最大功率點(diǎn)處的振蕩現(xiàn)象，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的快速跟蹤、定位。 星上太陽陣MPPT理論的提出，不但對(duì)減小衛(wèi)星太陽陣的面積和重量，降低生產(chǎn)和發(fā)射成本起到積極的意義，而且可以優(yōu)化衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 |
