高轨大功率卫星电源系统的MPPT技术

赵国伟，韩献堂

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

高轨大功率卫星电源系统的MPPT技术

赵国伟，韩献堂

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

针对高轨大功率卫星的环境特点，对空间电源系统设计开展研究。高轨大功率卫星通常采用直接能量传输(DET)方式的电源系统，为保证卫星寿命末期电源系统的功率输出，通常把太阳电池方阵寿命末期的最大功率点设在母线电压附近，这就导致卫星寿命初期太阳能的利用率较低，提出了一种控制方法，保持DET电源系统的高传输效率优势的同时，采用分段固定电压最大功率跟踪(MPPT)技术，实现太阳电池方阵始终接近最大功率输出，从而寿命初期的能源利用率远高于其他形式的电源系统。

空间电源系统；最大功率点跟踪；能源利用率

随着空间技术的快速发展，大功率、轻量化成为了卫星发展的主要方向[1]。受这两个条件的约束，高比功率成为了电源系统的主要发展方向。

高轨大功率卫星，星箭分离后，电源系统为整星供电，随着轨道环境的变化，以及姿态的调整，太阳电池阵的输出功率也发生变化，如何充分利用能源成为了首要解决的任务。

目前常见的航天电源系统可以分为：采用传统直接能量传输(DET)的电源系统和采用最大功率点跟踪(MPPT)控制技术的电源系统两种方式：

传统直接能量传输(DET)电源系统：传输效率高，适合高轨光照环境稳定的卫星，初期能源利用率较低，末期能源利用率高。图1为直接能量传输方式。

最大功率点跟踪电源系统(分为并联调节方式和串联调节方式)：

串联调节方式(图2)：传输效率比较低、热耗大，但光能转换效率高，适合低轨道小卫星，能源利用率比较稳定。

图1 直接能量传输方式

图2 串联调节方式MPPT电源系统

并联调节方式(图3)：传输效率低、热耗大，但光能转换效率高，适合深空探测大功率卫星。

图3 并联调节方式MPPT电源系统

对于高轨大功率卫星而言，如果选择以上MPPT电源系

?统，由于系统拓扑中串入的DC/DC变换器始终工作，热耗很大，尤其是在光照期，其热耗明显高于传统DET电源系统，增大整星热控的难度，而且在卫星寿命末期其能源利用率反而低于DET电源系统，所以高轨大功率卫星通常不采用以上MPPT电源系统，而是采用传统DET电源系统。

以100 V母线为例，对各电源系统的电性能进行了对比(能源利用率等于太阳能的转化效率与电源的传输效率乘积，其代表母线的功率输出能力)，见表1和表2。

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经过数据分析，可知在卫星寿命末期，传统DET电源系统明显优于MPPT电源系统，在全卫星寿命中，热耗明显小于MPPT电源系统，高轨大功率卫星通常选择传统DET电源系统。

传统DET电源系统电源传输效率很高，如果能够提高其太阳电池阵的光电转化效率，其优势将更加明显，在卫星寿命初期增大母线的输出能力。

基于以上设想，仅针对高轨大功率卫星，本文提出了一种基于DET电源系统的MPPT控制技术。

1 DET电源系统的MPPT技术

1.1 MPPT工作原理

太阳电池的输出具有非线性特性，其输出功率主要受光照强度、环境温度和输出电压影响，在一定的光照强度、环境温度条件下，太阳电池可以在不同的输出电压工作，但只有在某一输出电压时，输出功率最大，称该点为最大功率点，所以调整太阳电池阵输出功率的一个有效途径就是，调整太阳电池阵的输出电压，使其电压保持在最大功率点电压附近，即实现了最大功率点的跟踪(MPPT)。

在光照强度和温度不变的情况下，太阳电池的基本特性曲线如图4所示。可以看出太阳电池在低电压区域内可以视为电流源，在较高电压区可以视为恒压源，最大功率点在恒流源和恒压源的交叉处。

在光照情况变化较快的环境下，采用MPPT算法，不断地调节功率点，使电源系统的功率输出跟随最大功率点。

在光照情况变换很缓慢的环境下，且清晰地知道最大功率点电压的情况下，采用固定电压法，也可以实现最大功率点的跟踪，电路实现相对简单很多，电路可靠性也更高。

图4 太阳电池I-V曲线

1.2 DET电源系统的最大功率点跟踪设计

高轨大功率卫星的光照情况，相对很稳定，变化周期很长，这就为采用一段时间内固定电压法实现MPPT技术，提供了条件，每过一段时间重新设定一次母线电压，在每一段时间里，太阳电池阵都工作在最大功率点，也就实现了最大功率点跟踪的目的。

图5是采用了MPPT技术的DET电源系统，相对传统的DET电源系统，其主误差放大(MEA)电路进行了重新设计。

图5 采用MPPT技术的DET电源系统

传统的DET电源系统，MEA的基准电压固定不变，从而母线电压一直不变，功率点无法调节，而图5电源系统中的MEA基准电压是可调节的，由N个基准电压和多路开关选通电路组成，通过改变基准电压来改变母线电压，使其接近最大功率点对应的母线电压，最终太阳电池方阵以近似最大功率输出。电路设计简单可靠，但带来的优势非常明显。

如果需要基准电压的调节档位很多，采用以上的方式不再适合，可以采用D/A转换器实现基准电压的变化，例如需要256档电压档位，设计如图6所示。

图6 MEA基准电压电路

通过8位D/A转换器，对基准电压Vref进行了256档的分压，作为MEA的基准电压，最终实现了母线电压的256档可调。

1.3 采用了MPPT技术的DET电源系统与传统DET电源系统对比分析

由于采用了MPPT技术，光电转化效率始终保持99%左右，电源传输效率不变。

同样是100 V的DET传输方式的电源系统，两种不同的控制方式，电性能对比如表3和表4所示。

????????????????????????????????? ?????? ?????? ????? ?????????? 86 98 84.3 2???????????????? 99 98 97 2????????????????????????????????? ???????????? ????? ?????????? 99 98 97 2???????????????? 99 98 97 2

数据表明，无论是初期还是末期，采用了MPPT技术的DET电源系统，能源利用率都保持在97%，在卫星寿命初期相对传统DET电源系统提高了15%左右(相对提高的比例=97%÷84.3%－1)。卫星寿命末期与传统DET电源系统各项电性能相当。

结合前面的表格可以得出结论，针对高轨大功率卫星的环境特点，采用了MPPT技术的DET电源系统在卫星寿命的各个阶段，能源利用率最高，其热耗最低，但对母线电压范围有一定的要求。

2 案例分析以及实验验证

2.1 实际案例方案设计

已知某高轨大功率卫星，整星负载功率需求10 kW，容许输入电压范围为95～120 V。

其电源系统初步方案设计为：电源控制器采用了传统的DET方式的，母线电压为100.3 V稳定电压，太阳电池方阵在各阶段的输出特性如表5。

????????????????????? ??????100.3 V??????/W???? 118 12 686???? 119 12 265???? 117.5 13 115???? 106 11 935???? 108 11 521????????????????/V???????? 105.5 12 335???? 107 11 970???? 110.6 10 566???? 108.5 11 317???? 99.5 11 507???? 102.5 10 159???? 100.7 10 882

为了能够更充分地发挥卫星的作用，对卫星电源系统的母线输出功率提出了新的要求：转移轨道初期提高17%，转移轨道末期和同步轨道初期提高5%。

由太阳电池阵地I-V曲线可知，在最大功率点的左侧电流近似于恒定，所以在最大功率点左侧，电压增加的比例就近似等于功率增加的比例，所以针对轨道的不同阶段，在不超过最大功率点对应的电压前提下，适当增加母线电压，便可以实现母线输出功率增加，满足功率需求。

针对不同寿命期间和轨道光照情况，设定不同的母线电压，其输出能力如表6。

经过数据分析，DET电源系统采用了分段定电压MPPT技术后，太阳电池阵没有增加的情况下，寿命初期输出能力大幅度提高。

?????????????????????????????? ?? ????????????????/V??????/V!"????100.3 V????????/%???? 117.3 14 836 17???? 117.3 14 344 17???? 117.3 15 338 17??? 105.3 12 529 5??? 105.3 12 095 5#$????? 105.3 12 949 5???? 105.3 12 566 5???? 105.3 11 092 5???? 105.3 11 881 5??? 100.3 11 507 0??? 100.3 10 159 0??? 100.3 10 882 0

2.2 实验电路设计验证

根据方案设计，母线电压设3档电压值[(100.3±0.29)V、(105.3±0.29)V、(117.3±0.29)V]，设置3路基准电压，根据不同轨道太阳电池阵具体情况，选通需要的档位，实现功率的增加，实验平台电路框图如图7所示。

图7 实验平台电原理框图

实验条件：方阵设置(120 V，0.5 A)；负载0.1 A；S3R电路模块一个；MEA电路板一块；选通电路板一块。图8为实验平台。

图8 实验平台

转移轨道初期，通过遥控指令，选通117.3 V对应的基准电压档，母线电压工作在117.31 V，相对100.3 V母线，提高17%的功率输出。

转移轨道末期和同步轨道初期，通过遥控指令，选通105.3 V对应的基准电压档，母线电压工作在105.254 V，相对100.3 V母线，提高5%的功率输出。

同步轨道末期，通过遥控指令，选通105.3 V对应的基准电压档，母线电压工作在100.386 V，功率输出基本接近最大功率点功率。

3 结束语

对于目前在轨的卫星而言，其电源系统类型的选择和光照环境有很大关系，通常低轨小卫星和深空探测，由于光照条件变化较快，比较适合采用常规的MPPT电源系统，而高轨大功率卫星，由于光照条件稳定、太阳电池阵衰减缓慢，综合考虑通常采用固定母线电压的DET电源系统，而本文提出的变母线电压的DET电源系统，仅针对高轨大功率卫星的光照条件，结合了常规MPPT电源系统和DET电源系统的优点，实现了电源系统的高能源利用率和低热耗，希望为我国的卫星电源系统设计，提供一种全新的参考。

[1]刘治钢，蔡晓东，陈其，等.采用MPPT技术的国外深空探测器电源系统综述[J].航天器工程，2011，20(5)：105-106.

MPPT technology for high-orbit and high-power satellite power system

ZHAO Guo-wei,HAN Xian-tang
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Based on the environmental characteristics of high-orbit power satellite,the space power system was researched.High-orbit power satellites usually adopt DET power transmission system.To ensure the output of power system at the end life of satellite,the end-life maximum power point of solar array usually locates near the bus voltage.This leads to lower solar energy utilization in initial-life of satellite.A control method was presented.While maintaining high-efficiency transmission advantages of DET power system,the segment fixed voltage MPPT technology was used to make solar array always close to the maximum power output,allowing the initial-life energy efficiency much higher than other power systems.

space power system;MPPT;energy efficiency

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1675-04

2016-01-15

赵国伟(1982—)，男，天津市人，工程师，硕士，主要研究方向为空间电源技术。