高压大功率S3MPR电源控制器设计与验证

谢伟 靳洋 董宝磊 董梦雪 蓝建宇 林志松 何小斌

(上海空间电源研究所 空间电源国家重点实验室，上海 200245)

空间电源系统是保证航天器可靠运行的重要子系统之一。随着航天技术的发展，航天器对电能的需求越来越大，其负载功率已达数十千瓦[1]。在深空探测领域，由于光照的变化，传统的直接能量传输(DET)[2]拓扑结构使得太阳能利用率较低。为了提高太阳电池的利用率，最大功率点跟踪(MPPT)技术得到了广泛研究与应用[3-7]。

传统MPPT技术应用于太阳电池阵输出搭载串联的DC/DC变换器，以实现对太阳电池阵的最大功率跟踪输出，但是，它存在低效率、高损耗、电路复杂、动态响应慢的缺点。针对这些问题，文献[8]中提出了顺序开关分流最大功率调节器(S3MPR)拓扑结构。该拓扑结构相对简单，结合顺序开关分流调节器(S3R)拓扑，可根据负载要求实时输出太阳电池阵的功率。文献[9]中针对地球静止轨道(GEO)电信卫星设计了基于S3MPR拓扑结构的调节器，以实现太阳能电池的最大功率输出。该调节器输出为不调节母线电压，且最大功率点(MPP)母线纹波控制在5%以内，还增加了三模冗余可靠性设计。国内关于S3MPR技术的研究也取得不少进展。文献[10]中对基于S3MPR电路拓扑的MPPT技术进行研究，搭建了Matlab+Saber的联合仿真平台和半物理试验平台，采用电导增量法的MPPT技术，抑制最大功率点附近的振荡现象。文献[11]中对S3MPR技术进行研究，将MPPT算法内置于单片机内，采用数字控制技术实现S3MPR技术功能，并对工程化应用进行了设计。可见，在国外，S3MPR技术大多应用于低压太阳电池阵输出平台，而且在高压太阳电池阵输出平台应用时母线电压也是控制在一定范围内。国内关于S3MPR技术的研究依靠仿真及数字实现方式较多，针对航天应用场景采用模拟方式实现S3MPR技术的研究相对较少。因此，目前国内外关于S3MPR的算法研究与应用只是针对太阳电池阵最大功率输出电压在小范围变化的场合,在输出电压电流范围较大时已有控制方式难以保证全范围MPPT的精确跟踪，而且母线纹波较大，不利于后级变换器的稳定控制。

本文针对高压大功率及太阳电池阵最大功率输出电压变化范围较大的S3MPR应用需求，提出一种S3MPR电源控制器设计，可实现太阳电池阵最大功率输出电压变化范围较大时，在全输出电压范围内实现MPPT正常工作与精确MPPT跟踪技术，具有较高的工程应用价值。

1 S3MPR电源控制器设计

考虑空间特殊环境单粒子翻转带来的数字控制系统容错能力不足、抗扰能力差等环境适应性问题，以及数字芯片成本高昂等问题，本文采用模拟电路方式设计S3MPR电源控制器，使其同时具备MPPT模式和固定工作模式。当后级的功率需求大于单个太阳电池阵列的最大输出功率时，电路以MPPT模式工作运行；否则，最大功率点(MPP)参考电压切换到固定的电压基准，这样母线从不调节控制模式转换为全调节控制模式，电路运行在经典模式(S3R模式)下运行，其中MPPT算法电路被禁用。围绕母线电压较大范围变化的应用背景，优化设计S3MPR控制电路及控制算法，确保太阳电池阵MPP点范围变化较大时调节器的MPPT功能正常，并且能准确跟踪太阳阵最大功率输出。

结合S3R拓扑实现太阳电池阵列的MPPT功能，是在设计时必须要考虑的因素。

(1)MPPT正常工作的先决条件是要求最少两路的太阳电池阵列能够完全连接到MPP母线，这就决定MPPT正常工作时至少需要一路处于非分流状态。

(2)对于MPPT的启动和正常运行，必须限制MPPT电压基准的最大值和最小值，特别是保护有效载荷的最大值。

(3)根据负载需要输出太阳电池阵输出功率，决定其工作在MPPT模式还是固定工作模式。当负载需要时，能够工作在MPPT模式；当负载功率需求减小时，逐级退出MPPT模式，当需求功率足够小(小于单阵最大功率)时，工作在固定工作模式。同时，通过限制电压基准值范围以限制固定工作点的母线电压范围。

(4)MPPT的扰动频率应足够低，以确保系统能够稳定运行。

(5)在可靠性方面，为了避免单点失效，MPPT电路采用三模冗余设计。

为了在太阳电池阵MPP范围变化较大时，确保MPPT的正常运行并实现MPPT的准确跟踪，本文通过在太阳电池阵输出不同电压电流范围内采用不同的扰动系数方式，优化设计S3MPR电源控制器的控制电路及控制算法。S3MPR电源控制器拓扑结构如图1所示，所有太阳电池分阵在相同的MPP电压下工作，不同太阳电池分阵的MPP电压失配的影响较小。

注：Sa为太阳电池分阵，共有N个；USa为MPP母线采样电压；ISa为Sa1采样电流；MEA为主误差放大器,UMEA为其输出电压；UMPPT_ref为MPP母线参考电压。

图1 S3MPR电源控制器拓扑结构

Fig.1 Topology of S3MPR power controller

1.1 限频分流电路设计

S3MPR电源控制器功率电路采用低功耗限频分流S3R系统拓扑，该系统架构见图2。S3MPR技术属于MPPT技术在传统S3R[12-13]上的应用，该架构正是从传统的S3R演变而来，其中固定母线电压的MEA控制器所使用的基准由可变的MPP电压基准代替。因此，该系统属于应用在不调节总线的拓扑结构上，但是具有全调节总线的动态特性，并且能够跟踪太阳电池阵的最大功率输出。在非MPPT工作模式下(S3R模式)，其工作点在上下限控制范围内根据负载需求变化。

注：UC为控制信号电压；UN为基准信号电压，其上下限电压分别为UHN和ULN；UA为输出采样信号电压；UrefN为该分流电路基准电压；R1为限流电阻；R2为滞环比较器正端电阻；RF为反馈电阻；L为滤波电感。

图2 限频分流S3R系统架构

Fig.2 Architecture of frequency-limited shunt S3R system

在图1所示的系统中，电路工作状态由经过MPPT算法后输出MPP母线电压的目标值UMPPT_ref与反馈电压(USa)作差，再送至MEA控制器，得到控制器输出的误差信号电压UMEA。电路的分流状态由UMEA值的大小和相应的N路电压基准值决定，N路电压基准值由串联电阻的电压构成。负载增大，母线电压下降，对应UMEA值下降，N路分流电路逐级依次退出分流状态；相反，负载减小，母线电压上升，对应UMEA值也上升，N路分流电路依次进入分流状态。

限频分流电路设计主要包括限频分流滞环比较电路设计、开关频率设计、滤波电感设计以及母线滤波电容设计等。

1.1.1 滞环比较电路设计

滞环比较电路由滞环(施密特)比较器组成(图2中虚线框部分)，控制信号电压UC、基准信号电压UN(上下限电压UHN和ULN)和输出采样信号电压UA之间的关系，如图3所示。

图3 UC,UN,UA关系

滞环比较器某一路上限电压为

(1)

滞环比较器某一路下限电压为

(2)

根据式(1)和式(2)，可以得到滞环比较器的回差电压为

(3)

1.1.2 开关频率设计

调整级的频率与母线纹波电压(峰值)ΔU、太阳电池分阵电流ISan(n=1,2,3,…,N)、母线的滤波电容Co和负载对该分阵需要的电流ILN等参数有关。

当母线滤波电容充电时,设充电电流为IC，母线滤波电容充电时间为TR，放电时间为TD，放电电流为ID，则IC+ID=ISaN。由电容的伏安特性方程可计算母线滤波电容的电压值，即

(4)

式中：t为电容的充电时间；i(ε)为充电电流，ε为形式积分参数。

对于输出滤波电容Co,可得

(5)

式(4)和式(5)联立，可推导出开关频率为

(6)

由(6)可知，当IC=ID时，f最大。

1.1.3 滤波电感设计

由于太阳电池阵存在寄生电容CJ，滤波电感主要是抑制开通瞬间峰值电流。根据能量守恒，可得滤波电感为

(7)

式中：Uo为太阳电池阵开路电压；UMPP为太阳电池阵最大工作点电压；ΔI为短路电流。

1.1.4 母线纹波电压计算

母线纹波电压计算公式为

(8)

式中：K为采样电路母线电压的衰减比例；A为MEA电路的放大倍数。

由式(8)可见，母线纹波电压的大小与母线滤波电容的大小没有关系。

1.2 MPPT控制技术

太阳电池阵的输出特性曲线如图4所示，可知在电流源区域，太阳电池阵的输出电流变化缓慢，而输出电压随电流的微小减小快速增大；在电压源区域，太阳电池阵的输出电压变化缓慢，而输出电流随电压的微小增大快速减小。

图4 太阳电池阵输出特性Fig.4 Solar array output characteristics

传统卫星平台的MPPT算法主要应用于太阳电池阵输出伏安曲线在小范围变化，例如MPPT调节器常用在低压输出的太阳电池阵，高压大功率输出的太阳电池阵也是将太阳电池阵输出电压控制在一定范围内应用，例如ESA近地地球轨道(LEO)卫星平台的S3MPR系统母线电压变化范围限制在15 V以内，以确保MPPT精确跟踪[9]。因为在传统算法中电压电流的扰动系数是固定的，因此电路本身的特点决定其在太阳电池阵输出母线电压范围变化较小时应用效果较好，如果母线电压范围较大，其跟踪效果很不理想。

1.2.1 MPPT算法设计与原理分析

图5为MPPT追踪过程。当MPPT模式工作运行时，通过电压电流的交错扰动，太阳电池阵输出功率在P1和P2之间震荡，并且P1,P2从两边向最大功率点Pmax收敛。

图5 MPPT追踪过程Fig.5 MPPT tracking operation

基于前文分析，本文设计的应用电压电流交错扰动法的MPPT算法电路如图6所示，在增加复杂运算功能的基础上，结构并不复杂，所用器件较少且工程上容易实现。另外，MPPT算法电路运行时不需要额外的功耗，能够有效提升控制器的效率。该算法的基本原理是在最大功率点处dP/dt|tPmax=0，即

(9)

从而

UΔI+IΔU=0

(10)

进而

(11)

在如图6所示的交错扰动MPPT算法电路中，电流扰动工作时：①当输入电压大于工作参考电压Uref1时，比较器3输出低电平，通过通道选择器控制，MPPT电压调节系数切换至λ1，否则，MPPT电压调节系数为λ0；②当输入采样电流大于工作参考电流Iref1时，比较器4输出低电平，通过通道选择器控制，MPPT电流调节系数切换至ξ1，否则，MPPT电压调节系数为ξ0。

注：RMPP为MPPT频率设置电阻；CMPP为MPPT频率设置电容；EA为运算放大器；M1，M2为开关；λ0，λ1为电压扰动系数；ζ0，ζ1为电流扰动系数；C1、C2为采样保持电容；R1～R8为分压电阻；Ps0，Ps1，Ks0，Ks1分别为RS触发器的输入信号参数。

图6 MPPT算法电路

Fig.6 MPPT algorithm circuit

在太阳电池阵不同工作曲线下，根据其不同的工作电压电流值，在合理范围内选择不同的扰动系数，从而对太阳电池阵输出电压、电流变化范围较大时实现精确的MPPT控制输出。在可靠性规范方面，MPPT算法电路采用三模冗余可靠性设计。

1.2.2 MPPT基准校正电路设计

根据目前工程应用发展趋势，MPP母线与后级串联型功率变换器之间无蓄电池挂载时，为保正后级功率变换器正常工作运行，需要控制太阳电池阵输出电压(即MPP母线)的上限与下限(本文设计上限140 V，下限90 V)。为防止由于基准信号异常出现太阳电池阵输出电压失控情况发生，在硬件上加入了MPPT基准校正电路，使MPP母线电压严格控制在上下限之间。MPPT基准校正电路如图7所示。

图7 MPPT基准校正电路

Fig.7 Reference correction circuit of MPPT

2 试验验证与分析

为了对高压大功率S3MPR电源控制器设计进行验证，本文研制了一台由10路太阳电池阵输入、5 kW输出功率的原理样机。图8为S3MPR单个模块(5路太阳电池阵输入，2.5 kW额定输出功率)的试验原理样机平台，图9为试验样机系统原理框图。

图8 试验原理样机平台Fig.8 Test prototype platform

注：Uref1～Uref10为限频分流电路的电压基准值。

图9 试验样机系统原理框图

Fig.9 Block diagram of test prototype system

表1给出了原理样机的主要参数。其他的硬件试验设备包括一台直流电子负载(CHROMA 63024A)、10台太阳电池阵模拟器(KEYSIGHT E4360A)，直流源一台、示波器一台(Tektronix)、万用表一台、电流探头、电压探头、隔离探头等。在本试验中，太阳电池阵1作为直供母线的太阳电池阵(MPPT模式下)。

表1 S3MPR 原理样机参数

2.1 MPPT试验结果与分析

表2给出了太阳电池阵模拟器在本文MPPT算法下的试验数据，测量了MPP母线电压在90～140 V内不同伏安曲线下(相同电路参数)的MPPT跟踪试验数据。图10给出了对应的试验波形(图中由于示波器自身的直流测量电压值与真实值有一定偏差，因此以太阳电池阵模拟器显示的数值为准，见表2)。

表2 太阳电池阵模拟器试验结果

注：红色曲线和绿色曲线分别为太阳电池分阵1的输出功率和输出电流；紫色曲线为MPP母线电压；蓝色曲线为MPP母线纹波电压。

图10 MPPT运行在不同伏安曲线下波形

Fig.10 MPPT operation waveforms at differentI-Vcurves

通过试验结果可知：MPPT工作性能较好，在MPP母线电压90～140 V内MPPT跟踪精度较高(不小于99%)，同时MPP母线纹波电压小，控制在1%以内，较好地解决了针对S3MPR系统MPP母线变化范围较大时实现MPPT的正常工作与精确MPPT跟踪的技术难点。

2.2 S3MPR电源控制器系统性能测试

由表2所示的试验数据和图10的试验波形可以看出：本文设计的MPPT工作性能较好，母线电压在较大范围内变化时均能实现MPPT的正常工作和准确跟踪。为了验证S3MPR电源控制器的工作性能，进行在MPPT模式和非MPPT工作模式(S3R工作模式)之间切换测试试验，测试条件为采用两路太阳电池阵1和2供电。试验开始时，太阳电池阵1处于MPPT模式，太阳电池阵2处于分流开关状态，通过改变电子负载的阻值实现“MPPT工作模式→非MPPT工作模式(S3R工作模式)→MPPT工作模式”的顺序切换工作。测试参数设置如表3所示，测试波形如图11所示。为了测试S3MPR电源控制器的动态特性，设置负载以50 Hz频率在6 A和16 A之间瞬变切换运行，如图12所示。

表3 测试参数设置

图11 S3MPR电源控制器跨模式性能测试Fig.11 Cross-mode performance test of S3MPR power controller

图12 S3MPR电源控制器母线动态响应测试Fig.12 Bus dynamic response test of S3MPR system

从图11中可以看出：电源控制器在MPPT工作模式与非MPPT工作模式之间可以相对平滑切换运行，响应较快(1 s左右完成模式切换且进入稳定运行状态)，母线纹波变化较小，稳定性较好，电源控制器跨模式运行良好。从图12可以看出：负载瞬变时母线纹波电压约为2.1 V，母线电压跃变速率为210 mV/ms，满足卫星电源系统设计规范，说明其动态特性较好。因此，本文设计的S3MPR电源控制器性能良好，具有较高的工程应用价值。

3 结束语

本文设计的S3MPR电源控制器具有提升电路效率、MPPT运算电路结构简单、可靠性好和性能优等特点。试验测试结果表明：MPPT算法能实现太阳电池阵输出伏安曲线范围变化较大时对其最大功率进行跟踪，且跟踪效果较好；整个S3MPR电源控制器性能良好，能满足高压大功率空间电源应用平台的需求。根据目前的研究结果，应在以下3个方面继续开展研究工作。①在试验过程中发现，MPPT算法跟踪精度与采样电流的线性度和准确率密切相关，后续要解决采样电流的准确率与线性度的问题，以进一步提升MPPT跟踪效果；②进一步研究在扩大MPP母线电压范围时(如低压到高压相差100 V以上)的MPPT精确控制问题；③进一步研究太阳电池阵被遮挡时存在多极点情况的MPPT控制技术。