空间飞行器太阳能峰值功率跟踪控制系统(MPPT)研究

摘要

光伏发电系统是空间电源的一种普遍形式,该系统的一个基本特点是太阳能输出功率受环境影响较大,由于光伏阵列输出特性的非线性特征,在不同的照射强度和温度下其I-V特性曲线各不相同,太阳能电池的输出曲线为非线性且为温度、日照强度与空间粒子辐照的函数,每一条曲线中所能画出的最大矩形面积则是Ipv与Voc的最大乘积值称为最大功率点,此点应为最佳工作点定义成Pmax,它所能输出的功率为最大。目前国内空间电源系统对太阳电池发电的控制一般都采用CVT(恒压)的控制方式,太阳电池阵不能工作在最佳工作点,在初期会损失20％左右的能量。而采用峰值功率跟踪控制技术(MPPT)能随时跟踪太阳电池阵最大输出,充分利用太阳电池阵的能源,它的缺点是相对于CVT控制技术而言控制比较复杂,可靠性低,但随着电子技术的发展,这些缺点都能通过器件工艺克服。该项技术在NASA和俄罗斯卫星电源中均有应用,在国内还没有该项技术的应用。本文介绍了太阳电池光伏特性、DC/DC变换工作原理、MPPT总体方案以及最大功率点跟踪算法,综合了空间电源的实际情况,采用了比较适合空间飞行器在轨飞行需求的扰动观察法与模糊自寻优设计方法相结合的方式对太阳电池最大功率点进行跟踪。在一个轨道周期内当搜索到最佳工作点后,改用经典的PI控制,锁定太阳电池最佳输出电压采用Buck降压的方式对镉镍蓄电池组进行充电。这样系统能实现最大限度的稳定运行,提高了可靠性。当到下一个轨道周期时重新启动MPPT程序,对太阳电池阵最佳工作点进行跟踪,搜索到最佳工作点后再用PI进行控制。然后到下一个轨道周期继续循环该过程。MPPT控制系统硬件主要是DC-DC主回路模块和计算机控制模块。DC/DC采用Buck降压型转换电路。负载接在蓄电池组上,母线结构采用不调节母线,蓄电池组电压即为母线电压。回路中的各器件参数和设计值都考虑到工作环境的特殊性选择相应的达到军用标准的器件。采用单片机AT89C55作为主控制芯片,AT89C55具有低功耗、高性能的特点,它具有20K可重复编程的Flash。对多数嵌入式系统来说,AT89C55可以说是高灵活性和性价比的功能强大的控制芯片。软件用单片机C语言进行编写,各控制环节的取值都考虑到系统稳定性和动态响应的要求,经过反复调试和试验,各控制环节的取值都能满足设计要求。经过最终的测试,该系统在功能、电性能、反应速度、系统稳定性、可靠性等方面均能满足空间用电源系统的要求。在国内属于首个可以可以转入工程实际应用空间电源用MPPT系统。本文最后进行总结和展望,提出待改进之处。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状

1.3 课题意义

第二章 太阳电池的基本特性

2.1 太阳电池的原理

2.2 太阳能电池的分类

2.3 太阳能电池的基本特性

2.4 本章小结

第三章 空间电源系统概况和MPPT 总体方案

3.1 空间电源系统母线分类

3.1.1 母线不调节方式

3.1.2 半调节母线方式

3.1.3 全调节母线方式

3.2 MPPT 总体设计方案

3.3 DC-DC 变换器

3.3.1 基本斩波电路

3.3.2 降压式（buck）变换器

3.3.3 升压式（boost）变换器

3.4 最大功率点跟踪算法

3.4.1 电压回授法

3.4.2 功率回授法

3.4.3 扰动观察法

3.4.4 增量电阻法

3.4.5 三点相位比较法

3.4.6 直线近似法

3.4.7 实际测量法

3.4.8 各种最大功率跟踪法（MPPT）比较

3.4.9 模糊自寻优设计方法

3.5 本章小结

第四章 太阳能最大功率跟踪器设计硬件部分

4.1 设计要求

4.2 总体设计思路

4.3 主回路模块（DC-DC 变换电路）

4.3.1 原理框图

4.3.2 各器件参数选择

4.4 计算机控制模块

4.4.1 显示模块

4.4.2 A/D 转换模块

4.4.3 控制模块1

4.4.4 控制模块2

4.5 本章小结

第五章 太阳能最大功率跟踪器设计软件部分

5.1 主控制芯片软件设计

5.1.1 显示模块

5.1.2 采样和A/D 转换模块

5.1.3 MPPT 及负载开关控制模块

5.1.4 Buck 控制模块

5.1.5 串行通信模块

5.2 辅助芯片软件设计

5.3 其它子程序

5.4 试验结果

5.4.1 系统连接框图

5.4.2 测试步骤

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文