太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法与流程

本发明涉及空间飞行器技术领域，特别涉及太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法。

背景技术：

根据太阳电池的工作特性，其峰值功率输出点的是随光照强度，入射角等光照条件的变化而变化的。目前国内空间飞行器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，使得太阳电池阵的实际工作点不能随太阳光照条件的变化切换至太阳电池阵的峰值功率输出点进行工作，因而在初期会损失20％左右的能量。

如果飞行器的能源系统采用了太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制技术，便能使太阳电池阵的实际工作点能及时跟踪切换至其峰值功率输出点进行工作，从而达到最佳的工作状态和最高的工作效率。这不但能充分利用太阳电池阵的发电潜能，而且还能提高飞行器电源系统的电压输出品质。使得飞行器能源系统在相同设计功率输出的情况下，有效减少其重量和体积。

随着空间技术的快速发展，轻型化，高功率成为空间飞行器的主要发展方向。由于峰值功率跟踪技术能最大限度地利用太阳电池阵的输出功率，可提高空间电源系统的功率质量比。尤其在对于光强和温度变化较大的深空探测领域，mppt的运用更具优势，如“罗塞塔”（rosetta）、“信使”（messenger）探测器电源系统等都采用了mppt。

通常mppt跟踪技术有纯硬件电路实现，和软硬件结合来实现的实现方式：纯硬件电路实现mppt的技术很少用，其成功案例和技术论文报告也很少。而大量的都采用软硬件结合的方式来实现mppt跟踪技术，并提出了很多mppt（maximumpowerpointtracking）跟踪方案和控制算法。

图1为一般空间飞行器电源系统的太阳电池阵功率输出特性曲线图。参照图1，当太阳电池阵功率母线的输出电压u提高时，功率母线的输出电流i就会降低，但总会存在一个u和i乘积最大的点a，该点就是该太阳电池阵的峰值功率点。若电源控制器能有效地控制太阳电池阵功率母线的输出电压或输出电流，使太阳电池阵在峰值功率点或离峰值功率点很窄的幅度内工作，就能最为有效地利用太阳电池阵的发电效能，以提高空间飞行器电源系统的功率质量比。

评价一个太阳电池阵峰值功率跟踪技术，最主要的两个指标是：跟踪精度和跟踪速度。跟踪精度是指：当太阳光照条件稳定时太阳电池阵实际的工作点偏离峰值功率点的幅度；跟踪速度是指：当太阳光照条件发生较大变化时，太阳电池阵切换到峰值功率点工作所需要的时间。

因此，如何使飞行器太阳电池阵的实际工作点能快速高效地跟踪其峰值功率输出点，成为提高太阳电池阵工作效率所亟待要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法，以解决飞行器电池阵的实际工作点能够高效地跟踪其峰值功率点的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法，包括：飞行器能源系统中电源控制器所配置下位机（称能源下位机）中专门的mppt控制程序模块，按“0.97法则”对太阳电池阵的功率输出实施的扰动控制，主要的控制流程如下：

首先对太阳电池阵功率母线的输出电压进行扰动，降低太阳电池阵的输出电压，观测太阳电池阵的输出功率是否增加，若输出功率增加则继续沿原方向进行电压扰动；若输出功率减少则对太阳电池阵功率母线的输出电流进行扰动，降低太阳电池阵的输出电流，观测太阳电池阵的输出功率是否增加，若输出功率增加则继续沿原方向进行电流扰动，否则进行电压扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率输出点。

进一步地，太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法，包括：s11、mppt控制程序模块运行后，分别采样太阳电池阵功率母线的扰动初始输出电压us，及初始输出电流is，并计算太阳电池阵的扰动初始功率ps；s12、逐步提高太阳电池阵功率母线的输出电压至uz，使此时功率母线的扰动终止电流iz=0.97is，计算太阳电池阵的扰动终止功率pz；s13、若pz>ps，将uz作为下一次扰动的初始输出电压，将pz作为下一次扰动的初始功率，按照s12进行原方向扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率点；s14、若pz<ps，按照反方向扰动:将iz作为下一次扰动的初始输出电流，将pz作为下一次扰动的初始功率；s15、逐步提高太阳电池阵功率母线的输出电流iz’，直到功率母线的扰动终止电压uz’=0.97uz，计算太阳电池阵的扰动终止功率pz’；s16、若pz’>pz，将iz’作为下一次扰动的初始输出电流，将pz’作为下一次扰动的初始功率，按照s15进行原方向扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率点；s17、若pz’<pz，将uz’作为下一次扰动的初始输出电压，将pz’作为下一次扰动的初始功率，按照s12进行反方向扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率点。

进一步地，在每个电压或电流的扰动周期中，电压或电流扰动变化量是由大到小阶梯变化的。即采用变步长的扰动控制，可有效提高mppt的跟踪效率。

本发明提供的太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法，是通过运行能源系统下位机中专门植入的mppt控制程序模块来实现的。

mppt控制程序模块通过定时采集太阳电池阵功率母线的输出电压和输出电流，及mppt控制算法的计算，实现了太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪。因此可在不增加硬件成本的情况，较为可观地提高太阳电池的利用率。在设计相同功率空间飞行器能源系统时，只要在能源下位机软件中植入专门的mppt控制程序模块，就能额外增加太阳电池阵的功率输出，减少太阳电池阵的设计面积，不但提升其能源系统输出功率电压的供电品质，而且还减少其能源系统的体积与重量。

进一步地，首次提出了“扰动观测法”和“0.97法则”相结合的mppt控制算法，使得对太阳电池阵功率母线的输出电压和输出电流的“扰动”控制能稳定可靠地收敛；同时由于在“扰动”控制中使用了变步长算法，使得寻找太阳电池阵峰值功率输出点的收敛速度更快。

在太阳光照条件相对稳定的条件下，当在太阳电池阵成功切换到其峰值功率输出点工作之后，下位机就用最小的“步长”对功率母线的输出电压或输出电流进行轮流“扰动”和动态跟踪，以确保mppt的跟踪精度达到太阳电池阵输出功率的千分之一以内。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为一般空间飞行器电源系统的太阳电池阵功率输出特性曲线图；

图2为本发明实施例所提供的能源系统下位机中mppt控制程序模块的实施方法步骤，及流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的ch-t4太阳能无人机能源系统的基本组成结构示意图；

图4为本发明实施例提供的ch-t4能源系统中电源控制器模块结构示意图；

图5为本发明实施例提供的ch-t4能源系统下位机的硬件结构示意图；

图6为本发明实施例提供的下位机软件主程序模块循环流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的太阳电池阵峰值功率输出的跟踪控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，本发明提供的太阳电池阵峰值功率输出的跟踪控制方法，通过在下位机软件中植入专门的mppt控制程序模块对太阳电池阵进行mppt控制，可在不增加硬件成本的情况，较为可观地提高太阳电池的利用率。因此在设计相同功率的空间飞行器电源系统时，只要在能源下位机的软件中加入mppt控制程序模块，就能增加太阳电池阵的功率输出，提高太阳电池阵的效率，从而减少太阳电池阵的设计面积，提升电源系统输出功率电压的供电品质，减少能源系统的体积与重量。

本发明实施例提供的太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法，包括：mppt控制程序模块运行；对太阳电池阵输出电压进行扰动，降低太阳电池阵的输出电压，观测其输出功率是否增加，若输出功率增加则继续沿原方向进行电压扰动；若输出功率减少则对太阳电池阵输出电流进行扰动，降低太阳电池阵的输出电流，观测其输出功率是否增加，若输出功率增加则继续沿原方向进行电流扰动，否则进行电压扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率输出点。

图2为本发明实施例提供的能源系统下位机中mppt控制程序模块的实施方法步骤，及流程示意图，参照图2，太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法包括：

s11、mppt控制程序模块运行后，分别采样太阳电池阵功率母线的扰动初始输出电压us以及初始输出电流is，并计算太阳电池阵的扰动初始功率ps；

s12、逐步提高太阳电池阵功率母线的输出电压至uz，使此时功率母线的扰动终止电流iz=0.97is，计算太阳电池阵的扰动终止功率pz；

s13、若pz>ps，将uz作为下一次扰动的初始输出电压，将pz作为下一次扰动的初始功率，按照s12进行原方向扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率工作点；

s14、若pz<ps，按照反方向扰动:将iz作为下一次扰动的初始输出电流，将pz作为下一次扰动的初始功率；

s15、逐步提高太阳电池阵功率母线的输出电流iz’，直到功率母线的扰动终止电压uz’=0.97uz，计算太阳电池阵的扰动终止功率pz’；

s16、若pz’>pz，将iz’作为下一次扰动的初始输出电流，将pz’作为下一次扰动的初始功率，按照s15进行原方向扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率工作点；

s17、若pz’<pz，将uz’作为下一次扰动的初始输出电压，将pz’作为下一次扰动的初始功率，按照s12进行反方向扰动，直到逼近太阳电池阵的峰值功率工作点。

为了提高对太阳电池阵峰值功率点的跟踪速度和跟踪精度，在每个电压或电流的扰动周期中，电压或电流扰动变化量是由大到小阶梯变化的，即采用变步长的扰动控制，可有效提高mppt的跟踪收敛效率。在每次开始进行电压或电流扰动周期时，下位机采用较大的“扰动步长”，之后根据对太阳电池阵输出功率的变化率估算出下一步的“扰动步长”。一般来讲每次扰动周期的第一个“步长”比较大，之后“步长”逐步减小。当经过一系列的扰动之后，太阳电池阵输出的终止功率pz等于扰动前的起始功率ps；或达到ps-δp<pz<ps+δp的设计需求时（δp/ps就是跟踪精度），下位机就采用最小的步长进行动态扰动跟踪控制。当太阳电池阵功率母线的输出电压远小于额定的工作电压时，则采用最大的“步长”进行扰动，以达到能快速逼近太阳电池阵峰值功率输出点的要求。

通过在能源系统下位机中植入mppt控制程序模块实现太阳电池阵峰值功率输出点的跟踪控制方法已在彩虹（ch-t4）无人机能源系统的型号设计中得到了实际运用，通过在ch-t4能源下位机中植入mppt控制软件模块，成功实现了对其电源系统太阳电池阵的mppt控制，并通过严格测试，达到了设计要求。

ch-t4能源系统依靠超大功率的太阳电池阵发电以驱动无人机的推进电机和其它载荷；同时将多余的电能对蓄电池进行充电储存，以备阴影期使用。

由于太阳电池阵输出功率都是有限的，为最大程度利用太阳电池阵的发电能力，ch-t4的功率传输方式采用了串联型峰值功率跟踪（mppt）控制方式。当蓄电池电压未达到设定值时，电源控制器跟踪太阳电池阵的峰值功率点为负载供电和对蓄电池进行充电；当蓄电池电压达到设定值时，转入对蓄电池恒压充电。每个电源控制器额定功率设计为2.5kw，8个控制器共20kw满足17.7kw功率需求。蓄电池电压为84-117.6v。太阳电池阵在工作温度50℃时峰值功率点电压设计为75v，开路电压为93v。电源控制器选择he-boost升压拓扑。随着太阳电池阵电压的升高或蓄电池组电压的降低，he-boost拓扑占空比逐渐减小，当太阳阵电压大于蓄电池组电压时，he-boost拓扑占空比为零。

图3为本发明实施例提供的ch-t4太阳能无人机能源系统的基本组成结构示意图。参照图3，其能源系统主要包括：主翼太阳电池阵、储能电池组以及电源控制器。主翼太阳电池阵采用高效太阳电池供电阵，分为8个子阵。8个子阵分别为所对应的电动机供电。其能源系统采用分布式电源控制器的布局，也分8个电源控制模块。每个电源控制器均配置能源下位机，以完成对本控制器模块的遥测，遥控及mppt跟踪控制，下位机采用rs485接口通信总线与飞控机通信。

图4为本发明实施例提供的ch-t4太阳能无人机能源系统中电源控制器模块结构示意图。参照图4，电源控制器配置了能源下位机。使得电源控制器能够依靠自身的系统调节能力使太阳电池阵在峰值功率输出点工作；除此之外电源控制器还能对自身工作状态及总线工作状态进行监控，并将采集的遥测数据通过通信总线传送至飞控机。

图5为本发明实施例提供的电源控制器中能源下位机的硬件结构示意图。参照图5，能源下位机主要完成以下功能：a)提供31路模拟量输入通路；b)提供20路具有200ma驱动能力的oc驱动间接指令通道；c)提供8路开关量输出（ttl电平）通道；d)采用16bit精度的a/d变换器对31路模拟量进行遥测采集；e)提供互为热备份的2路rs-485接口总线通信；f)完成mppt跟踪控制功能。

图6为本发明实施例提供的能源下位机主程序模块循环流程示意图。参照图6，能源下位机开机完成初始化之后，就进入主程序模块。主程序模块是循环运行的，下位机在没有接收到间接命令时而处于监控状态时，每隔0.8秒钟对所有模拟量采样一次，并完成一次mppt算法的运算和“扰动”控制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。