长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法与流程

本发明涉及太阳能无人机能源系统的能源传输技术领域，尤其涉及长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法。

背景技术：

在我国空间电源系统中，能源传输通常采用直接能量传递(det)方式，将太阳电池阵输出功率超过负载需要的多余能量以分流形式消耗在分流电路和太阳电池阵中。因工作条件苛刻，长航时太阳能无人机在飞行过程中太阳能的光强及光照角度会随着飞行姿态和航行轨迹出现不同的变化，使得太阳能电池的输出功率受环境温度、辐照等因素影响，其峰值功率点经常发生漂移。若采用det方式，由于太阳电池阵输出电压被后端母线电压所钳位，则不能最大限度地利用太阳电池发电能量，将造成能源的极大浪费。

与det方式不同，峰值功率点跟踪(mppt)方式通过调节太阳电池阵的工作点，在载荷需要的情况下，自动跟踪太阳电池阵的峰值功率点，可以最大程度地利用太阳能电池阵输出功率，有利于提升无人机整个能源系统的工作性能，满足飞行工况需求。

传统峰值功率点跟踪方式主要包括恒定电压法、扰动观察法以及增量电导法，若将其应用于长航时太阳能无人机能源系统，则各自存在着缺陷。其中，恒定电压法在当环境条件发生大幅度改变时，能源系统不能自动跟踪到太阳电池阵的另一个峰值功率点，将造成显著的能量损失；扰动观察法在跟踪到太阳电池阵峰值功率点附近之后，会在其附近振荡，不仅造成了一定的能量损耗，而且降低了系统的可靠性；增量电导法对传感器的测量精度要求过高，且在光强较弱，即太阳阵电流较小的情况下，峰值功率点跟踪的效果将下降。

所以，针对长航时太阳能无人机复杂的飞行工况，需要采取有效的适用于长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法，以解决上述传统方式的固有缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法，以解决长航时太阳能无人机能源系统跟踪速度慢、跟踪精度低、抗干扰能力差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法，包括：

设置初始太阳阵电压参考信号uref_0；

采集初始太阳阵的电压信号usa_0和电流信号isa_0，并计算此时太阳电池阵输出功率psa_0；

给初始太阳阵电压参考信号增加一个步长δu，此时太阳阵电压参考信号为uref_0+δu，并进行延时；

延时后，再次采集初始太阳阵的电压信号usa_1与电流信号isa_1，并计算出此时太阳电池阵输出功率psa_1；

比较psa_0与psa_1数值大小，若psa_1大于psa_0，则将psa_1设为初始功率点，设置太阳阵电压信号为uref_0+2δu，并开始跟踪峰值功率点，否则将psa_0设为初始功率点，设置太阳阵电压信号为uref_0-δu；

实时采集太阳阵的电压信号usa和电流信号isa，并计算实时太阳阵输出功率psa；

比较当前psa与前一时刻的数值大小，若当前psa大于前一时刻的数值，则uref_0增加一个步长δu，使得太阳阵电压相应变大，否则uref_0减少一个步长δu，使得太阳阵电压相应变小；

当计算得到的实时太阳阵输出功率变化率连续两次小于1％时，则认为跟踪到峰值功率点，否则继续跟踪；

当跟踪到峰值功率点之后，保持当前参考太阳阵电压不变；

实时采集太阳阵的电压信号usa′与电流信号isa′，并计算实时太阳阵输出功率psa′；

当计算得到的实时太阳阵输出功率变化率连续两次大于3％时，则跳出当前峰值功率点并重新跟踪，否则认为峰值功率点不变。

进一步地，根据实际太阳阵电压参数范围设置初始太阳阵电压参考信号uref_0。

进一步地，给初始太阳阵电压参考信号增加一个步长δu后进行延时200ms。

进一步地，实时太阳阵输出功率变化率为当前太阳阵输出功率与之前太阳阵输出功率之差比当前太阳阵输出功率。

本发明还提供一种长航时太阳能无人机能源系统，包括：电源控制器；太阳能电池阵，与所述电源控制器连接；蓄电池组与所述电源控制器连接；动力负载元件，分别与所述电源控制器和所述蓄电池组连接。

本发明提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法，针对长航时太阳能无人机复杂的飞行工况，有效解决传统峰值功率点跟踪方式的缺陷，不仅具有跟踪速度快、跟踪精度高、抗干扰能力强等特点，而且符合长航时太阳能无人机对于能源系统的高可靠需求，为临近空间飞行器能源传输技术提供参考与帮助。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法中太阳能无人机能源系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法控制原理结构示意图；

图3为本发明实施例提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法的流程示意图；

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长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪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，本发明提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法，针对长航时太阳能无人机复杂的飞行工况，有效解决传统峰值功率点跟踪方式的缺陷，不仅具有跟踪速度快、跟踪精度高、抗干扰能力强等特点，而且符合长航时太阳能无人机对于能源系统的高可靠需求，为临近空间飞行器能源传输技术提供参考与帮助。

图1为本发明实施例提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法中太阳能无人机能源系统结构示意图。参照图1，长航时太阳能无人机能源系统，包括：电源控制器11；太阳能电池阵12，与所述电源控制器11连接；蓄电池组13与所述电源控制器11连接；动力负载元件14，分别与所述电源控制器11和所述蓄电池组13连接。在光照期和阴影期的各阶段为动力负载元件14进行持续、安全及可靠供电。其中，在光照期，电源控制器11对动力负载元件14供电，并对蓄电池组13进行充电；在阴影期，蓄电池组13通过放电以满足动力负载元件14的能源供给。(在图1中，弯箭头代表阴影期，其余箭头代表光照期)

电源控制器11是太阳能无人机能源系统的核心部分，当蓄电池组13电压达到设定值时，电源控制器11工作于恒压模式；当蓄电池组13电压未达到设定值时，电源功率传输采用高效的峰值功率点跟踪方法进行控制，以最大程度地利用太阳电池的发电能力，即工作于峰值功率点跟踪模式。

图2为本发明实施例提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法控制原理结构示意图。参照图2，首先实时对太阳阵电压信号uin进行采集，得到相应的采集信号usa；其次，根据设定的太阳阵电压参考信号uref，对usa进行pi调节，产生调制信号uea；最后，与载波信号usaw进行交截，从而得到脉宽调制信号upwm，以实现峰值功率点跟踪模式的有效控制。

图3为本发明实施例提供的长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法的流程图。

参见图3，长航时太阳能无人机能源系统的峰值功率点跟踪方法包含峰值功率点跟踪初始化单元、峰值功率点跟踪过程单元以及跳出峰值功率点单元。

峰值功率点跟踪初始化单元包括以下步骤：

s11、设置初始太阳阵电压参考信号uref_0；

s12、采集初始太阳阵的电压信号usa_0和电流信号isa_0，并计算此时太阳电池阵输出功率psa_0；

s13、给初始太阳阵电压参考信号增加一个步长δu，此时太阳阵电压参考信号为uref_0+δu，并进行延时；

s14、延时后，再次采集初始太阳阵的电压信号usa_1与电流信号isa_1，并计算出此时太阳电池阵输出功率psa_1；

s15、比较psa_0与psa_1数值大小，若psa_1大于psa_0，则将psa_1设为初始功率点，设置太阳阵电压信号为uref_0+2δu，并开始跟踪峰值功率点，否则将psa_0设为初始功率点，设置太阳阵电压信号为uref_0-δu。

峰值功率点跟踪初始化单元根据实际太阳阵电压参数范围设置uref_0，对应于整个范围的中间值，便于快速跟踪到峰值功率点。

峰值功率点跟踪过程单元包括：

s21、实时采集太阳阵的电压信号usa和电流信号isa，并计算实时太阳阵输出功率psa；

s22、比较当前psa与前一时刻的数值大小，若当前psa大于前一时刻的数值，则uref_0增加一个步长δu，使得太阳阵电压相应变大，否则uref_0减少一个步长δu，使得太阳阵电压相应变小；

s23、当计算得到的实时太阳阵输出功率变化率连续两次小于1％时，则认为跟踪到峰值功率点，否则继续跟踪。

峰值功率点跟踪过程单元为了避免因瞬时干扰导致实际峰值功率点产生误差，设定当实时太阳阵输出功率变化率连续两次变化小于1％时，认为跟踪到峰值功率点，可以提高峰值功率点的跟踪精度。

跳出峰值功率点单元包括：

s31、当跟踪到峰值功率点之后，保持当前参考太阳阵电压不变；

s32、实时采集太阳阵的电压信号usa′与电流信号isa′，并计算实时太阳阵输出功率psa′；

s33、当计算得到的实时太阳阵输出功率变化率连续两次大于3％时，则跳出当前峰值功率点并重新跟踪，否则认为峰值功率点不变。

进一步地，实时太阳阵输出功率变化率为当前太阳阵输出功率与之前太阳阵输出功率之差比当前太阳阵输出功率

跳出峰值功率点单元当跟踪到峰值功率点之后，保持当前参考太阳阵电压不变，使得太阳阵电压保持不变，将不存在因振荡产生的能量损耗，可以提高能源系统的可靠性，且为了避免出现因瞬时干扰而跳出当前峰值功率点的情况，设定当实时太阳阵输出功率变化率连续两次变化大于3％时，跳出当前峰值功率点并重新跟踪。

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。