一种基于MPPT控制技术的卫星能源管理方法及系统与流程

本发明属于mppt控制，具体涉及一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法及系统。

背景技术：

1、能源系统作为卫星的能源“心脏”，直接决定卫星整个飞行任务的成败，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，受这两个条件的约束，高比功率成为了能源系统的主要发展方向，卫星功率需求增大与太阳电池翼面积减小以利于姿态控制的迫切需要之间的制约关系已经显现出来，并将更加突出，因此在太阳电池翼有限的面积条件下，提升输出能量的利用率显得尤为关键。

2、目前最常见的卫星能源控制系统可以分为：采用传统直接能量传输(det)的能源系统和采用最大功率点跟踪(mppt)控制技术的能源系统两种方式。传统直接能量传输(det)能源系统是将太阳电池翼的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，det方式采用功率裕量设计过大方式，一般设计的时候需要比实际的功率需求多出20％左右，这种设计带来的后果是浪费了很多的能量；最大功率点跟踪(mppt)控制能源系统通过调节太阳电池翼的最大功率点来满足相应负载的需求，mppt方式在负载需要的情况下，自动跟踪太阳电池翼的峰值功率点，把太阳电池翼的输出功率全部发挥出来，所以采用mppt控制技术以提高太阳电池翼的能量利用率，从而在同等功率下减小太阳电池翼的面积，是当前重要的发展方向。

3、与国外先进水平相比较，国内卫星能源系统比较多的还是det控制方式，造成了太阳电池翼能量的极大浪费，mppt结构的优势在于提高太阳电池翼的能源利用效率，这对要求体积小、重量轻、功率密度高的卫星而言，具有重要意义。国内mppt控制方式研究方面起步较晚，控制技术还不够成熟，控制电路的工作点在最大功率点左右振荡，控制稳定性差，缺乏卫星工程化应用，因此，我国应尽快解决新型高效的mppt实用化关键技术，突破传统mppt控制系统传输效率低、控制策略不成熟、稳定性差等技术瓶颈，以更好地满足航天发展的迫切需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法及系统，本发明的能源系统mppt控制技术四种工作模式都具备过压保护、过流保护以及过放保护。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法，包括直连模式能源管理、最大功率点追踪模式能源管理、限定功率点追踪模式能源管理以及恒压充电模式能源管理；当卫星入轨稳定运行后，由星上自主发送指令由直连模式能源管理切换至最大功率点追踪模式能源管理或限定功率点追踪模式能源管理；当卫星处于光照期，且蓄电池组未充满，此时电源控制器采用最大功率点追踪模式能源管理，太阳电池阵最大功率输出，同时向蓄电池组充电以及星上负载供电，当蓄电池组电压充到母线电压设定点或充电电流达到充电限流值后，电源控制器采用限定功率点追踪模式能源管理。

4、作为本发明进一步的方案，所述直连模式能源管理具体包括：直连模式为上电初始模式，设有直接指令，由卫星自主控制，在mppt电路失效时接通直连电路，将太阳电池阵通过直连电路为母线供电，多余的能量为蓄电池组充电，直连模式可配合方阵模拟器cv模式用于地面测试供电使用，直连电路设置硬件过压/充电过流保护功能，硬件比较电路根据保护阈值自动进行切断。

5、作为本发明进一步的方案，所述最大功率点追踪模式能源管理具体包括：采用扰动观察算法，通过检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳电池阵的输出功率，并实时对最大功率点进行追踪。

6、作为本发明进一步的方案，所述限定功率点追踪模式能源管理具体包括：太阳电池功率调节器需要工作在lppt模式，追踪负载功率；通过对太阳电池阵的工作电压进行扰动引起太阳电池阵输出功率波动，将扰动后的功率与负载功率进行比较，然后得出扰动电压的方向，多次调节之后使得太阳电池阵的输出功率接近负载功率。

7、作为本发明进一步的方案，所述恒压充电模式能源管理具体包括：当卫星锂电池组电压到达充电终压值时，算法自动转入恒压充电模式，依据蓄电池组自身需求进行涓流充电，使蓄电池组容量接近充满，提高蓄电池组在轨寿命；太阳电池功率调节器需要以接近开路的状态工作在cv模式，在满足负载功率的同时对蓄电组进行恒压控制。

8、本发明还提供了一种基于mppt控制技术的卫星能源管理系统，包括3个独立的flash型fpga控制模块，每个fpga控制模块控制3路mppt功率电路，当任意一个fpga控制模块出现异常时，其所控制的mppt功率电路默认关闭，fpga控制模块可由主份切换至备份，继续工作，当备份电路再次失效，通过直接指令将对应的det电路打开，继续完成功率传输。

9、作为本发明进一步的方案，在太阳电池阵与负载、蓄电池组之间引入一个开关电路，通过动态调节开关电路的工作状态实现太阳电池阻抗与负载阻抗匹配，进而使太阳电池阵输出最大功率。

10、作为本发明进一步的方案，通过采用四开关升降压buck-boost变换器，具有较小的输入电流纹波、较高的效率和易于mppt追踪控制。

11、本发明具有以下有益效果：

12、本发明的卫星能源管理系统，该系统不同于传统的单一det控制方式，新颖的提出了兼容四种工作模式的空间mppt控制技术，实现了mppt控制技术在轨各种工作模式下的准确、稳定的运行，具有效率高，继承性好的特点。该能源管理系统采用了四开关升降压buck-boost变换器，具有较小的输入电流纹波、较高的效率和易于mppt追踪控制等优点，由于在空间领域数字控制芯片容易受到空间粒子的辐射而导致其失效，因此，采用纯硬件的模拟电路来实现mppt控制算法，该算法保证了在空间领域的高可靠性，实现了高精度、快响应追踪到mppt控制技术的最大功率点。经过验证，本发明提高了能源系统的控制效率和太阳电池翼的能量利用率。

13、本发明的卫星能源管理系统的mppt控制模块包含3个独立的flash型fpga控制模块，每个控制模块控制3路mppt功率电路，当任意一个控制模块出现异常时，其所控制的mppt功率电路默认关闭，控制模块可由主份切换至备份，继续工作，当备份电路再次失效，可通过直接指令将对应的det电路打开，继续完成功率传输。

14、为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

技术特征：

1.一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法，其特征在于，包括直连模式能源管理、最大功率点追踪模式能源管理、限定功率点追踪模式能源管理以及恒压充电模式能源管理；其中当卫星入轨稳定运行后，由星上自主发送指令由直连模式能源管理切换至最大功率点追踪模式能源管理或限定功率点追踪模式能源管理；当卫星处于光照期，且蓄电池组未充满，此时电源控制器采用最大功率点追踪模式能源管理，太阳电池阵最大功率输出，同时向蓄电池组充电以及星上负载供电，当蓄电池组电压充到母线电压设定点或充电电流达到充电限流值后，电源控制器采用限定功率点追踪模式能源管理。

2.如权利要求1所述的一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法，其特征在于，所述直连模式能源管理具体包括：直连模式为上电初始模式，设有直接指令，由卫星自主控制，在mppt电路失效时接通直连电路，将太阳电池阵通过直连电路为母线供电，多余的能量为蓄电池组充电，直连模式可配合方阵模拟器cv模式用于地面测试供电使用，直连电路设置硬件过压/充电过流保护功能，硬件比较电路根据保护阈值自动进行切断。

3.如权利要求1所述的一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法，其特征在于，所述最大功率点追踪模式能源管理具体包括：采用扰动观察算法，通过检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳电池阵的输出功率，并实时对最大功率点进行追踪。

4.如权利要求1所述的一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法，其特征在于，所述限定功率点追踪模式能源管理具体包括：太阳电池功率调节器需要工作在lppt模式，追踪负载功率；通过对太阳电池阵的工作电压进行扰动引起太阳电池阵输出功率波动，将扰动后的功率与负载功率进行比较，然后得出扰动电压的方向，多次调节之后使得太阳电池阵的输出功率接近负载功率。

5.如权利要求2所述的一种基于mppt控制技术的卫星能源管理方法，其特征在于，所述恒压充电模式能源管理具体包括：当卫星锂电池组电压到达充电终压值时，算法自动转入恒压充电模式，依据蓄电池组自身需求进行涓流充电，使蓄电池组容量接近充满，提高蓄电池组在轨寿命；太阳电池功率调节器需要以接近开路的状态工作在cv模式，在满足负载功率的同时对蓄电组进行恒压控制。

6.一种基于mppt控制技术的卫星能源管理系统，其特征在于，包括3个独立的flash型fpga控制模块，每个fpga控制模块控制3路mppt功率电路，当任意一个fpga控制模块出现异常时，其所控制的mppt功率电路默认关闭，fpga控制模块可由主份切换至备份，继续工作，当备份电路再次失效，通过直接指令将对应的det电路打开，继续完成功率传输。

7.如权利要求6所述的一种基于mppt控制技术的卫星能源管理系统，其特征在于，在太阳电池阵与负载、蓄电池组之间引入一个开关电路，通过动态调节开关电路的工作状态实现太阳电池阻抗与负载阻抗匹配，进而使太阳电池阵输出最大功率。

8.如权利要求7所述的一种基于mppt控制技术的卫星能源管理系统，其特征在于，通过采用四开关升降压buck-boost变换器，具有较小的输入电流纹波、较高的效率和易于mppt追踪控制。

技术总结
本发明提出了一种基于MPPT控制技术的卫星能源管理方法及系统，实现了MPPT控制技术在轨各种工作模式下的准确、稳定的运行，具有效率高，继承性好的特点。该系统采用了四开关升降压Buck‑Boost变换器，具有较小的输入电流纹波、较高的效率和易于MPPT追踪控制等优点，由于在空间领域数字控制芯片容易受到空间粒子的辐射而导致其失效，因此，采用纯硬件的模拟电路来实现MPPT控制算法，该算法保证了在空间领域的高可靠性，实现了高精度、快响应追踪到MPPT控制技术的最大功率点。经过验证，本发明专利确实提高了能源系统的控制效率和太阳电池翼的能量利用率。

技术研发人员：朱月峰,辛利斌
受保护的技术使用者：上海格思航天科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8