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摘 要：本文提出了一种基于APR控制策略的MPPT电源控制系统，对电源系统的工作模式及APR模块的控制逻辑关系进行了详细的论述，并介绍了多APR模块并联的工作模式，实现了最大功率点跟踪技术在电源系统中的应用，为满足大功率重复脉冲载荷的需求提供了解决方案。
关键词：APR控制策略；最大功率点跟踪技术；多模块并联
1 概述
航天器电源系统一般占整个航天器重量的 30%以上。如采用传统 S3R 等全调节母线架构则会导致整个太阳能电池和蓄电池必须按照峰值功率配备，造成了极大的浪费。
本文基于APR控制策略的电源控制系统实现了太阳能电池的最大功率点跟踪，使得负载需求很大时，太阳能电池一直工作在最大功率输出状态，负载需求较小时，太阳能电池工作在一个合适的功率点，输出功率与负载需求功率相平衡且母线电压工作在容许的范围内，通过对对重复脉冲功率压缩技术进行调研和研究，使压缩前的功率也就是从一次母线获取功率为平均功率，而压缩后的功率为重复脉冲功率，从而实现了电源系统重量和体积的压缩。
2 基于APR控制策略的母线拓扑
对于上图方案，已经被用于一些ESA科学任务，如Mars express、Venus EXPRESS、Rosetta等，經三域调节获取稳定母线供卫星负载使用；光照期间通过在方阵与母线之间串入的功率调节器获取稳定母线，其余调节器形式与传统的全调节型母线相同。
3 基于APR控制策略的系统工作模式
系统工作模式有四种（见图2）：
PSA为太阳阵输出功率，PLoad为负载需求功率。
1）工作模式一：
当太阳能电池阵可以同时满足负载和充电功率需求时，方阵功率调节器（APR）工作在调压模式，即依据主误差放大器（MEA）控制母线电压。
2）工作模式二：
当太阳能电池阵可以满足负载功率需求，但不能完全满足充电功率需求时，方阵功率调节器工作在最大功率点控制模式，即依据MPPT与主误差放大器进行功率调节，由充电调节器（BCR）对母线电压和充电进行控制；
3）工作模式三：
当太阳能电池阵不能满足负载功率需求，方阵功率调节器（APR）工作在最大功率点控制模式，由 MPPT进行调节功率调节，由放电调节器（BDR）对母线电压和放电进行控制。
4）工作模式四：
当太阳能电池阵无功率输出时，由放电调节器（BDR）对母线电压和放电进行控制。
用MEA来划分三域之间的界限，MEA反映了太阳阵输出功率PSA和负载需求功率PLoad之间的关系。域和域之间有一定的死区，当功率输出与需求平衡时所对应的MEA正好处在域和域之间的切换点时，可以防止域和域之间的来回切换，从而避免了域和域之间来回切换带来的母线波动。
下面分析了电源控制器各模块在三域分别对应的工作状态。
3.1 BDR域
当太阳阵的最大输出功率不能满足负载需求时：PSA-PLoad<0，此时母线电压下降，MEA下降到某一值，系统判定输出功率不足，需要BDR工作输出功率从而达到功率平衡，并使母线电压稳定为某一设定值。此时工作在BDR域，功率分配情况见BDR域工作图，最终系统稳定时，APR1～APR8全部工作在MPPT模式，使方阵最大功率点输出，BDR通过调节自身的输出功率稳定母线电压。图3显示了BDR域的功率流向。
3.2 BCR域
当太阳阵的最大输出功率能满足负载需求但不能满足此时的充电功率需求：0 3.3 APR域
当太阳阵的最大输出功率能满足负载需求同时能满足BCR最大电流充电需求：PSA-PLoad>Pcharge 时，母线电压上升，MEA上升，系统判定输出功率能满足负载需求，同时能满足BCR最大电流充电需求，此时APR1～APR8逐级工作在MPPT工作模式。
在该模式下，若干级APR工作于MPPT态（或者限功率模式）以满足负载的需求，以及下一级APR工作于调节母线电压态，余下APR处于关断状态。关断状态的APR，所对应的方阵工作在开路状态。图5显示了APR域的功率流向。
APR模块的输入电压为29V～100V，母线要求是31±1V，故采用了降压型DC/DC作为功率调节器。通过调节占空比来改变太阳能负载的等效电阻，最终实现最大功率的跟踪。
此方案中选用了super-buck的电路拓扑，如图6所示，此拓扑只需较少的储能器件便可实现输入输出电流电压较小的纹波，便于最大功率跟踪电路的采样以及跟踪精度的提高，同时也减轻了重量。
5 APR模块的控制逻辑关系
5.1 MPPT算法电路
高脉冲，RS触发器的S=1，Q非=0，后级积分器的输出Vppt开始线性增加，DC/DC占空比增大，等效电阻减小，Isa增大，功率点开始由P1点向P2点移动，当到达P2点时，RS触发器的R=1，Q非=1，Vppt开始线性减小，功率点由P2开始向P1转移，功率点在P1和P2之间反复波动，系统稳定在最大功率点的左右。Vppt的波形为一个低频率的三角波，占空比的变化和Vppt一致，最终模拟阵的输出电压和输出电流波形都为此低频率的三角波，圖9为最大功率跟踪模式下的太阳阵输出波形。
5.2 稳压模式算法电路 当太阳阵功率很充足时，MEA会较高，APR工作在稳压模式，减小APR的功率输出，使母线电压稳定在容许的范围里，稳压模式下的控制逻辑如下图所示：
APR模块共有三种工作模式：MPPT模式、稳压模式、限流模式。MPPT模式下Vppt控制电流环最终控制占空比、稳压模式下VMEA控制电流环最终控制占空比、限流模式下Vref控制电流环最终控制占空比。
参与控制的电压信号有三个：Vppt、VMEA、Vref；控制点的电压等于这三个信号中电压最低的一个，也就是说三个信号中谁最低谁控制。
当MEA较低且太阳阵最大功率点功率较小时，MPPT控制信号控制驱动电路，其他控制信号被屏蔽，APR工作在最大功率跟踪模式。
当MEA较低且太阳阵功率非常充足时，限功率控制信号控制驱动电路，其他信号被屏蔽，APR工作在限功率模式，输出电流限制在8A，输出功率限制在250W左右。
当MEA较高时，MEA变换控制信号控制驱动电路，其他信号被屏蔽，APR工作在稳压模式，输出电流的大小受MEA控制。
6 多APR模块并联工作方式
基于APR控制的电源系统共由8级APR模块组成，每一级APR的工作模式由MEA决定，MEA由高到低的过程中，APR1、APR2……APR8逐级输出，每一级APR都是先进入稳压模式，然后再进入MPPT模式或限流模式，当所有的APR都进入MPPT模式或限流模式时，如果负载再加重，MEA继續降低，电源控制器开始进入BCR域，BCR开始工作。图12 为太阳阵功率不充足时多模块APR并联逻辑关系图。
图中可以看出这种情况下，每一级MPPT的切换点MEA都低了很多。随着负载的增加MEA逐渐降低，APR1进入限流模式输出电流限制在8A，负载继续增加，此时MEA降低，APR2进入稳压模式，当所有的APR模块进入限流模式后，负载继续增加，电源控制器将进入BCR域。所有的APR都不可能进入MPPT模式，所有APR的控制信号都是限流信号，Vppt信号和VMEA信号都被屏蔽，在这种情况下，APR工作在恒流模式，而不是稳压模式，此时MEA和输出电压不再有线性关系，且母线电压的稳定与否不再受APR控制。
7 结论
本文介绍了一种基于APR控制策略的MPPT电源系统拓扑，这种拓扑结构结合了目前已有的成熟技术的优点，实现了高动态性能的做大功率输出，使得空间电源系统设计能够极大限度的利用太阳电池阵功率，优化太阳电池阵设计，并为大功率重复脉冲载荷的激光、通信等航天器电源系统需求提供了解決方案。
参考文献：
[1] F.Tonicello，S.Vázquez del Real，“Maximum power point tracker approach to a regulated bus”.Proceedings of the Fifth European Space Power Conference，ESA SP-416，1998，：71-77.
[2] W.Denzinger，“Electrical power subsystem of Globalstar”.Proceedings of the Fourth European Space Power Conference， ESA SP-369， 1995：171-174.
[3] H. Jensen， J. Laursen， “Power conditioning unit for Rosetta / Mars Express”. Proceedings of the Sixth European Space Power Conference， ESA SP-502， 2002，：249-256.
[4] Severns R.P.，Bloom G.E.，Modern DC-to-DC Switchmode Power Converter Circuits， Van Nostrand Reinhold， p. 30 and following，1985.
[5] O’Sullivan D.， Spruijt H.， Crausaz A.， Pulse Width Modulation （PWM） Conductance Control， ESA Journal 1989，Vol.13，pp：33-46.
关键词：APR控制策略；最大功率点跟踪技术；多模块并联
1 概述
航天器电源系统一般占整个航天器重量的 30%以上。如采用传统 S3R 等全调节母线架构则会导致整个太阳能电池和蓄电池必须按照峰值功率配备，造成了极大的浪费。
本文基于APR控制策略的电源控制系统实现了太阳能电池的最大功率点跟踪，使得负载需求很大时，太阳能电池一直工作在最大功率输出状态，负载需求较小时，太阳能电池工作在一个合适的功率点，输出功率与负载需求功率相平衡且母线电压工作在容许的范围内，通过对对重复脉冲功率压缩技术进行调研和研究，使压缩前的功率也就是从一次母线获取功率为平均功率，而压缩后的功率为重复脉冲功率，从而实现了电源系统重量和体积的压缩。
2 基于APR控制策略的母线拓扑
对于上图方案，已经被用于一些ESA科学任务，如Mars express、Venus EXPRESS、Rosetta等，經三域调节获取稳定母线供卫星负载使用；光照期间通过在方阵与母线之间串入的功率调节器获取稳定母线，其余调节器形式与传统的全调节型母线相同。
3 基于APR控制策略的系统工作模式
系统工作模式有四种（见图2）：
PSA为太阳阵输出功率，PLoad为负载需求功率。
1）工作模式一：
当太阳能电池阵可以同时满足负载和充电功率需求时，方阵功率调节器（APR）工作在调压模式，即依据主误差放大器（MEA）控制母线电压。
2）工作模式二：
当太阳能电池阵可以满足负载功率需求，但不能完全满足充电功率需求时，方阵功率调节器工作在最大功率点控制模式，即依据MPPT与主误差放大器进行功率调节，由充电调节器（BCR）对母线电压和充电进行控制；
3）工作模式三：
当太阳能电池阵不能满足负载功率需求，方阵功率调节器（APR）工作在最大功率点控制模式，由 MPPT进行调节功率调节，由放电调节器（BDR）对母线电压和放电进行控制。
4）工作模式四：
当太阳能电池阵无功率输出时，由放电调节器（BDR）对母线电压和放电进行控制。
用MEA来划分三域之间的界限，MEA反映了太阳阵输出功率PSA和负载需求功率PLoad之间的关系。域和域之间有一定的死区，当功率输出与需求平衡时所对应的MEA正好处在域和域之间的切换点时，可以防止域和域之间的来回切换，从而避免了域和域之间来回切换带来的母线波动。
下面分析了电源控制器各模块在三域分别对应的工作状态。
3.1 BDR域
当太阳阵的最大输出功率不能满足负载需求时：PSA-PLoad<0，此时母线电压下降，MEA下降到某一值，系统判定输出功率不足，需要BDR工作输出功率从而达到功率平衡，并使母线电压稳定为某一设定值。此时工作在BDR域，功率分配情况见BDR域工作图，最终系统稳定时，APR1～APR8全部工作在MPPT模式，使方阵最大功率点输出，BDR通过调节自身的输出功率稳定母线电压。图3显示了BDR域的功率流向。
3.2 BCR域
当太阳阵的最大输出功率能满足负载需求但不能满足此时的充电功率需求：0
当太阳阵的最大输出功率能满足负载需求同时能满足BCR最大电流充电需求：PSA-PLoad>Pcharge 时，母线电压上升，MEA上升，系统判定输出功率能满足负载需求，同时能满足BCR最大电流充电需求，此时APR1～APR8逐级工作在MPPT工作模式。
在该模式下，若干级APR工作于MPPT态（或者限功率模式）以满足负载的需求，以及下一级APR工作于调节母线电压态，余下APR处于关断状态。关断状态的APR，所对应的方阵工作在开路状态。图5显示了APR域的功率流向。
APR模块的输入电压为29V～100V，母线要求是31±1V，故采用了降压型DC/DC作为功率调节器。通过调节占空比来改变太阳能负载的等效电阻，最终实现最大功率的跟踪。
此方案中选用了super-buck的电路拓扑，如图6所示，此拓扑只需较少的储能器件便可实现输入输出电流电压较小的纹波，便于最大功率跟踪电路的采样以及跟踪精度的提高，同时也减轻了重量。
5 APR模块的控制逻辑关系
5.1 MPPT算法电路
高脉冲，RS触发器的S=1，Q非=0，后级积分器的输出Vppt开始线性增加，DC/DC占空比增大，等效电阻减小，Isa增大，功率点开始由P1点向P2点移动，当到达P2点时，RS触发器的R=1，Q非=1，Vppt开始线性减小，功率点由P2开始向P1转移，功率点在P1和P2之间反复波动，系统稳定在最大功率点的左右。Vppt的波形为一个低频率的三角波，占空比的变化和Vppt一致，最终模拟阵的输出电压和输出电流波形都为此低频率的三角波，圖9为最大功率跟踪模式下的太阳阵输出波形。
5.2 稳压模式算法电路 当太阳阵功率很充足时，MEA会较高，APR工作在稳压模式，减小APR的功率输出，使母线电压稳定在容许的范围里，稳压模式下的控制逻辑如下图所示：
APR模块共有三种工作模式：MPPT模式、稳压模式、限流模式。MPPT模式下Vppt控制电流环最终控制占空比、稳压模式下VMEA控制电流环最终控制占空比、限流模式下Vref控制电流环最终控制占空比。
参与控制的电压信号有三个：Vppt、VMEA、Vref；控制点的电压等于这三个信号中电压最低的一个，也就是说三个信号中谁最低谁控制。
当MEA较低且太阳阵最大功率点功率较小时，MPPT控制信号控制驱动电路，其他控制信号被屏蔽，APR工作在最大功率跟踪模式。
当MEA较低且太阳阵功率非常充足时，限功率控制信号控制驱动电路，其他信号被屏蔽，APR工作在限功率模式，输出电流限制在8A，输出功率限制在250W左右。
当MEA较高时，MEA变换控制信号控制驱动电路，其他信号被屏蔽，APR工作在稳压模式，输出电流的大小受MEA控制。
6 多APR模块并联工作方式
基于APR控制的电源系统共由8级APR模块组成，每一级APR的工作模式由MEA决定，MEA由高到低的过程中，APR1、APR2……APR8逐级输出，每一级APR都是先进入稳压模式，然后再进入MPPT模式或限流模式，当所有的APR都进入MPPT模式或限流模式时，如果负载再加重，MEA继續降低，电源控制器开始进入BCR域，BCR开始工作。图12 为太阳阵功率不充足时多模块APR并联逻辑关系图。
图中可以看出这种情况下，每一级MPPT的切换点MEA都低了很多。随着负载的增加MEA逐渐降低，APR1进入限流模式输出电流限制在8A，负载继续增加，此时MEA降低，APR2进入稳压模式，当所有的APR模块进入限流模式后，负载继续增加，电源控制器将进入BCR域。所有的APR都不可能进入MPPT模式，所有APR的控制信号都是限流信号，Vppt信号和VMEA信号都被屏蔽，在这种情况下，APR工作在恒流模式，而不是稳压模式，此时MEA和输出电压不再有线性关系，且母线电压的稳定与否不再受APR控制。
7 结论
本文介绍了一种基于APR控制策略的MPPT电源系统拓扑，这种拓扑结构结合了目前已有的成熟技术的优点，实现了高动态性能的做大功率输出，使得空间电源系统设计能够极大限度的利用太阳电池阵功率，优化太阳电池阵设计，并为大功率重复脉冲载荷的激光、通信等航天器电源系统需求提供了解決方案。
参考文献：
[1] F.Tonicello，S.Vázquez del Real，“Maximum power point tracker approach to a regulated bus”.Proceedings of the Fifth European Space Power Conference，ESA SP-416，1998，：71-77.
[2] W.Denzinger，“Electrical power subsystem of Globalstar”.Proceedings of the Fourth European Space Power Conference， ESA SP-369， 1995：171-174.
[3] H. Jensen， J. Laursen， “Power conditioning unit for Rosetta / Mars Express”. Proceedings of the Sixth European Space Power Conference， ESA SP-502， 2002，：249-256.
[4] Severns R.P.，Bloom G.E.，Modern DC-to-DC Switchmode Power Converter Circuits， Van Nostrand Reinhold， p. 30 and following，1985.
[5] O’Sullivan D.， Spruijt H.， Crausaz A.， Pulse Width Modulation （PWM） Conductance Control， ESA Journal 1989，Vol.13，pp：33-46.