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摘要：本文分析了太阳电池光伏特性、DC/DC 变换器工作原理以及最大功率点跟踪算法，综合了空间电源的实际情况，采用了组合式MPPT算法。旨在研究飞行器的太阳能蓄电池节能控制系统对太阳能的利用效率。利用太阳能功率表测出光照强度变化曲线，获得仿真所需的参数。通过建立光伏阵列仿真模型，得到组合式算法、扰动干扰法、电导增量法三条实际功率跟踪曲线。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。本次设计利用DC-DC升压电路提供给电池充电系统，并且利用DSP编程产生PWM来跟踪最大功率（MPPT）输出。本系统电路结构简单、各波形良好，测量结果精确，符合各项设计要求。
关键词： 太阳电池光伏特性，最大功率点跟踪， DC-DC升压电路
Abstract： Solar photovoltaic properties， the DC/DC transform principle， overall scheme of MPPT and the maximum power point tracking algorithm， the actual situation of space power， the combined MPPT algorithm. Aims to study how to improve the field monitoring equipment of solar battery energy-saving control system for solar energy utilization. Using solar power meter can detect changes of light intensity curve， obtained parameters for the simulation of the. Through the establishment of photovoltaic array simulation model， get the combined algorithm， perturbation method， incremental conductance method the three actual power tracking curve. Lock the best output voltage of solar cell using Buck step-down approach to charging of Ni Cd battery. This system can realize the stable operation of utmost， improve reliability. The design of the use of DC-DC boost circuit for battery charging system， and the use of DSP programming to produce PWM to track the maximum power output （MPPT）. This system has the advantages of simple circuit structure， the waveform is good， accurate measurement result， comply with the design requirements.
Key words：， Solar photovoltaic， maximum power point tracking ， DC-DC circuit
0概述
電源系统是航天飞行器的极其重要的组成部分。电源系统的好坏直接影响到整个飞行任务的成败。航天器电源系统的供电系统部分由发电系统和电源控制设备组成，而发电系统由主电源和贮能电源组成。主电源是航天器的主要发电装置，将其他各式各样的能量转变成电能。现在空间飞行器的一个发展方向就是发展大功率、长寿命、多用途的空间平台，对功率的需求越来越大。而空间飞行器的重量和体积却受到发射火箭推力和空间的限制不能无限制的增大。现在出现一种能对太阳电池的利用率实现最大控制的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking： MPPT）方式，该控制方式能时刻跟踪太阳电池的最大功率点，使太阳电池时刻输出最大功率。
1 太阳能MPPT实现
1.1 MPPT原理
MPPT是最大功率点跟踪太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压值，使系统以最高的效率对蓄电池充电。目前通常使用的光伏电池效率在15%左右，世界上最先进技术的光伏电池在特殊的条件下也只能达到40%，其电压、电流与功率在光照度1 kW/ m2 ， T = 25 ℃条件下的输出曲线如图1 所示。其短路电流isc 与开路电压uoc 由生产商给出， PMPP为该条件下的最大功率点。由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响， 最大功率相应改变， 对应最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化。因此， 需要使用基于PWM 的可调DC/ DC 变换器， 使负载相应改变， 才能使太阳能电池工作在最大功率点上。
1.2 MPPT硬件实现
MPPT硬件实现主要包含有：太阳能电池板、DCDC变换电路、太阳能电池板的电流电压采样、单片机系统、蓄电池、充放电电路和负载。飞行器用太阳能电池板一般采用专用高效率电池板，在本文实验过程中采用普通的硅电池板代替，仅仅是效率低一些，但是对验证MPPT功能没有影响。DC-DC电路采用了buck电路，是MPPT主要实现功能实现部分。太阳能电池板的电流电压采集主要主要为MPPT算法提供实时数据。单片机采用了具有高精度AD和具有PWM输出的TMS320DSP2812实现复杂的MPPT计算。充放电电路主要实现对蓄电池的充电和负载的放电，电压采样电路与电流采样电路通过ADC 将电压值与电流值送入MCU， MCU 根据MPPT 算法计算PWM 控制BUCK电路完成对充电过程的控制。 该设计的最大功率点跟踪可简化为通过PWM 调整电流至最大值，即认为太阳能电池的输出功率达到最大。由锂电池充电特性可知，为保证充电安全高效，需采用预充、恒流、涓流的三段式充电。系统通过对锂电池两端电压进行检测，判断充电状态，进而采取相应的充电策略。当光照强度降低，程序判断太阳能电池产生的功率小于系統自身开销时，进入休眠模式。
3 MPPT算法实现
为了缩短找到最大功率点的时间并增大设备运行在最大功率点的稳定性，设计了组合式MPPT算法。所建立的组合式MPPT算法包含跟踪阶段的三个模块算法与两个优化算法。第一子模块算法旨在快速找到最大功率点的大致范围，应用了恒压跟踪法的思想。虽然其算法稳定性较差，但在给定的某一初始状态下，在极短的时间里，将工作电压迅速锁定在开路电压的70%-80%，从而可找到MPP的大致范围。当系统工作点进入所处的设定区间范围（开路电压的70%-80%）时，系统立即转换工作模式进入第二模块算法。第二子模块算法应用了扰动观察法的思想，及时对光伏电池输出电压UPv和输出电流IPv进行采样并把该时刻的功率与上一时刻的功率值进行比较，如果功率增量ΔP>0，则说明该功率点处于最大功率点左侧，继续以设定的电压步长ΔU朝相同的方向扰动，若ΔP<0，则说明该点处于最大功率点右侧，下一次以ΔU的步长向相反的方向扰动。若ΔP=0，则该点所对应的点就是最大功率点。
4.2 实验模拟结果分析
通过上述硬件和软件设计，完成了一台 MPPT 控制的工程样机，可依据太阳电池阵 V-I 特性对太阳电池阵进行最大输出功率的跟踪。脉宽的占空比初始设置值为 0.5，采用扰动法和模糊自寻优设计方法对太阳电池阵最大功率输出进行跟踪，采用步进的方式，步进长度为 1%量程。实验模拟测试现场照片如图6所示。测得数据表明，当负载或开路电压发生变化时，MPPT控制器总能够调节电路的等效阻抗，使负载的等效电阻和电源内阻相等，进而负载上获得最大功率。测试数据如表2所示。
5 结语
本文介绍了MPPT 最大功率点跟踪各种算法及其优缺点，并确定采用了比较适合空间飞行器在轨飞行需求的组合方法对太阳电池最大功率点进行跟踪控制。最终模拟实验测试结果表明设计达到了空间电源系统的应用要求。MPPT系统在国内卫星电源能在卫星寿命初期太阳电池阵多发出 20%的能量。该控制系统的应用能减轻电源系统的重量，减少卫星发射成本。依据空间卫星电源的具体情况，采用 MPPT能大大提高系统的稳定性，减少系统的振荡，提高电源系统对负载变化的反应速度。
参考文献（References）
[1] 马世俊. 卫星电源技术. 北京：宇航出版社. 2001：1-10，12-32，336-373.
[2] 林珊，冯垛生.太阳能发电系统的最大功率跟踪控制.新能源，1999，21（2）：25-27.
[3] 黄才勇.卫星电源的现状与发展动态综述（会议论文）.总装备部卫星技术专业组.2002.
[4] 陈景贵.化学与物理电源.北京：国防工业出版社.1999：30-50.
关键词： 太阳电池光伏特性，最大功率点跟踪， DC-DC升压电路
Abstract： Solar photovoltaic properties， the DC/DC transform principle， overall scheme of MPPT and the maximum power point tracking algorithm， the actual situation of space power， the combined MPPT algorithm. Aims to study how to improve the field monitoring equipment of solar battery energy-saving control system for solar energy utilization. Using solar power meter can detect changes of light intensity curve， obtained parameters for the simulation of the. Through the establishment of photovoltaic array simulation model， get the combined algorithm， perturbation method， incremental conductance method the three actual power tracking curve. Lock the best output voltage of solar cell using Buck step-down approach to charging of Ni Cd battery. This system can realize the stable operation of utmost， improve reliability. The design of the use of DC-DC boost circuit for battery charging system， and the use of DSP programming to produce PWM to track the maximum power output （MPPT）. This system has the advantages of simple circuit structure， the waveform is good， accurate measurement result， comply with the design requirements.
Key words：， Solar photovoltaic， maximum power point tracking ， DC-DC circuit
0概述
電源系统是航天飞行器的极其重要的组成部分。电源系统的好坏直接影响到整个飞行任务的成败。航天器电源系统的供电系统部分由发电系统和电源控制设备组成，而发电系统由主电源和贮能电源组成。主电源是航天器的主要发电装置，将其他各式各样的能量转变成电能。现在空间飞行器的一个发展方向就是发展大功率、长寿命、多用途的空间平台，对功率的需求越来越大。而空间飞行器的重量和体积却受到发射火箭推力和空间的限制不能无限制的增大。现在出现一种能对太阳电池的利用率实现最大控制的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking： MPPT）方式，该控制方式能时刻跟踪太阳电池的最大功率点，使太阳电池时刻输出最大功率。
1 太阳能MPPT实现
1.1 MPPT原理
MPPT是最大功率点跟踪太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。所谓最大功率点跟踪，即是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压值，使系统以最高的效率对蓄电池充电。目前通常使用的光伏电池效率在15%左右，世界上最先进技术的光伏电池在特殊的条件下也只能达到40%，其电压、电流与功率在光照度1 kW/ m2 ， T = 25 ℃条件下的输出曲线如图1 所示。其短路电流isc 与开路电压uoc 由生产商给出， PMPP为该条件下的最大功率点。由于太阳能电池受到光强、光线入射角度、温度等多种因素的影响， 最大功率相应改变， 对应最大功率点的输出电压、输出电流和内阻也在不停变化。因此， 需要使用基于PWM 的可调DC/ DC 变换器， 使负载相应改变， 才能使太阳能电池工作在最大功率点上。
1.2 MPPT硬件实现
MPPT硬件实现主要包含有：太阳能电池板、DCDC变换电路、太阳能电池板的电流电压采样、单片机系统、蓄电池、充放电电路和负载。飞行器用太阳能电池板一般采用专用高效率电池板，在本文实验过程中采用普通的硅电池板代替，仅仅是效率低一些，但是对验证MPPT功能没有影响。DC-DC电路采用了buck电路，是MPPT主要实现功能实现部分。太阳能电池板的电流电压采集主要主要为MPPT算法提供实时数据。单片机采用了具有高精度AD和具有PWM输出的TMS320DSP2812实现复杂的MPPT计算。充放电电路主要实现对蓄电池的充电和负载的放电，电压采样电路与电流采样电路通过ADC 将电压值与电流值送入MCU， MCU 根据MPPT 算法计算PWM 控制BUCK电路完成对充电过程的控制。 该设计的最大功率点跟踪可简化为通过PWM 调整电流至最大值，即认为太阳能电池的输出功率达到最大。由锂电池充电特性可知，为保证充电安全高效，需采用预充、恒流、涓流的三段式充电。系统通过对锂电池两端电压进行检测，判断充电状态，进而采取相应的充电策略。当光照强度降低，程序判断太阳能电池产生的功率小于系統自身开销时，进入休眠模式。
3 MPPT算法实现
为了缩短找到最大功率点的时间并增大设备运行在最大功率点的稳定性，设计了组合式MPPT算法。所建立的组合式MPPT算法包含跟踪阶段的三个模块算法与两个优化算法。第一子模块算法旨在快速找到最大功率点的大致范围，应用了恒压跟踪法的思想。虽然其算法稳定性较差，但在给定的某一初始状态下，在极短的时间里，将工作电压迅速锁定在开路电压的70%-80%，从而可找到MPP的大致范围。当系统工作点进入所处的设定区间范围（开路电压的70%-80%）时，系统立即转换工作模式进入第二模块算法。第二子模块算法应用了扰动观察法的思想，及时对光伏电池输出电压UPv和输出电流IPv进行采样并把该时刻的功率与上一时刻的功率值进行比较，如果功率增量ΔP>0，则说明该功率点处于最大功率点左侧，继续以设定的电压步长ΔU朝相同的方向扰动，若ΔP<0，则说明该点处于最大功率点右侧，下一次以ΔU的步长向相反的方向扰动。若ΔP=0，则该点所对应的点就是最大功率点。
4.2 实验模拟结果分析
通过上述硬件和软件设计，完成了一台 MPPT 控制的工程样机，可依据太阳电池阵 V-I 特性对太阳电池阵进行最大输出功率的跟踪。脉宽的占空比初始设置值为 0.5，采用扰动法和模糊自寻优设计方法对太阳电池阵最大功率输出进行跟踪，采用步进的方式，步进长度为 1%量程。实验模拟测试现场照片如图6所示。测得数据表明，当负载或开路电压发生变化时，MPPT控制器总能够调节电路的等效阻抗，使负载的等效电阻和电源内阻相等，进而负载上获得最大功率。测试数据如表2所示。
5 结语
本文介绍了MPPT 最大功率点跟踪各种算法及其优缺点，并确定采用了比较适合空间飞行器在轨飞行需求的组合方法对太阳电池最大功率点进行跟踪控制。最终模拟实验测试结果表明设计达到了空间电源系统的应用要求。MPPT系统在国内卫星电源能在卫星寿命初期太阳电池阵多发出 20%的能量。该控制系统的应用能减轻电源系统的重量，减少卫星发射成本。依据空间卫星电源的具体情况，采用 MPPT能大大提高系统的稳定性，减少系统的振荡，提高电源系统对负载变化的反应速度。
参考文献（References）
[1] 马世俊. 卫星电源技术. 北京：宇航出版社. 2001：1-10，12-32，336-373.
[2] 林珊，冯垛生.太阳能发电系统的最大功率跟踪控制.新能源，1999，21（2）：25-27.
[3] 黄才勇.卫星电源的现状与发展动态综述（会议论文）.总装备部卫星技术专业组.2002.
[4] 陈景贵.化学与物理电源.北京：国防工业出版社.1999：30-50.