林文立 劉治鋼 余恒

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

最大功率點跟蹤（MPPT）控制技術已經(jīng)在國外多個低軌大功率衛(wèi)星、電推進等衛(wèi)星平臺及深空探測器上得到越來越多的應用［1-2］，例如歐洲航天局的“火星快車”（Mars Express）、“金星快車”（Venus Express）［3］、羅塞塔號（Rossetta）［4］、信使號（Messenger）［5］、貝皮-科倫坡（Bepi-Colombo）［6］等均采用串聯(lián)型MPPT 電源系統(tǒng)。然而，由于功率源與負載均為非線性，串聯(lián)型MPPT 電源系統(tǒng)在太陽電池陣與太陽電池陣功率調節(jié)器（Array Power Regulator，APR）間存在母線電壓振蕩或跌落等不穩(wěn)定現(xiàn)象［7］。文獻［8］利用簡化電壓控制模型，對雷達衛(wèi)星-2（RADARSAT-2）及 宇 宙-地 中 海（COSMOSkyMed）衛(wèi)星電源電壓控制環(huán)的穩(wěn)定性進行了分析，具有一定代表性；而國內目前對于空間電源系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定性的研究還比較少。

本文提出一種MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)拓撲結構，介紹了它的兩域控制模式，建立了太陽電池陣源端與負載端穩(wěn)態(tài)分析的等效電路模型，采用小信號等效分析方法，對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析，研究結果可為MPPT 控制技術在未來空間電源系統(tǒng)中應用提供設計參考。

2 電源系統(tǒng)拓撲及控制模式

圖1所示為MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)拓撲，主要由太陽電池陣、APR、控制電路、蓄電池組、負載等組成。根據(jù)發(fā)電端及負載端電壓高低，APR 主電路可選擇升壓（或降壓）直流-直流（DC-DC）變換器形式。其中，Ⅰload為負載電流；Ⅰbatt為蓄電池充／放電流；isa為太陽電池陣輸出電流；vsa為太陽電池陣輸出電壓；vMEA為一次電源母線電壓。

圖1 MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)拓撲Fig．1 Diagram of MPPT unregulated bus electrical power system topology

圖1中，控制電路包括MPPT 控制器、主誤差信號放大器（Main Error Amplifier，MEA）控制器、模式選擇器等，通常設計為兩域控制方式［9］，如圖2所示，其中電壓Va＜Vb＜Vc＜Vd，模式選擇器根據(jù)負載功率需求及母線電壓高低自主選擇MPPT 控制模式或者MEA 控制模式，具體描述如下：當母線電壓處于（Va，Vb）范圍內，即負載功率需求大于太陽電池陣所能提供的電能時，模式選擇器選擇MPPT 控制模式，電源系統(tǒng)工作在MPPT 控制域，太陽電池陣始終跟蹤最大功率點輸出；當母線電壓處于（Vc，Vd）范圍內，即太陽電池陣所提供電能大于負載功率需求時，模式選擇器選擇MEA 控制模式，系統(tǒng)處于充電及電壓控制域，控制電路根據(jù)電池充電特性調整母線電壓值，當電池電壓充滿電后進行恒壓控制，在此域范圍內太陽電池陣根據(jù)負載及電池充電需要調整輸出功率；（Vb，Vc）電壓范圍是控制系統(tǒng)所設置的遲滯區(qū)間，以避免在兩種模式間頻繁切換。

圖2 MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)的兩域控制模式Fig．2 Two-domain control mode for MPPT unregulated bus electrical power system topology

3 電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

上文提到MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)存在兩域工作模式，因此，下面將分別針對兩種工作模式進行電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。

3．1 MPPT控制域下電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在MPPT控制域下，太陽電池陣輸出電壓始終保持在最大功率點對應的電壓值附近，因此APR 的輸入端可認為是一個恒壓源。圖3（a）中太陽電池陣輸出特性曲線與APR的輸入特性（恒壓源）曲線二者交點即為暫態(tài)工作點，建立MPPT 控制域下的等效電路模型，如圖3（b）所示，圖中左側函數(shù)f（vsa）代表太陽電池陣的輸出特性，vsa為太陽電池陣的輸出電壓，isa為太陽電池陣的輸出電流，電容Csa為太陽電池陣寄生電容，Lline為線路寄生電感，iL為電感電流值，APR及后級負載均統(tǒng)一用恒壓源VAPR代替，見圖3（b）中右側方框，其函數(shù)表達式為f（iL）。

根據(jù)圖3（b），得到如下表達式：

由于f（vsa）為非線性函數(shù)，設圖3（a）中暫態(tài)工作點處電壓穩(wěn)態(tài)值為vsa，在此處添加小信號動態(tài)擾動值Δvsa，按泰勒級數(shù)的一階線性展開［10］，得

式中：γsa表示函數(shù)f（vsa）在某一特定太陽電池陣輸出電壓數(shù)值vsa時的微分值，因此，γsa＜0。

將式（2）代入式（1），得到其在暫態(tài)工作點處小信號線性狀態(tài)空間表達式為

經(jīng)計算，得到式（3）的特征根為

由于γsa＜0，因此式（4）中兩個特征根λ1，2均為負值，根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性定理［11］可知，該線性定常系統(tǒng)是穩(wěn)定的，從而表明MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)在MPPT 控制域下始終是保持穩(wěn)定的。

圖3 MPPT 控制域下源端與負載端特性曲線及穩(wěn)態(tài)分析等效電路模型Fig．3 Source and load characteristics curves and stability analysis equivalent circuit model in MPPT control domain

3．2 充電及電壓控制域下電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

在充電及電壓控制域下，對一次母線進行恒壓控制，因此，APR 的輸入端呈現(xiàn)恒功率特性。圖4（a）為充電及電壓控制域下源端與負載端特性曲線，其中太陽電池陣輸出特性曲線與APR 的輸入特性（恒功率）曲線二者交點即為暫態(tài)工作點，建立充電及電壓控制域下的等效電路模型，如圖4（b）所示，圖中APR 及后級負載均用恒功率特性曲線代替，見圖4（b）中右側方框。

圖4 充電及電壓控制域下源端與負載端特性曲線及穩(wěn)態(tài)分析等效電路模型Fig．4 Source and load characteristics curves and stability analysis equivalent circuit model in charging and voltage control domain

根據(jù)圖4（b），得到如下表達式：

其中，f（vsa）、f（iL）均為非線性函數(shù)，設圖4（a）中暫態(tài)工作點處電壓穩(wěn)態(tài)值為（vsa，isa），在暫態(tài)工作點處對f（vsa）、f（iL）分別添加小信號動態(tài)擾動值Δvsa、ΔiL，然后按泰勒級數(shù)的一階線性展開，得其中，γAPR表示函數(shù)f（iL）在電感電流值為iL時的微分值。

將式（6）代入式（5），得到其在暫態(tài)工作點處小信號線性狀態(tài)空間表達式：

計算式（7）的特征根為

必須根據(jù)圖4（a）中暫態(tài)工作點在太陽電池陣輸出特性曲線的位置來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性：

1）最大功率點左側的電流源區(qū)段：γsa＜0，γAPR＜0并且∣γsa∣＜∣γAPR∣

在本區(qū)段范圍內，無論γsa，γAPR，Csa，Lline的數(shù)值如何，λ1或λ2中至少有一個特征根為正數(shù)，即至少有一個特征根位于s平面右側。根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性定理可知，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

2）最大功率點右側的電壓源區(qū)段：γsa＜0，γAPR＜0并且∣γsa∣＞∣γAPR∣

在本區(qū)段范圍內，當γsa·γAPR＜Lline／Csa時，λ1和λ2均為負數(shù)，根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性定理可知，系統(tǒng)是穩(wěn)定的；當γsa·γAPR＞Lline／Csa時，λ1和λ2均為正數(shù)，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

因此，在MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)設計上，必須滿足“γsa·γAPR＜Lline／Csa”的條件，才能保證電源系統(tǒng)在充電及電壓控制域下的穩(wěn)定性。

4 結論

本文提出一種MPPT 不調節(jié)母線電源系統(tǒng)拓撲結構，針對其兩域控制模式，分別建立了太陽電池陣源端與負載端穩(wěn)態(tài)分析的等效電路模型，采用小信號等效分析方法，對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行分析。

通過研究，得到以下結論：①無論源端與負載端特性曲線及電路參數(shù)如何設置，在MPPT 控制域內，電源系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定；②在充電及電壓控制域內，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定與否是有條件限制的，即必須保證源端／負載端特性曲線及電路參數(shù)滿足“γsa·γAPR＜Lline／Csa”的條件，才能保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定。

（References）

［1］劉治鋼，蔡曉東，陳琦．采用MPPT 技術的國外深空探測器電源系統(tǒng)綜述［J］．航天器工程，2011，20（5）：105-110

Liu Zhigang，Cai Xiaodong，Chen Qi．Overview of electrical power system design based on MPPT for deep space spacecraft［J］．Spacecraft Engineering，2011，20（5）：105-110（in Chinese）

［2］ESA．MPPC Regulated bus power system management for LEO and GEO missions［C］／／Proceedings of the 8th European Space Power Conference．Paris：ESA，2008：1-11

［3］Loche D．Mars Express and Venus Express power subsystem in-flight behaviour［C］／／Proceedings of the 8thEuropean Space Power Conference．Paris：ESA，2008：1-7

［4］Fiebrich H，Haines J，Tonicello F．Power system design of the Rosetta spacecraft［C］／／Proceedings of the 2nd IECEC．Washington D．C．：AIAA，2004：1-7

［5］Dakermanji G，Person C，Jenkins J．The Messenger spacecraft power system design and early mission performance［C］／／Proceedings of the 7th European Space Power Conference．Paris：ESA，2005：1-8

［6］Maset E，Sanchis-Kilders E，Weinberg A H．Ion drive propulsion MPP power conditioning system without battery［C］／／Proceedings of the 8th European Space Power Conference．Paris：ESA，2008：239-247

［7］Usman L，Shakeel B．Stability study of spacecraft electrical power system with constant-power loads［C］／／Proceedings of the 14th International Multitopic Conference．New York：IEEE，2011：217-221

［8］Luciano C，Paolo D，Alberto L．Maximum power point tracker point controller for unregulated bus architecture［C］／／Proceedings of the 7th European Space Power Conference．Paris：ESA，2005：1-6

［9］蔡曉東，劉治鋼，張明，等．混合式MPPT 星載電源系統(tǒng)拓撲設計與仿真分析［J］，航天器工程，2013，22（3）：77-82

Cai Xiaodong，Liu Zhigang，Zhang Ming，et a1．Design and simulation of a mixed MPPT electrical power system topology［J］．Spacecraft Engineering，2013，22（3）：77-82（in Chinese）

［10］王宇賓，常鮮戎，羅艷，等．基于隱式Taylor級數(shù)法的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算［J］．華北電力大學學報，2005，32（2）：1-6

Wang Yubin，Chang Xianrong，Luo Yan，et al．An implicit Taylor series method for simulation of power system transient［J］．Journal of North China Electric Power University，2005，32（2）：1-6（in Chinese）

［11］奚國華，沈紅平，喻壽益，等．基于全階狀態(tài)觀測器的無速度傳感器DTC系統(tǒng)［J］．電氣傳動，2008，38（7）：22-25

Xi Guohuang，Shen Hongping，Yu Shouyi，et al．Speed sensorless DTC system based on full-order state observer［J］．Electric Drive，2008，38（7）：22-25 （in Chinese）