CN110275565B - 一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统及方法，其中该系统包括采样电路、比例调节电路、保持电路、比较电路、积分电路、PI调节电路和驱动电路；其中，采样电路得到太阳阵实时电压信号；比例调节电路得到太阳阵实时电压分压信号；保持电路得到自适应后的太阳阵输出电压；比较电路，将太阳阵实时电压信号与自适应后的输出电压进行比较得到太阳阵电压控制信号；积分电路，将比较电路得到的控制信号进行积分作用，得到控制系统的基准。本发明提出的最大功率跟踪方法结构简单，控制系统稳定，为采用太阳阵供电的卫星提供了一种有效的提高太阳电池输出功率，减少太阳阵面积，减轻电源重量的方式。

Description

一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统及方法

技术领域

本发明属于太阳阵最大功率跟踪调节控制技术领域，尤其涉及一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统及方法。

背景技术

卫星电源系统中，功率调节主要有两种方式：能量直接传输方式(Direct EnergyTransfer，DET)和最大功率跟踪方式(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。DET方式采用定电压点的设计方式，根据寿命末期的工作点电压设计太阳阵的串联数。与现有DET方式不同，MPPT方式通过控制太阳阵的输出电压使其工作在最大功率点附近，太阳阵在各种环境条件下及不同的寿命阶段都能输出最大功率，减少了太阳阵面积和蓄电池的放电深度，减轻了电源的重量，延长了蓄电池的使用寿命。

MPPT方式有很多，常用的有固定电压法、扰动观察法、增量电导法。扰动观察法与增量电导法均需要对太阳阵输出电压和电流进行采样，难以用硬件电路实现，可靠性低。固定电压法不需要采样太阳阵电流，但需要定时采样太阳电池开路电压，此时太阳电池不能对负载输出功率，需要蓄电池提供功率，人为增加了蓄电池充放电次数，造成浪费，减少了蓄电池的使用寿命。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统及方法，提出的最大功率跟踪方法结构简单，控制系统稳定，易于工程实现，为采用太阳阵供电的卫星提供了一种有效的提高太阳电池输出功率，减少太阳阵面积，减轻电源重量的方式。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统，包括：采样电路、比例调节电路、保持电路、比较电路、积分电路、PI调节电路和驱动电路；其中，所述采样电路、比例调节电路、保持电路、比较电路与积分电路构成了最大功率跟踪功能实现硬件电路；采样电路，实时对太阳阵输出电压进行采样处理，得到太阳阵实时电压信号；比例调节电路，将太阳阵实时电压信号进行比例调节处理，得到太阳阵实时电压分压信号；保持电路，将比例调节电路得到的太阳阵实时电压分压信号保持，得到自适应后的太阳阵输出电压；比较电路，将太阳阵实时电压信号与自适应后的输出电压进行比较得到太阳阵电压控制信号；积分电路，将比较电路得到的控制信号进行积分作用，得到控制系统的基准；所述PI调节电路与驱动电路构成了太阳阵调节闭环控制系统。

上述基于自适应电压的最大功率跟踪系统中，所述采样电路包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第一差分电阻R4、第二差分电阻R5、第三差分电阻R6、第四差分电阻R7以及第一运算放大器U1；其中，第一分压电阻R1正端接入太阳阵输出电压，第一分压电阻R1负端接第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端接地，第二分压电阻R2两端的电位即为太阳电池电压分压信号；第一差分电阻R4正端接第一分压电阻R1负端，第一差分电阻R4负端接第二差分电阻R5正端，同时接第一运算放大器U1的同相端，第二差分电阻R5负端接地信号；第三差分电阻R6正端接第三分压电阻R3正端，第三差分电阻R6负端接第四差分电阻R7正端，同时接第一运算放大器U1的反相端，第四差分电阻R7负端接第一运算放大器U1输出，得到太阳阵实时电压信号VSA。

上述基于自适应电压的最大功率跟踪系统中，所述比例调节电路包含第一跟随电阻R8、第二跟随电阻R9、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11以及第二运算放大器U2；其中，第一跟随电阻R8正端接入太阳阵实时电压信号VSA，第一跟随电阻R8负端接第二运算放大器U2同相端，第二跟随电阻R9正端接第二运算放大器U2反相端，第二跟随电阻R9负端接第二运算放大器U2输出，得到太阳阵实时电压信号VSA的隔离信号；第四分压电阻R10正端接第二运算放大器U2输出，第四分压电阻R10负端接第五分压电阻R11正端，第五分压电阻R11负端接地信号，第五分压电阻R11正端为太阳阵比例调节信号VSA_BL。

上述基于自适应电压的最大功率跟踪系统中，所述保持电路包含电子开关U3和保持电容C1；其中，电子开关U3的控制端1C连接比较电路的输出，电子开关U3的输入端1I连接太阳阵比例调节信号VSA_BL，电子开关U3的输出端1O连接保持电容C1的正端，保持电容C1的负端连接地信号；电子开关U3的控制端1C为高电平信号，输入端1I与输出端1O处于接通状态，控制端1C为低电平信号，输入端1I与输出端1O处于断开状态。

一种基于自适应电压的最大功率跟踪方法，所述方法包括如下步骤：采样电路采集太阳阵输出电压，经过比例调节电路和保持电路，得到自适应后的太阳阵输出电压，将太阳阵输出电压与自适应后的输出电压通过比较电路，产生的信号频率与开关管频率一致，脉宽与太阳阵输出电压相关；太阳阵输出电压大，脉宽宽，经过积分电路得到的基准变大，再通过PI调节闭环控制系统，使得太阳阵工作在最大功率点。

上述基于自适应电压的最大功率跟踪方法中，所述采样电路包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第一差分电阻R4、第二差分电阻R5、第三差分电阻R6、第四差分电阻R7以及第一运算放大器U1；其中，第一分压电阻R1正端接入太阳阵输出电压，第一分压电阻R1负端接第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端接地，第二分压电阻R2两端的电位即为太阳电池电压分压信号；第一差分电阻R4正端接第一分压电阻R1负端，第一差分电阻R4负端接第二差分电阻R5正端，同时接第一运算放大器U1的同相端，第二差分电阻R5负端接地信号；第三差分电阻R6正端接第三分压电阻R3正端，第三差分电阻R6负端接第四差分电阻R7正端，同时接第一运算放大器U1的反相端，第四差分电阻R7负端接第一运算放大器U1输出，得到太阳阵实时电压信号VSA。

上述基于自适应电压的最大功率跟踪方法中，所述比例调节电路包含第一跟随电阻R8、第二跟随电阻R9、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11以及第二运算放大器U2；其中，第一跟随电阻R8正端接入太阳阵实时电压信号VSA，第一跟随电阻R8负端接第二运算放大器U2同相端，第二跟随电阻R9正端接第二运算放大器U2反相端，第二跟随电阻R9负端接第二运算放大器U2输出，得到太阳阵实时电压信号VSA的隔离信号；第四分压电阻R10正端接第二运算放大器U2输出，第四分压电阻R10负端接第五分压电阻R11正端，第五分压电阻R11负端接地信号，第五分压电阻R11正端为太阳阵比例调节信号VSA_BL。

上述基于自适应电压的最大功率跟踪方法中，所述保持电路包含电子开关U3和保持电容C1；其中，电子开关U3的控制端1C连接比较电路的输出，电子开关U3的输入端1I连接太阳阵比例调节信号VSA_BL，电子开关U3的输出端1O连接保持电容C1的正端，保持电容C1的负端连接地信号；电子开关U3的控制端1C为高电平信号，输入端1I与输出端1O处于接通状态，控制端1C为低电平信号，输入端1I与输出端1O处于断开状态。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明只需要采样太阳阵输出电压，构建简单的硬件电路即可实现最大功率跟踪，并不需要断开太阳阵来采集开路电压；

(2)目前，我国尚未在航天领域中采用最大功率点跟踪方式。本发明提出的最大功率跟踪方法结构简单，控制系统稳定，易于工程实现，为采用太阳阵供电的卫星提供了一种有效的提高太阳电池输出功率，减少太阳阵面积，减轻电源重量的方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于自适应电压的最大功率跟踪系统的结构框图；

图2是本发明实施例信号分析图A；

图3是本发明实施例信号分析图B；

图4是本发明实施例提供的采样电路的示意图；

图5是本发明实施例提供的比例调节电路的示意图；

图6是本发明实施例提供的保持电路的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的基于自适应电压的最大功率跟踪系统的结构框图。如图1所示，该基于自适应电压的最大功率跟踪系统包括：采样电路1、比例调节电路2、保持电路3、比较电路4、积分电路5、PI调节电路和驱动电路；其中，

所述采样电路1、比例调节电路2、保持电路3、比较电路4与积分电路5构成了最大功率跟踪功能实现硬件电路；采样电路1，实时对太阳阵输出电压进行采样处理，得到太阳阵实时电压信号；比例调节电路2，将太阳阵实时电压信号进行比例调节处理，得到太阳阵实时电压分压信号；保持电路3，将比例调节电路2得到的太阳阵实时电压分压信号保持，得到自适应后的太阳阵输出电压；比较电路4，将太阳阵实时电压信号与自适应后的输出电压进行比较得到太阳阵电压控制信号；积分电路5，将比较电路4得到的控制信号进行积分作用，得到控制系统的基准；所述PI调节电路与驱动电路构成了太阳阵调节闭环控制系统。

开关管导通，太阳阵输出电压呈现下降状态。开关管断开，太阳阵输出电压呈现上升状态。根据开关管工作状态，一个开关周期内，太阳阵输出电压上升下降状态交替出现。采样电路1采集太阳阵输出电压，经过比例调节电路2和保持电路3，得到自适应后的太阳阵输出电压，将太阳阵输出电压与自适应后的输出电压通过比较电路4，产生的信号频率与开关管频率一致，脉宽与太阳阵输出电压相关。太阳阵输出电压大，脉宽宽，经过积分电路5得到的基准变大，再通过PI调节闭环控制系统，使得太阳阵工作在最大功率点。控制器的基准由简单的MPPT硬件电路实时获得，而不是采用传统的控制器用的固定的稳压管做基准。只需要时时采样太阳阵输出电压1，不需要采样太阳阵电流，不需要采样太阳阵开路电压，采用非常简单的硬件电路就可实现最大功率跟踪功能。

如图4所示，所述采样电路1包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第一差分电阻R4、第二差分电阻R5、第三差分电阻R6、第四差分电阻R7以及第一运算放大器U1；其中，

第一分压电阻R1正端接入太阳阵输出电压，第一分压电阻R1负端接第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端接地，第二分压电阻R2两端的电位即为太阳电池电压分压信号；

第一差分电阻R4正端接第一分压电阻R1负端，第一差分电阻R4负端接第二差分电阻R5正端，同时接第一运算放大器U1的同相端，第二差分电阻R5负端接地信号；第三差分电阻R6正端接第三分压电阻R3正端，第三差分电阻R6负端接第四差分电阻R7正端，同时接第一运算放大器U1的反相端，第四差分电阻R7负端接第一运算放大器U1输出，得到太阳阵实时电压信号VSA。

如图5所示，所述比例调节电路2包含第一跟随电阻R8、第二跟随电阻R9、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11以及第二运算放大器U2；其中，

第一跟随电阻R8正端接入太阳阵实时电压信号VSA，第一跟随电阻R8负端接第二运算放大器U2同相端，第二跟随电阻R9正端接第二运算放大器U2反相端，第二跟随电阻R9负端接第二运算放大器U2输出，得到太阳阵实时电压信号VSA的隔离信号；

第四分压电阻R10正端接第二运算放大器U2输出，第四分压电阻R10负端接第五分压电阻R11正端，第五分压电阻R11负端接地信号，第五分压电阻R11正端为太阳阵比例调节信号VSA_BL。

如图6所示，所述保持电路3包含电子开关U3和保持电容C1；其中，电子开关U3的控制端1C连接比较电路4的输出，电子开关U3的输入端1I连接太阳阵比例调节信号VSA_BL，电子开关U3的输出端1O连接保持电容C1的正端，保持电容C1的负端连接地信号；电子开关U3的控制端1C为高电平信号，输入端1I与输出端1O处于接通状态，控制端1C为低电平信号，输入端1I与输出端1O处于断开状态。

本实施例还提供了一种基于自适应电压的最大功率跟踪方法，所述方法包括如下步骤：采样电路1采集太阳阵输出电压，经过比例调节电路2和保持电路3，得到自适应后的太阳阵输出电压，将太阳阵输出电压与自适应后的输出电压通过比较电路4，产生的信号频率与开关管频率一致，脉宽与太阳阵输出电压相关；太阳阵输出电压大，脉宽宽，经过积分电路5得到的基准变大，再通过PI调节闭环控制系统，使得太阳阵工作在最大功率点。

上述实施例中，PI调节电路与驱动电路构成了太阳阵调节闭环控制系统。将MPPT硬件电路实时获得的基准信号经过闭环控制系统得到开关管的驱动信号，驱动开关管工作状态，实现最大功率点的追踪。

如图2所示，是本发明自适应电压的信号分析例图A。包括开关管的驱动信号、太阳阵输出电压、太阳阵自适应电压、比较电路输出信号。本例中开关管驱动信号占空比50％。

如图3所示，是本发明自适应电压的信号分析例图B。本例中开关管驱动信号占空比70％。比较电路输出信号明显比图2小。经过闭环控制系统后的太阳阵输出电压也比图2小。

本实施例只需要采样太阳阵输出电压，构建简单的硬件电路即可实现最大功率跟踪，并不需要断开太阳阵来采集开路电压；目前，我国尚未在航天领域中采用最大功率点跟踪方式。本实施例提出的最大功率跟踪方法结构简单，控制系统稳定，易于工程实现，为采用太阳阵供电的卫星提供了一种有效的提高太阳电池输出功率，减少太阳阵面积，减轻电源重量的方式。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于自适应电压的最大功率跟踪系统，其特征在于包括：采样电路(1)、比例调节电路(2)、保持电路(3)、比较电路(4)、积分电路(5)、PI调节电路和驱动电路；其中，

所述采样电路(1)、比例调节电路(2)、保持电路(3)、比较电路(4)与积分电路(5)构成了最大功率跟踪功能实现硬件电路；

采样电路(1)，实时对太阳阵输出电压进行采样处理，得到太阳阵实时电压信号；

比例调节电路(2)，将太阳阵实时电压信号进行比例调节处理，得到太阳阵实时电压分压信号；

保持电路(3)，将比例调节电路(2)得到的太阳阵实时电压分压信号保持，得到自适应后的太阳阵输出电压；

比较电路(4)，将太阳阵实时电压信号与自适应后的输出电压进行比较得到太阳阵电压控制信号；

积分电路(5)，将比较电路(4)得到的控制信号进行积分作用，得到控制系统的基准；

所述PI调节电路与驱动电路构成了太阳阵调节闭环控制系统；

所述采样电路(1)包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第一差分电阻R4、第二差分电阻R5、第三差分电阻R6、第四差分电阻R7以及第一运算放大器U1；其中，

第一分压电阻R1正端接入太阳阵输出电压，第一分压电阻R1负端接第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端接地，第二分压电阻R2两端的电位即为太阳电池电压分压信号；

第一差分电阻R4正端接第一分压电阻R1负端，第一差分电阻R4负端接第二差分电阻R5正端，同时接第一运算放大器U1的同相端，第二差分电阻R5负端接地信号；第三差分电阻R6正端接第三分压电阻R3正端，第三差分电阻R6负端接第四差分电阻R7正端，同时接第一运算放大器U1的反相端，第四差分电阻R7负端接第一运算放大器U1输出，得到太阳阵实时电压信号VSA；

所述比例调节电路(2)包含第一跟随电阻R8、第二跟随电阻R9、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11以及第二运算放大器U2；其中，

第一跟随电阻R8正端接入太阳阵实时电压信号VSA，第一跟随电阻R8负端接第二运算放大器U2同相端，第二跟随电阻R9正端接第二运算放大器U2反相端，第二跟随电阻R9负端接第二运算放大器U2输出，得到太阳阵实时电压信号VSA的隔离信号；

第四分压电阻R10正端接第二运算放大器U2输出，第四分压电阻R10负端接第五分压电阻R11正端，第五分压电阻R11负端接地信号，第五分压电阻R11正端为太阳阵比例调节信号VSA_BL；

所述保持电路(3)包含电子开关U3和保持电容C1；其中，

电子开关U3的控制端1C连接比较电路(4)的输出，电子开关U3的输入端1I连接太阳阵比例调节信号VSA_BL，电子开关U3的输出端1O连接保持电容C1的正端，保持电容C1的负端连接地信号；

电子开关U3的控制端1C为高电平信号，输入端1I与输出端1O处于接通状态，控制端1C为低电平信号，输入端1I与输出端1O处于断开状态。

2.一种基于自适应电压的最大功率跟踪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：采样电路(1)采集太阳阵输出电压，经过比例调节电路(2)和保持电路(3)，得到自适应后的太阳阵输出电压，将太阳阵输出电压与自适应后的输出电压通过比较电路(4)，产生的信号频率与开关管频率一致，脉宽与太阳阵输出电压相关；太阳阵输出电压大，脉宽宽，经过积分电路(5)得到的基准变大，再通过PI调节闭环控制系统，使得太阳阵工作在最大功率点；

所述采样电路(1)包含第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第一差分电阻R4、第二差分电阻R5、第三差分电阻R6、第四差分电阻R7以及第一运算放大器U1；其中，

第一分压电阻R1正端接入太阳阵输出电压，第一分压电阻R1负端接第二分压电阻R2正端，第二分压电阻R2负端接第三分压电阻R3正端，第三分压电阻R3负端接地，第二分压电阻R2两端的电位即为太阳电池电压分压信号；

第一差分电阻R4正端接第一分压电阻R1负端，第一差分电阻R4负端接第二差分电阻R5正端，同时接第一运算放大器U1的同相端，第二差分电阻R5负端接地信号；第三差分电阻R6正端接第三分压电阻R3正端，第三差分电阻R6负端接第四差分电阻R7正端，同时接第一运算放大器U1的反相端，第四差分电阻R7负端接第一运算放大器U1输出，得到太阳阵实时电压信号VSA；

所述比例调节电路(2)包含第一跟随电阻R8、第二跟随电阻R9、第四分压电阻R10、第五分压电阻R11以及第二运算放大器U2；其中，

第一跟随电阻R8正端接入太阳阵实时电压信号VSA，第一跟随电阻R8负端接第二运算放大器U2同相端，第二跟随电阻R9正端接第二运算放大器U2反相端，第二跟随电阻R9负端接第二运算放大器U2输出，得到太阳阵实时电压信号VSA的隔离信号；

第四分压电阻R10正端接第二运算放大器U2输出，第四分压电阻R10负端接第五分压电阻R11正端，第五分压电阻R11负端接地信号，第五分压电阻R11正端为太阳阵比例调节信号VSA_BL；

所述保持电路(3)包含电子开关U3和保持电容C1；其中，

电子开关U3的控制端1C连接比较电路(4)的输出，电子开关U3的输入端1I连接太阳阵比例调节信号VSA_BL，电子开关U3的输出端1O连接保持电容C1的正端，保持电容C1的负端连接地信号；

电子开关U3的控制端1C为高电平信号，输入端1I与输出端1O处于接通状态，控制端1C为低电平信号，输入端1I与输出端1O处于断开状态。

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