一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法与流程

本发明涉及航天器电源系统，尤其涉及一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法。

背景技术：

航天器电源系统多采用太阳能电池阵列的发电方式获取能源，太阳能阵列的功率经过功率调节模块处理后输出至母线，对于大功率太阳能发电系统，通过小功率太阳功率调节模块并联运行，向母线提供大功率输出是常用的技术方案。

小功率系统并联运行在实际应用中有较多优势，一方面小功率系统易于集成与调试，且可以通过并联以实现大功率的输出；另一方面并联的单一模块出现故障，不影响其它供电模块的正常工作，这样使得整个系统的可靠性大大提升。

虽然小功率系统并联运行的优势明显，但是其中会存在一个问题，即实际生产中无法做到并联的各个模块完全一致，于是这些模块并联后由于外特性不同会导致电流分布不均，外特性好的承受电流多使系统长期过载而易于损坏，而外特性差的则输出电流较少，导致系统轻载甚至空载，作用得不到发挥，整个并联系统负载不一致，冷热不均，最终导致整个系统可靠性降低、寿命缩短或者无法工作。

因此，在多路并联的系统中必须采用有效的均流方法，以保证各个模块的电流均衡，提高系统的可靠性与稳定性。

一般来说要实现电流均衡，就需要检测每个模块的电流值，通过下垂控制等负反馈的控制方法动态调节，最终实现输出电流一致。高精度的电流检测通常使用串联采样电阻或霍尔器件的方法，相比于电压检测，电流检测存在电路复杂，在极端环境下可靠性低，成本高、代价大、安全性差等缺点。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法，以解决并联运行的太阳能功率调节模块均流控制过程中，电流量检测相比于电压量检测带来的电路复杂、成本高、可靠性差的缺点，实现更为简洁的均流控制。

本发明提供了一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法，包括以下步骤：

s1、设计并联运行的太阳能功率调节模块，太阳能功率调节模块用于实现太阳能功率调节，采用升降压变换，太阳能阵列工作点电压高于母线电压或者低于母线电压，在太阳能功率不足时，太阳能功率调节模块工作于最大功率跟踪状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点；在太阳能功率富裕时，太阳能功率调节模块工作于稳压状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点右侧；

s2、对并联运行的太阳能功率调节模块的输出电流量进行间接提取，由于太阳能功率调节模块间直接并联，则各太阳能功率调节模块的输出电压相同，若各太阳能功率调节模块电流一致，则各太阳能功率调节模块输出功率一致，对于太阳能阵列而言，各太阳能功率调节模块输出功率一致则太阳能阵列工作点电压一致，将太阳能功率调节模块的输出电流量检测转化为输入电压量检测；

s3、均流控制，利用太阳能电池的功率曲线的特性，均流控制只存在于太阳能功率调节模块的稳压模式，而稳压模式时太阳能阵列工作在功率曲线最大功率点右侧，控制太阳电池阵的工作点电压即可控制输出功率均衡，即电流均衡，完成均流。

作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，太阳能功率调节模块采用buck-boost拓扑，太阳电池阵列升压调节至母线或者降压调节至母线，在太阳能功率不足时，太阳能功率调节模块工作于最大功率跟踪状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点；在太阳能功率富裕时，太阳能功率调节模块工作于稳压状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点右侧。

作为本发明的进一步改进，在步骤s2中，当太阳能功率调节模块工作于最大功率点时，各太阳能功率调节模块均最大功率输出，不存在均流问题，因此，均流问题只涉及稳压工作模式，在稳压工作模式下，各太阳能功率调节模块输出电流平衡则输出功率平衡，进而各太阳能功率调节模块输入功率平衡，而在太阳能阵列工作在功率曲线最大功率点右侧，其输出功率与太阳能阵列工作点电压存在固定的单调函数关系，基于该单调函数关系，将太阳能功率调节模块输出电流的检测转化为对输入电压的检测。

作为本发明的进一步改进，在步骤s3中，太阳能阵列输出电压高于最大功率点电压时，其工作在功率曲线最大功率点右侧，太阳能阵列输出电压越高，输出功率越低，在太阳能阵列输出电压较高时，提高太阳能功率调节模块的参考电压，即引入太阳能阵列输出电压到太阳能功率调节模块参考电压的前馈，通过太阳能阵列输出电压的线性变换，求解各太阳能功率调节模块的参考电压值，来实现各太阳能功率调节模块的功率平衡和输出均流。

本发明的有益效果是：采用直接引入太阳能阵列工作电压的方法实现均流控制，无需检测太阳能功率调节模块输出电流，从而可以规避复杂的电流检测电路，使均流控制简单、可靠，同时成本也相对较低。

附图说明

图1是并联运行的航天器太阳能功率调节模块的结构图。

图2是太阳能功率调节模块的拓扑电路图。

图3是太阳能电池的功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法，包括以下步骤：

s1、设计并联运行的太阳能功率调节模块，太阳能功率调节模块用于实现太阳能功率调节，采用升降压变换，太阳能阵列工作点电压高于母线电压或者低于母线电压，在太阳能功率不足时，太阳能功率调节模块工作于最大功率跟踪状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点；在太阳能功率富裕时，太阳能功率调节模块工作于稳压状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点右侧；

s2、对并联运行的太阳能功率调节模块的输出电流量进行间接提取，由于太阳能功率调节模块间直接并联，则各太阳能功率调节模块的输出电压相同，若各太阳能功率调节模块电流一致，则各太阳能功率调节模块输出功率一致，对于太阳能阵列而言，各太阳能功率调节模块输出功率一致则太阳能阵列工作点电压一致，将太阳能功率调节模块的输出电流量检测转化为输入电压量检测；

s3、均流控制，利用太阳能电池的功率曲线的特性，均流控制只存在于太阳能功率调节模块的稳压模式，而稳压模式时太阳能阵列工作在功率曲线最大功率点右侧，控制太阳电池阵的工作点电压即可控制输出功率均衡，即电流均衡，完成均流。

在步骤s1中，太阳能功率调节模块采用buck-boost拓扑，太阳电池阵列升压调节至母线或者降压调节至母线，在太阳能功率不足时，太阳能功率调节模块工作于最大功率跟踪状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点；在太阳能功率富裕时，太阳能功率调节模块工作于稳压状态，使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点右侧。

在步骤s2中，当太阳能功率调节模块工作于最大功率点时，各太阳能功率调节模块均最大功率输出，不存在均流问题，因此，均流问题只涉及稳压工作模式，在稳压工作模式下，各太阳能功率调节模块输出电流平衡则输出功率平衡，进而各太阳能功率调节模块输入功率平衡，而在太阳能阵列工作在功率曲线最大功率点右侧，其输出功率与太阳能阵列工作点电压存在固定的单调函数关系，基于该单调函数关系，将太阳能功率调节模块输出电流的检测转化为对输入电压的检测。

在步骤s3中，太阳能阵列输出电压高于最大功率点电压时，其工作在功率曲线最大功率点右侧，太阳能阵列输出电压越高，输出功率越低，在太阳能阵列输出电压较高时，提高太阳能功率调节模块的参考电压，即引入太阳能阵列输出电压到太阳能功率调节模块参考电压的前馈，通过太阳能阵列输出电压的线性变换，求解各太阳能功率调节模块的参考电压值，来实现各太阳能功率调节模块的功率平衡和输出均流。

实施例1

1.总体方案设计

如图1所示，根据工程系统要求，由n个太阳能功率调节模块分别对应n个太阳能分阵(即太阳能阵列)，系统设计的目标是控制n个太阳能功率调节模块的输出电流i1～in一致，图1为并联运行的航天器太阳能功率调节模块结构图。

2.设计太阳能功率调节模块拓扑

如图2所示，设计可升降压的太阳能功率调节模块，太阳能功率调节模块采用buck-boost拓扑，图2为太阳能功率调节模块拓扑电路图，输入输出关系见下式：

其中：

vo为输出电压；

vin为输入电压；

d为开关管的占空比。

3.设计太阳能电池分阵的工作点电压

根据任务要求与设计原理，均流控制只存在于各功率调节模块工作于稳压模式，此时太阳能分阵的工作电压在功率曲线的最大功率点右侧；本设计母线电压为100v，稳压模式下太阳能分阵工作电压范围为80～120v。

4.控制算法

引入太阳能阵列输出电压vg到功率调节稳压模块参考电压vrefi的前馈，来实现功率的自动平衡和均流。本设计中，稳压模式下，太阳能阵列输出电压vg的范围为80-120v，母线参考电压为100v，设置vg到功率调节模块i的参考电压vrefi的线性变换如下，其中k为比例系数。

vrefi＝100+k(vg-80)

5.均流过程

如图3所示，假设两个功率调节模块输出功率不对等(模块1输出功率高于模块2)，两模块并联供电情况下，输出电压均为母线电压，则模块1的输出电流大于模块2的输出电流，由太阳能阵列输出特性曲线可知，模块1的太阳能阵列输出电压小于模块2的太阳能阵列输出电压(太阳能阵列工作在最大功率点右侧)。则模块1稳压模块参考电压小于模块2稳压模块参考电压，模块1产生的占空比d1将小于模块2产生的占空比d2。根据buck-boost变换器的输出与输入关系，则模块1的输入电压相对增大，模块2的输入电压相对减小。稳压模式下(太阳能阵列工作在最大功率点右侧)，模块1的输出功率相对减小，模块2的输出功率相对增加，最终两个模块输出功率平衡，即电流均衡，完成均流。

本发明提供的一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法，设计可升降压调节的太阳能功率调节模块，在稳压状态下使太阳能阵列工作于功率曲线最大功率点右侧，由于太阳能阵列工作电压与输出功率存在特定关系，太阳能阵列工作电压的检测可反映输出功率的状态，通过一定的均流控制算法实现太阳能功率调节模块输出功率与输出电流的均衡控制。

本发明提供的一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法，能够在不检测功率模块电流量的情况下实现各并联模块间的均流控制，大大简化了均流控制的工程实现，设计了太阳能功率调节模块、模块输出电流量的间接提取、模块间均流控制算法，相比于采用电流检测的方法，系统电路简单、可靠、成本低，易于实现。

本发明提供的一种无需电流检测的航天器太阳能功率调节模块均流方法，主要特点有：

1、设计了太阳能功率调节模块，采用升降压控制，可实现太阳能阵列最大功率跟踪工作模式和输出稳压工作模式，在输出稳压工作模式下，控制太阳能阵列工作在工作曲线最大功率点右侧。

2、巧妙利用太阳能功率调节模块并联运行特性，将输出电流均衡转化为输入功率均衡，控制输入功率均衡即可控制输出电流均衡。

3、巧妙利用太阳能电池工作曲线的特性，均流控制只存在于太阳能功率调节模块的稳压模式，而稳压模式时太阳能阵列工作在工作曲线最大功率点右侧，控制太阳电池阵的工作点电压即可控制输出功率均衡。

4、引入太阳能阵列输出电压到功率调节模块参考电压的前馈，通过太阳能阵列输出电压的线性变换，求解各模块的参考电压值，来实现各太阳能功率调节模块的功率平衡和输出均流。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。