● 摘要
太阳能是空间中广泛存在的取之不尽用之不竭的清洁能源，目前现有的航天器绝大多数均采用太阳能作为其唯一的能量来源。由于光伏电池的非线性特性，最大功率点跟踪（MPPT）技术对于光伏太阳能的利用至关重要。将最大功率点跟踪技术应用到空间电源领域可以实现对光伏电池阵的效率最大化利用，有利于减小航天器光伏电池阵体积，提高航天器电源系统功率，适应空间电源发展大功率化的发展趋势。 鉴于空间特殊工作环境对系统的可靠性和适应性的苛刻要求，在地面光伏发电系统中常用的基于数字信号处理器的MPPT控制方案并不适用于空间电源。因此，需要研究并开发一种简单有效的模拟电路MPPT控制方案。本文首先比较分析了两种模拟电路MPPT控制方法：模拟电路扰动观察法和基于RS触发器的模拟电路MPPT方法。对这两种MPPT控制方法进行了原理分析和数学建模，并通过仿真比较了二者的性能，最终选择以基于RS触发器的模拟电路MPPT方法为基础来实现空间光伏电源的MPPT控制。 本文提出了一种基于模拟电路MPPT控制的，以Superbuck变换器为主电路的，配合蓄电池储能的空间光伏电源系统。在该系统中设计并实现了采用模拟电路MPPT与蓄电池的恒压充电、恒流充电三者相结合的协调控制方法，在保证蓄电池安全充放电的前提下实现光伏电池的最大功率输出。 本文对采用上述协调控制方法的空间光伏电源系统稳定性进行了深入的分析，采用PSPICE软件对该系统进行了建模和仿真分析，确定了控制系统参数，考察了在多个光伏电池阵输入条件下的MPPT控制效果，以及系统在负载变化时控制模式的切换过程。仿真结果验证了该系统的可行性和有效性。 本文根据空间电源系统的特殊工作要求设计了基于模拟电路MPPT控制的空间电源系统样机，并搭建了样机实验测试平台。通过实验测试了不同系统参数条件下的MPPT控制性能。实验结果充分验证了本文所提出的空间电源系统，不仅可以实现高精度的最大功率点跟踪控制，而且具有良好的稳定性。 本文设计实现的基于模拟电路MPPT的空间电源系统具有太阳能利用率高，可靠性高，纹波小等优点，符合空间电源的应用要求，尤其适用于低轨道卫星和深空探测器等光伏电池工作环境多变的航天任务。