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前言
迄今为止，绝大多数卫星电源
光照期间，太阳阵一方面为整星载荷
提供能量，另一方面对蓄电池进行充
电；蓄电池则负责在阴影期或峰值功
耗时释放存储的能量为载荷供电。根
据太阳阵的V-I曲线可知，在任一特
定的条件下，太阳阵都有一最佳工作
大。
目前，国内卫星均采用直接能
量传输方式(DET)，在此方式下，电
源系统将太阳阵输出的能量直接提供
给星上载荷。但由于受光照强度、温
度以及使用年限等因素的影响，太阳
阵输出电压、电流将不断衰减，直接
能量传输方式未对太阳阵的最大功率
点进行跟踪，这势必造成太阳阵输出
能量的浪费。本文针对这一现象，提
出一种基于太阳阵最大功率点跟踪
方式(Maximum Power Point Tracking，
MPPT)，通过在太阳阵输出环节增加
一种改进型太阳阵最大功率点跟踪方法An Improved Method for Power Point Tracking of Solar Array
王益军 杨定宇 上海卫星工程研究所(上海200240)
摘要：鉴于卫星上太阳阵使用
的实际情况和现有太阳阵最大
功率点跟踪理论，本文提出一
种基于三点比较理论的改进型
变步长控制方法，通过对占空
比的简单控制，达到对最大功
率点的快速跟踪逼近。它不但
克服了常规控制方法存在的不足，而且对降低卫星生产和发
射成本有着积极的意义。
关键词：最大功率点；三点比
较法；变步长；占空比控制
D O I:10.3969/j.i s s n.1005-5517.2009.08.007
2009年6月2日收到本文。王益军：工程师，从事卫星总体电源工作。
最大功率点，极大地提高太阳阵利用
效率。
MPPT理论简介
MPPT本质上是一个用作阻抗匹
配的D C/D C电路，通过控制D C/D C
电路对整星阻抗进行匹配。鉴于太阳
阵的光伏特性受到外界诸多因素影响
(光照强度、温度等)，其输出特性呈
现非线形特征，为了问题的简化，太
阳阵的模型可以看作是一个直流电源
和一个电阻的串联，其中电阻是一个
受到外界因素(光照、温度、辐射等)
影响的可变电阻。这样，当外界因素
发生变化时，势必造成可变电阻阻值
的波动，进而影响太阳阵输出特性。
利用DC/DC电路所构成的MPPT功能
电路(图1)，图中R表示任一时刻整星
的等效载荷。
虽然太阳阵和D C/D C电路是非
线性的，然而在极短时间里，可以作
为线性电路处理。根据戴维宁定理可
以将方框外的电路等效为一个阻抗，
假设此阻抗为R
eq
，
则任一时刻此等效
阻抗R
eq
上得到的功率为：
2
2
2
()
()
s eq
s
eq
s eq s eq
U R
U
P R
R R R R
==
++
等式两边对R
eq
求导并化简得：
图1 MPPT原理性框图
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设计应用|设计思路
222
4
()
()s s eq eq s eq U R R dP dR R R −=+当分子为零时，亦即R eq 等于R s
时，太阳阵将输出最大功率，假设DC/DC电路为理想电路，不存在能量的消耗，则载荷上将得到最大功率。所以欲使任一时刻载荷获得最大功率，需要一个能够对整星阻抗进行匹配的DC/DC电路，通过此电路对整星阻抗重新匹配，使得其尽可能逼近太阳阵模型中的等效阻抗R s 。
目前，常用的D C /D C 电路有降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk电路以及正、反激电路。假设上述几种电路都为理想电路，则它们的等效输入阻抗分别如下(α为开关器件的占空比，0<α<1)：
降压斩波电路：
eq U R R I α
=
=升压斩波电路：
21()1eq R R α
虚拟房间=
−升降压和Cuk电路：
2()1
eq R R αα=
−正激电路：
2211()eq R R N N α
=
反激电路：221()1eq
R
R N N αα
=−由上式可知，降压斩波电路无论如何变化，电路的等效输入阻抗总是大于有效载荷R ；升压斩波电路则刚
好相反；升降压斩波电路和Cuk电路中，当0<α<1/2时，电路等效输入阻抗大于R ；当1/2<α<1时，电路等效输入阻抗小于R 。对于正激电路，由于变压比的存在，电路等效输入阻抗总是以2
12
(
)N R N 为基准，朝着使这一基准值减小的方向变化。反激电路类似于升降压和Cuk电路，当0<α<1/2时，电路等效输入阻抗大于2
12
(
)N R N ；当1/2<α<1时，电路等效输入阻抗小于2
12
(
)N R N 。这样，最大功率点的跟踪就可以转化为DC/DC电路占空比的控制问题，通过占空比的调制，使得星上载荷获得最大功率。由于星上某一时刻实际工作载荷阻抗的不确定性，DC/DC电路必须具备双向性调节(既可以增大等效输入阻抗，亦可以减小等效输入阻抗)。虽然相关文献中
[2,3]
，DC/DC电路有采用降压斩波电
路和升压斩波电路，但是根据上述分析可知，这两种电路有其自身的局限性的(当R >R s ，降压斩波电路将无法匹配整星阻抗，使得R eq =R s ，以期太阳阵输出功率最大；升压斩波电路类似)。所以鉴于星上某一时刻实际工作载荷的不确定性，DC/DC电路应选择采用反激电路、升降压电路或Cuk 电路为佳。
MPPT理论的实现
目前最大功率点控制方法很多，常用的有恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法以及增量电导法(INC)。恒压跟踪法是一种建立在外界温度恒定前提
下近似最大功率跟踪方法，鉴于此种控制方法的局限性，不适合用于星上太阳阵控制；增量电导法是利用太阳阵输出端动态电导值d I /d V ，与此时静态电导的负数-I /V 相比较，控制太阳阵输出电压方向的一种最大功率点控制法。当传感器精度有限时，满足d I /d V =-I /V 的概率有限，将不可避免产生误差。
扰动观察法具有控制方式简单的优点。常规扰动观察法是通过计算机周期性地采集太阳阵输出电压和电流，计算出输出功率，并和上一次输出功率进行比较，根据比较结果控制DC/DC电路。经过反复比较、控制，最终使得太阳阵工作在最大功率点附近。太阳阵在最大功率点振荡的幅度取决于系统的采样周期和执行时间。过大的采样周期虽然可以提高跟踪速度，但跟踪过程中有可能会跨越最大功率点，
最终会在最大功率点处振荡，造成平均输出功率大大低于最大功率，甚至无法跟踪到最大功率点。过小的采样周期，会对硬件电路提出更高的要求，不利于元器件的选取和增加系统的研制成本，而且，从系统的动态响应性角度考虑，如果某一时刻太阳阵的实际功率点偏离最大功率点过远，过小的采样周期将需要花费更多的时间才能跟踪到位。所以常规扰动观察法首先面临着跟踪步长选取难的问题。
此外，当外部环境快速变化时，
常规扰动观察法不能快速跟踪，很容易造成误判现象。例如，当太阳阵已经工作在最大功率附近，假设此时对应的占空比为D a ，对应输出功率为
P a (图2)，当占空比扰动方向向右移动
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时，若日照强度没有发生变化，则太阳阵输出功率P b >P a ，占空比扰动方向正确。但倘若光照强度突然降低时，则对应V b 的输出功率P b `<P a ，占空比移动方向向左，而此刻占空比扰动方向应该向
右，系统出现误判。如果光照强度持续降低，系统有可能不断误判，占空比扰动方向持续向左移动，造成太阳阵效率不断下降。
所以，根据现有理论和上述常规扰动观察法存在的缺点，本文提出一
种鉴于三点比较理论的变步长控制方法，通过对D C /D C 占空比的控制，实现对太阳阵最大功率点的快速跟踪、定位。
首先在太阳阵的P-D曲线不同位置，从左向右任意取三点a、b 、c ，对应的输出功率和占空比分别为P a 、
P b 、P c 和D a 、D b 、D c (图3)。先引入一个符号变量S ，对于a、b两点，若P a ≥P b ，则S =-1，否则
S =1；对于b、c两点，若P c ≥P b ，则S =1，否则
S =-1。这样，以b点占
空比D b 为基准，D a =D b -λ，D c =D b +λ。每一个采样周期里，比较三点计算所得功率的大小，进而得到符号变量S 的值，根据S 决定占空比移动方向。
由图3可知，当S =0时，工作点将不移动；当S =2时，工作点将向右移动；当S =-2时，工作点将向左移动。现在回顾上面所提及的常规扰动观察法中，太阳阵误判情形：P b ≤P a ，
P b ≤P c ，此情形下S =0，工作点将保持不变，这样就可以有效地避免光照快彩防滑面层涂料
图2 常规扰动观察法误判现象
图3 三点在P-D线上的位置分布
速变化时所引起的误判现象。
变步长控制策略设计成一个子程序。首先根据三点比较法可以确定a、b、c的大概位置(相对与最大功率点而言)，然后设定一个系统可以接受的最小占空比变化率(假设此值为min α)，下面以三点在最大功率点左边来阐述变步长控制策略。刚开始时，控制系统以一个较大步长的占空比变化率来调整。假设某一时刻系统占空比为D (n )，如果P c -P b ≥ε(ε为一个很小的正数)，则保持原来的占空比变化方向和步长变化率λ；如果0≤P c -
P b <ε，则占空比变化方向不变，但是步长变化率减为原来的一半(即步长变为λ/2)。新一轮三点比较之后，再次判断P c 和P b 之差，如果P c -P b ≥ε仍然成立，则保持原来的占空比变化方向和步长变化率；同理，如果0≤P c -P b <ε亦成立，则步长变化率减为上次的一半(即步长变为λ/4)，如此反复，直到步长变化率λ/n ≤min α为止。这样，在离最大功率点比较远的地方采用大的跟踪步长；在最大功率点附近采用小步长逐步逼近最大功率点，最终实际工作点将逐步逼近并且收敛于最大工作点。变步长控制策略流程图如图4所示。
在M P P T 控制子
花生采摘机
图4 变步长控制子程序流程图下转53
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进值任意设定。
灵活使用滤波功能
在汽车电子实验室的实际测试中，CAN总线信号会受到马达点火等因素的干扰，使捕获的波形带有很多噪声。如果想获得清晰的总线信号需要将噪声滤除。而一般示波器最低只有200MHz和20MHz两种低通滤波器，对于20MHz以下的噪声就无能为力了。而DLM2000标准配置中带有200MHz至8kHz的14种滤波器，可有效滤除各种高频噪声。
如果使用内置的运算滤波功能，可以实现0.01Hz至满带宽的高通及低通滤波，既可以滤掉高频噪声，也可以滤掉基本信号来观测高频噪声。另外，通过设置合适的截止频率可以很容易获得调制信号的基波。
串行总线应用越来越广泛，出现了专门的串行总线协议分析工具，一般包括数据采集硬件和PC端软件。这种设备可在PC端对串行总线协议进行详细的解析和分析，但是其价格
图3 CAN/LIN双总线同时进行触发分析
一般非常昂贵，功能局限于总现协议
分析。另外，这类设备的硬件部分的
采样率比较有限，对于波形的细节分
析，无法和示波器相比，由外部噪声
干扰产生的总线错误将很难检测出
来。而带有强大滤波功能的示波器既
可以观测真实的物理波形，又可以通
过滤波功能获得清晰的总线信号。
随着科技的飞速发展，串行总
线技术也在不断更新，应用越来越广
泛。在嵌入式开发非常普遍的今天，
使用一款功能强大的示波器进行串行
总线分析可以达到事半功倍的效果，
简化调试方式，提高开发效率。
程序中，判断P是否为零，可以实现当卫星进入阴影期时，计算机放弃对DC/DC电路的控制权。光照期计算机通过定时程序，每隔一定的时间调用一次MPPT控制子程序进行最大功率点跟踪，一轮最大功率点跟踪到位的依据是∆D(n)=0。当卫星由阴影期进入光照期时，通过采样太阳阵从阴影期进入光照期输出电流的变化，结合硬件电路产生计算机外部中断，来启动定时程序。结语
本文对MPPT理论作了较为系统
地阐述，对几种常用的DC/DC电路展
开讨论，进而得到MPPT控制中DC/
DC电路选取的依据，并且针对恒压
跟踪法的局限性，增量电导法对采样
电路的依赖性以及常规扰动观察法容
易在最大功率点附近振荡，造成能量
损失，而且在光照快速变化时还容易
引起误判等情况，提出一种基于三点
比较的变步长控制方法，它不但可以
克服光照快速变化时的误判和最大功
率点处的振荡现象，而且可以实现对
最大功率点的快速跟踪、定位。
星上太阳阵MPPT理论的提出，
不但对减小卫星太阳阵的面积和重
量，降低生产和发射成本起到积极的
意义，而且可以优化卫星电源系统的
飞机操纵杆
设计。
参考文献：
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聚乙二醇辛基苯基醚真研究[J]. 计算机仿真，2007，24(9)：241－244
[2] 时剑，单春贤等. MCU控制的太阳能电池最大功率跟踪控
制器[J]. 电力电子技术，2008，42(11)：45－46
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系统[J]. 电力电子技术，2004，38(3)：55－57
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功率跟踪器[J]. 电工技术学报，2007，22(8)：77－78
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vb连接sql数据库tracking：an algorithm for rapidly changing atmospheric
conditions[J]．IEE Proceedings：Generation，Transmission
and Distribution，1995，142(1)：59—64
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