[发明专利]一种航天器太阳电池阵布片方案的优化方法

说明书

本发明提供了一种航天器太阳电池阵布片方案的优化方法，包括以下步骤：S1、对太阳电池阵的光照条件进行枚举，采用加权功率总和和加权功率波动两个指标来对太阳电池阵布片方案的输出电性能进行评价；S2、用双行数码对太阳电池阵布片方案进行数字化编码；S3、利用遗传算法对太阳电池阵布片方案进行优化。本发明的有益效果是：（1）本发明的太阳电池阵布片方案的优化方法能在不增加额外元件、不需要改变控制算法的情况下，提升部分遮挡条件下航天电源系统太阳电池阵输出能力、减少输出波动；（2）本发明中使用双目标遗传算法对太阳电池阵布片方案进行优化，并能定量对比不同的布片方案，深度探索各种可能解并最终输出一组优化解。

技术领域

本发明涉及航天器，尤其涉及一种航天器太阳电池阵布片方案的优化方法。

背景技术

对大部分航天器，太阳电池阵是唯一能源提供者。太阳电池阵由多个太阳电池片串联形成电池串，再将多个电池串并联组成。由于电池串输出电流受制于其中输出最小的电池片，当单片太阳电池被完全遮挡时，尽管在每一片(或数片)电池片上并联旁路二极管可避免遮挡时串联组件输出电流的减少，但仍会造成组件输出电压的下降。文献《局部阴影遮挡的太阳电池组件输出特性实验研究》(期刊：太阳能学报，2012,33(01):5–12.)、《一种航天器太阳电池阵供电能力计算方法》(期刊：北京航空航天大学学报，2017,43(7):1355–1363.)均指出，部分遮挡造成的太阳电池阵输出功率损失量，并非遮挡面积的简单函数，而是与被遮挡太阳电池片在电路中的具体位置有关。且当阴影在太阳电池阵上移动时，还会造成输出功率波动。因此需要采取手段尽量减少部分遮挡时的输出功率损失和影响。

在地面应用中，为了减少部分遮挡时的功率损失，可通过最大功率点跟踪、分布式MPPT、动态重配置等手段来实现。但这些方法都要求增加电子元件和复杂的控制策略，在航天应用中，这意味着系统变得更加复杂、可靠性降低、发射重量增加以及需要使用昂贵的宇航级微控制器。

文献《高分三号卫星太阳电池阵设计与验证》(期刊：航天器工程,2017,26(6):113–118.)中，通过调整太阳电池串布局方向、增加电池串联片数、将关键部分的电池串布置在太阳阵外板区域来尽量减少遮挡影响。方法具有工程实用意义，但未对不同的布片方案进行定量比较和深度优化。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种航天器太阳电池阵布片方案的优化方法，能够解决现有技术中需要增加元器件和复杂的控制策略，无法量化对比不同的布片方案并深度优化的问题。

本发明提供了一种航天器太阳电池阵布片方案的优化方法，包括以下步骤：

S1、对太阳电池阵的光照条件进行枚举，采用加权功率总和和加权功率波动两个指标来对太阳电池阵布片方案的输出电性能进行评价；

S2、用双行数码对太阳电池阵布片方案进行数字化编码；

S3、利用遗传算法对太阳电池阵布片方案进行优化。

作为本发明的进一步改进，步骤S1包括

定量评价太阳电池阵布片方案的性能，根据不同光照条件出现的概率，以及各光照条件向相邻光照条件转换的概率，进行加权计算，其包括如下步骤：

步骤A1，根据该航天器的任务轨道或计划，计算可能出现的所有光照条件并记为I_j(j＝1,2,…,n)；

步骤A2，计算每一种光照条件的出现概率W_j；

步骤A3，根据该航天器电源系统、外形特征，计算在光照条件I_j下，太阳电池阵上因航天器本体结构相互遮挡造成的阴影图形，并进一步计算此时太阳电池阵可输出功率P_j；

步骤A4，计算评价该太阳电池阵布片方案输出能力的指标，加权功率总和：