Control and Simulations of a Power Supply for Nanosatellites

Abstract

En este trabajo se ha desarrollado el control y las simulaciones de la fuente de alimentación del nanosatélite diseñado por el equipo de la Universidad de Colorado Boulder en el 2020 International Future Energy Challenge (IFEC). Con respecto a las funcionalidades del control, la fuente de alimentación ha de tener un control que sea capaz de seguir el punto de máxima potencia de los paneles fotovoltaicos, un control que sea capaz de regular la potencia suministrada a las cargas cuando la batería se asume desconectada de dicho sistema, y un control que permita seguir el voltaje de referencia en ambas cargas. Los valores obtenidos para el diseño final de los parámetros de los controles pueden considerarse muy buen punto de partida por los resultados obtenidos tras las simulaciones. Se puede concluir que el bucle del control MPPT control debe estar entre los 100 y los 500 Hz y el valor de perturbación entre los 0.002 y 0.008. Por otro lado, el valor óptimo hallado para el parámetro que define el control que regula la tensión y protege la batería, es de 0.0038. Con relación al regulador PID, los valores óptimos hallados de las simulaciones son: para PID de la carga de 5V, Ki_5=0.0287, Kp_5=1.4883, Kd_5=6.2574 y para el PID de la carga de 3.3V, Ki_3.3=0.0344, Kp_3.3=1.7510, Kd_3.3=6.0285. Dichos valores fueron optimizados para una frecuencia de bucle del control MPPT de 200 Hz y un valor de perturbación de 0.004, ya que para estos valores el control MPPT alcanzaba una un punto óptimo de operación.

In this Project, the control and simulations of the nanosatellite´s power supply designed by the University of Colorado Boulder team for the 2020 International future Energy Challenge (IFEC), have been developed. In regards to the control´s functionalities, the power supply must have a control that is able to track the PV module´s maximum power point, a control that is able to regulate the power supplied to the loads when the battery is assumed to be disconnected to such system, and a control that is able to follow the reference voltage in both loads. The values obtained for the control´s parameters final design can be considered a good starting point due to the results achieved after the simulations. It can be concluded that the MPPT control´s loop must be between 100 and 500 Hz and the perturbation value should be between 0.002 and 0.008. On the other hand, the optimal value found for the parameter that defines the control that regulates the tension and that protects the battery is 0.0038. In relation to the PID regulator, the optimal simulations values found are: for the 5V charge PID, Ki_5=0.0287, Kp_5=1.4883, Kd_5=6.2574 and for the 3.3.V charge PID, Ki_3.3=0.0344, Kp_3.3=1.7510, Kd_3.3=6.0285. Such values were optimized for a 200 Hz MPPT control frequency loop and a perturbation value of 0.004, as for these values, the MPPT control reached an optimal operation point.