一種光伏水泵系統(tǒng)

呂忠明 劉峰 林平

摘 要：光伏水泵系統(tǒng)是太陽能電池應(yīng)用的一個重要分支，它的巨大社會和經(jīng)濟(jì)效益越來越受到廣泛關(guān)注。光伏水泵系統(tǒng)由太陽能電池陣列、功率跟蹤器、逆變器和電機(jī)水泵總成組成。若采用直流水泵電機(jī)，可省略逆變器。本文結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)重點(diǎn)針對光伏水泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：光伏水泵系統(tǒng);太陽能電池;技術(shù)

1引言

在我國，光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用剛起步，市場占有額及市場占有量均較低，應(yīng)用面不廣，采用太陽光伏系統(tǒng)供電提水設(shè)備解決這些無電地區(qū)的人畜飲水和灌溉問題，是最理想的方式之一。一方面，中國西部邊遠(yuǎn)地區(qū)太陽能資源豐富;另一方面，光伏提水設(shè)備無污染、無噪聲，可靠性高，維護(hù)工作量極小。而其可靠性遠(yuǎn)超過風(fēng)力提水，隨著太陽電池價格的下降，光伏提水應(yīng)用前景更加廣闊。

2光伏水泵系統(tǒng)概述

“光伏水泵系統(tǒng)”也稱之為“太陽能光電水泵系統(tǒng)”，利用太陽能電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，通過控制裝置，驅(qū)動電機(jī)而帶動水泵進(jìn)行提水。光伏水泵系統(tǒng)是集光伏技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及電機(jī)、水機(jī)、電力電子應(yīng)用為一體的高技術(shù)產(chǎn)品。為使光伏水泵工作在最優(yōu)狀態(tài)，即有用功率最大輸出，光伏水泵的控制單元必須能夠?qū)μ柲茈姵氐闹绷鬏敵龊退眠M(jìn)行合理控制，使兩者工作狀態(tài)相匹配，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)輸出。

3光伏水泵系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容

3.1???? 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

光伏水泵控制系統(tǒng)分成光伏陣列控制和水泵電機(jī)控制兩部分：利用DC/DC 變換器和最大功率追蹤（MPPT）算法來控制光伏陣列，使其始終工作在相應(yīng)的最大功率輸出狀態(tài);水泵電機(jī)控制則根據(jù)前級輸出功率和水泵自身的特性，實(shí)時調(diào)整其輸出電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行。

MPPT 控制的目的在于，通過跟蹤并使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)上，充分利用太陽能電池的輸出能量。MPPT 模塊包括：1.V/I 采樣模塊，為下位機(jī)提供太陽能電池組的電壓、電流實(shí)時值，用以判斷最大功率點(diǎn);2.下位機(jī)，根據(jù)太陽能電池組的電壓、電流實(shí)測值判斷最大功率點(diǎn)，并控制信號驅(qū)動器的輸出;3.主功率器件，根據(jù)下位機(jī)指令，為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供驅(qū)動信號;4.DC/DC 轉(zhuǎn)換，根據(jù)信號驅(qū)動器的輸入占空比，調(diào)整負(fù)載阻抗到相應(yīng)值;5.直流供電，由于太陽能電池組的輸出電壓變化范圍較大，因此從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器后端采出直流信號，為下位機(jī)等控制模塊供電。

擾動觀察法：通過周期性改變負(fù)載的大小來改變太陽電池的輸出功率，并通過觀察和比較負(fù)載變動前后輸出功率的大小來決定下一步負(fù)載變動的方向。這是目前使用較為普遍的一種算法，結(jié)構(gòu)簡單，需要測量的參數(shù)少，但是會在功率最大點(diǎn)附近振蕩，造成能量損失。

3.2???? 脈寬調(diào)制技術(shù)

大功率直流電機(jī)的換向電路由驅(qū)動和控制兩部分組成。驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。直流電壓經(jīng)由換流器轉(zhuǎn)成3相電壓驅(qū)動電機(jī)。換流器由6個功率器件分為上臂 / 下臂連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂破魈峁?PWM 信號決定功率晶體管開關(guān)開啟狀態(tài)以及換流器換相時間。為使電機(jī)在負(fù)載變動時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，同常在電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場強(qiáng)度的霍爾傳感器，提供速度閉環(huán)回路控制。也有通過測量電機(jī)反向電動勢實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制的無霍爾傳感器直流電機(jī)控制方式。

3.3???? 微機(jī)控制技術(shù)

下位機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，它能夠?qū)﹄妷汉碗娏鞑蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算， 判斷最大功率點(diǎn)，并輸出控制信號（如 PWM 信號）調(diào)節(jié)主功率器件，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的功能。

電壓和電流采樣電路的精度決定了最大功率點(diǎn)判斷的準(zhǔn)確性。為避免太陽能電池輸出的交流信號干擾，不僅采樣電路需要采用低通濾波措施，在太陽能電池組的輸出端也需要增加濾波電路。

直流供電電路需要給采樣電路、下位機(jī)、主功率器件及其驅(qū)動電路等供電，不同的通路之間盡量隔離，以避免相互干擾。

4主要創(chuàng)新點(diǎn)

4.1???? 針對光伏電池電流 - 電壓非線性輸出的特點(diǎn)，提出一種爬山法和擾動觀察法相結(jié)合的混合算法，以實(shí)現(xiàn)太陽能電池實(shí)時最大功率點(diǎn)追蹤的目的。

4.2???? 硬件設(shè)計(jì)上采用獨(dú)立寬冗余輸入的 DC/DC（≥1：2）解決光伏電池組輸出漲落幅度過大的問題。

4.3???? 建立起太陽能電池輸出特性和水泵電機(jī)負(fù)載特性的數(shù)學(xué)模型，研發(fā)出專門的控制策略，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。

5具體技術(shù)方案

5.1???? DC/DC 轉(zhuǎn)換

設(shè)計(jì)基于 Buck （ 降壓型） 電路的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍72V～144V，輸出直流穩(wěn)壓48V，轉(zhuǎn)換效率不低于87%。

5.2???? 控制及數(shù)據(jù)處理模塊

通過 V/I 采樣模塊，為單片機(jī)提供光伏電池組的電壓、電流實(shí)時值，用以判斷最大功率點(diǎn)。單片機(jī)根據(jù)既定的MPPT 算法，控制主功率器件輸出PWM 信號，調(diào)節(jié)直流電機(jī)驅(qū)動器的功率輸出。MPPT 算法通過周期性改變負(fù)載的大小來改變太陽電池的輸出功率，并通過觀察和比較負(fù)載變動前后輸出功率的大小來決定下一步負(fù)載變動的方向。該控制模塊及 MPPT 算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)為提高光伏電池組的使用效率10%～30%。

5.3???? 直流電機(jī)驅(qū)動器

直流電壓經(jīng)由換流器轉(zhuǎn)成3相電壓驅(qū)動電機(jī)。換流器由6個功率器件分為上臂 / 下臂連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂破魈峁㏄WM信號決定功率晶體管開關(guān)開啟狀態(tài)以及換流器換相時間。為使電機(jī)在負(fù)載變動時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，通過測量電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器的反饋信號或測量無霍爾傳感器電機(jī)的反向電動勢，以實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。直流電機(jī)驅(qū)動器功率輸出可調(diào)范圍0～600W。

6結(jié)語

光伏水泵控制系統(tǒng)包括 DC/DC 轉(zhuǎn)換、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和直流電機(jī)驅(qū)動器等三部分：獨(dú)立的寬冗余 DC/DC 為直流電機(jī)提供穩(wěn)定輸入，控制及數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)光伏電池的當(dāng)前特性追蹤最大功率點(diǎn)，通過調(diào)整直流電機(jī)驅(qū)動器的輸出，使光伏水泵系統(tǒng)工作在最大功率輸出點(diǎn)。

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