新型風光互補水泵控制器的設計

梅 盼，雷必成

（1.浙江理工大學 機械與自動控制學院，浙江 杭州 310018；2.臺州學院 物電學院，浙江 臺州 317000）

光伏水泵系統(tǒng)是利用太陽能光伏陣列將光能轉換為電能帶動電機運轉實現(xiàn)水泵提水的設備。常見的光伏水泵系統(tǒng)通過光伏輸入的直流電壓經過升壓和逆變環(huán)節(jié)，給交流異步電機供電，帶動水泵提水。這種光伏水泵系統(tǒng)的利用大大節(jié)省了電力資源，而且有效地解決了遠距離電網未能布及地區(qū)的居民、牲畜用水，農作物灌溉困難等問題。因此光伏供水系統(tǒng)得到了廣泛的應用[1-3]。但是傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)提水效率不高，供水穩(wěn)定性差，在光照充分的時候或許能夠提供充分水源，而當無光照或者光照較弱的時候水泵不能提供充足水源甚至停止供水，使得其使用受到限制[4]。文中設計了一種新型風光互補的光伏水泵控制器。在光伏供電的基礎上加入了風力發(fā)電設備，實現(xiàn)在無光照或者光照較弱的情況下，通過風機互補供電維持系統(tǒng)的正常運行?？刂破髟贒C/DC部分加入了最大功率點跟蹤（MPPT），采用雙環(huán)控制策略實現(xiàn)輸出電流控制，電路輸出直接采用直流電機帶動水泵提水，無需逆變環(huán)節(jié)。上位機通過GPRS無線通訊模塊遠程實時監(jiān)測水泵的運行情況。

1 風光互補水泵控制器設計

風光互補水泵控制器的主要功能是實現(xiàn)升壓和電流控制[5]。DC/DC環(huán)節(jié)實現(xiàn)升壓的同時加入了MPPT，控制器兼有相關的欠電壓，過電流以及過溫等保護。主電路DC/DC升壓部分采用性能優(yōu)良的BOOST升壓結構，系統(tǒng)控制核心元件由單片機STM32103RB實現(xiàn)。通過采樣光伏或風機輸入的電壓，電流值，計算輸入功率，采用變步長擾動觀察法，實現(xiàn)MPPT功能。軟件控制采用雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)采用電壓環(huán)，穩(wěn)定輸出電壓在參考值。內環(huán)采用電流環(huán)，在額定輸出工作范圍內調節(jié)電流?？刂破鞑捎肎PRS模塊與上位機進行通訊，方便用戶實時了解系統(tǒng)工作情況以及采集數據。

1.1 控制器拓撲結構設計

風光互補水泵控制器的拓撲結構如圖1所示，光伏板和風機輸出直流電壓。在光照較強的時候由光伏板提供直流輸入電壓 ，在夜晚等無光照的情況下由風機互補供電。啟動時，經過D1，D2選擇高電壓導通，經電路升壓至24 V。采樣得到的B點母線電壓值與給定參考電壓值Vref比較調節(jié)得到電流參考值Iref。輸出電流采樣值Iout與Iref比較后經PI調節(jié)輸出PWM2調制信號，通過控制開關管Q2，Q3通斷，實現(xiàn)在水泵正常工作范圍內調節(jié)輸出電流，穩(wěn)定母線電壓在24 V，控制結構如圖2所示。由于系統(tǒng)中加入MPPT，所以在調節(jié)過程中A點電壓被拉低時，光伏板或者風機能夠自動實現(xiàn)互補供電，提高系統(tǒng)工作效率?？刂破髋鋫銵ED燈，實時顯示控制器工作狀態(tài)。

圖1 風光互補水泵控制器結構圖Fig.1 Structure diagram of wind-solar pump controller

圖2 控制結構框圖Fig.2 Control structure diagram

1.2 控制器軟件結構設計

控制器軟件實現(xiàn)升壓控制，MPPT以及相應的保護功能，本設計采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，電壓環(huán)實現(xiàn)DC/DC輸出電壓穩(wěn)定在設定值。當風機或光伏輸入電壓增大時，DC/DC輸出電壓增大，電機輸出電流增大。反之，當風機或光伏輸入電壓減小時，DC/DC輸出電壓減小，電機輸出電流減小。以此來達到穩(wěn)定DC/DC輸出電壓值。電流環(huán)控制輸出電流，電壓環(huán)得到的電流值與實際輸出電流反饋值比較經PI調節(jié)輸出后通過調制產生PWM波來控制MOSFET的通斷。系統(tǒng)控制結構框圖如圖2所示。

由圖 2 得出電流環(huán)傳遞函數框圖 3 所示，G1（s），G2（s），G（3）分別為PI環(huán)節(jié)傳遞函數.開關管的等效傳遞函數以及直流電機傳遞函數。

圖3 傳遞函數框圖Fig.3 The transfer function block diagram

設PI控制的傳遞函數

Ks為輸出電流控制環(huán)節(jié)增益，ts為時間常數。

直流電機傳遞函數[6]等效如下：

由圖3可推出電流控制環(huán)節(jié)開環(huán)傳遞函數

代入傳遞函數表達式推導出（4）：

二階系統(tǒng)具有良好的動態(tài)品質，能夠快速響應和精確控制簡潔高效，所以將系統(tǒng)設置成為一個二階系統(tǒng)如下，

結合仿真和實際調試經驗，找到最佳的控制系數能夠快速準確地實現(xiàn)輸出電流在水泵正常工作范圍內調節(jié)。

2 最大功率點跟蹤（MPPT）

在光伏系統(tǒng)中，太陽能電池由于云層、灰塵的遮擋，以及光照強度的變化等都將會導致太陽能光板停止或減弱光伏轉換，從而導致光電轉換的效率變低。光伏電池在考慮溫度和輻射強度變化的情況下光伏輸出電流電壓I-V關系式為：

Ipv——光伏輸出電流

Iph——光生電流源與光伏板的面積入射光的光照強度以及環(huán)境溫度有關

Upv——光伏輸出電壓。Cd——結電容I0——反向飽和電流（A）

q——電子電量，q=1.6e-19CR5——太陽能電池的串聯(lián)電阻

Rp——并聯(lián)電阻K——玻爾茲曼常數，K=1.38e-23（J/K）T——絕對溫度

根據公式可得到電流電壓曲線，從而計算得到太陽能光伏板輸出功率與電壓（P-V）曲線如圖4所示，圖中Pm為最大功率點功率值，Um為最大功率點電壓，Uoc為開路電壓。實現(xiàn)光伏板MPPT的算法有固定功率法，電導增量法，擾動觀察法等[7]。

圖4 P-V特性曲線Fig.4 P-V characteristic curve

圖5 Cp-λ關系曲線Fig.5 Cp-λrelation curve

風力發(fā)電系統(tǒng)中風能具有不穩(wěn)定性和隨機性特點，所以風能的獲取和利用不僅與風機的機械特性有關，控制算法起著至關重要的作用。一種好的控制方法可以使風機的轉速迅速跟蹤風速的變化，從而保證風機保持在最佳葉尖速比上運行，這樣可以實現(xiàn)能量最大化利用。風力發(fā)電機在風速小于額定風速時的產生機械功率公式為：

ρ——為空氣密度S——風力機槳葉掃掠面積

Cp——風能轉換系數又稱功率系數，是一個與葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角β有關的函數。

ω——風輪旋轉的機械角速度。R——葉片半徑。

由式（12）可以看出風機輸出功率與Cp與v3和成正比關系。在固定槳葉節(jié)距角β的情況下，Cp與λ的關系曲線如圖5所示。λopt為最佳葉尖速比，在最大葉尖速比時Cp達到最大值CPmax。由于風的隨機性導致風機不能時刻運行在最大葉尖速比，所以通過控制算法可實現(xiàn)Cp接近Cpmax運行，從而實現(xiàn)風機效率最大化。風機最大功率點方法有諸如最優(yōu)葉尖速比法，功率信號反饋法，爬山搜索法，擾動法等[8]。

對比發(fā)現(xiàn)擾動觀察法既能夠實現(xiàn)光伏最大功率點跟蹤同時又適用于風力發(fā)電系統(tǒng)，為了程序編寫的方便，本文采用占空比擾動觀察法實現(xiàn)系統(tǒng)的MPPT。

擾動觀察法的原理是先給輸出電壓一個擾動ΔU，得到輸出電壓為U+ΔU，在測量其功率變化，若果功率增加，則繼續(xù)向同一方向按ΔU的擾動量進行擾動。若擾動后的功率值小于擾動前的功率值，則往相反的方向以-ΔU擾動。通過不斷的擾動是輸出功率趨于最大。然而若擾動量ΔU取值較大，雖然保證了系統(tǒng)跟蹤的快速性，但會導致系統(tǒng)在最大功率點附近形成一定幅度的振蕩，導致功率的損失。若擾動量ΔU取值較小，雖然減小了振蕩的幅度，卻增加了系統(tǒng)尋找最大功率點的時間。因此，定步長的擾動觀測法存在MPPT精度和跟蹤速度之間的矛盾。

本風光互補水泵控制器采用了變步長的擾動法，將步長設為與dP/dU為正比的值，在數字電路中，因為系統(tǒng)中MPPT控制是通過改變開關占空比來實現(xiàn)，因此可得到理想值。其中dir=±1為步長變化方向。當工作點離最大功率點距離較大時，電壓以較大步長變化，確保了MPPT的快速性。當工作點越來越靠近最大功率點時，步長自動逐步變小，從而抑制了最大功率點附近的振蕩。軟件流程圖如圖6所示，圖中Uk和Ik分別代表輸入電壓，電流值。

3 上位機監(jiān)測軟件設計

為了實現(xiàn)風光互補水泵系統(tǒng)控制器的運程監(jiān)測與控制，光互補水泵系統(tǒng)設計了一套風光互補供水控制的監(jiān)控系統(tǒng)。

上位機實現(xiàn)數據采集，處理并歸檔。技術人員可以實現(xiàn)遠距離監(jiān)控系統(tǒng)的運作情況，并且能夠控制水泵的運行與停止，實現(xiàn)遠程操作。調度中心上位機采用C++語言編程，通過GPRS模塊[9]，建立無線網絡進行通訊，與遠程水泵控制器數據采集終端控制站之間進行雙向數據傳輸。用戶界面采用MFC下的Duilib開發(fā)工具進行開發(fā)，上位機界面顯示水泵的當前電壓，電流，功率，流量值以及相關的水泵運作情況，截取實驗過程中顯示界面圖如圖7所示。

圖6 擾動觀察法流程圖Fig.6 The flow chart of disturbance observation

圖7 上位機界面Fig.7 PCinterface

4 實驗分析

實驗中用到的直流電機額定電壓為24 V，功率120 W，最大揚程11 m，光伏板最大電壓18 V，最大功率200 W。風機最大功率220 W，額定風速11.5 m/s，額定電壓24 V，流量計最大流量60 L/min。控制器母線電壓24 V，額定工作電流4～7 A，短路電流20 A。實驗利用流量計在不同光照強度和風速的時候測試水泵抽水量情況，選取兩塊同樣控制器一塊開啟MPPT功能，另一塊關閉MPPT，在同樣實驗環(huán)境下測試流量。實驗選取幾個時段測試，不同時段光照強度和風速下測得的流量情況如下表1所示。0表示光照為夜晚無光照由風機工作帶動水泵提水時測得的流速數值。從表1中可以看出在無光照時能夠自動實現(xiàn)風機互補供電，保證水泵的正常高效運行，當然在無光照同時風機轉速小于4 m/s時，水泵控制器將自動停止工作。水泵加入了最大功率點跟蹤保證光伏及風機工作在最大功率點運行從而實現(xiàn)效率的最大化.實驗中控制器及電機實物圖如圖8所示。

5 結束語

文中通過對軟硬件結構以及風光能源特性分析表明該風光互補水泵控制器設計具有一定的工程實用意義和參考價值。實驗結果證明，該風光互補水泵控制器不僅能夠實現(xiàn)風光互補功能，并且通過MPPT算法的加入，大大提高了光伏以及風能利用率，有效的解決的傳統(tǒng)光伏水泵不能穩(wěn)定持續(xù)供水的問題，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

表1 光照強度和風速與流量關系Tab.1 The flow relationship with light intensive and wind velocity

圖8 控制器及電機實物圖Fig.8 The physical diagram of controller and motor

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