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)是太陽能電池應用的一個重要分支，它的巨大社會和經濟效益越來越受到廣泛關注。光伏水泵系統(tǒng)由太陽能電池陣列、功率跟蹤器、逆變器和電機水泵總成組成。若采用直流水泵電機，可省略逆變器。本文結合自身工作經驗重點針對光伏水泵系統(tǒng)的關鍵技術進行了探究。

關鍵詞：光伏水泵系統(tǒng);太陽能電池;技術

1引言

在我國，光伏水泵系統(tǒng)的應用剛起步，市場占有額及市場占有量均較低，應用面不廣，采用太陽光伏系統(tǒng)供電提水設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，中國西部邊遠地區(qū)太陽能資源豐富;另一方面，光伏提水設備無污染、無噪聲，可靠性高，維護工作量極小。而其可靠性遠超過風力提水，隨著太陽電池價格的下降，光伏提水應用前景更加廣闊。

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變成電能，通過控制裝置，驅動電機而帶動水泵進行提水。光伏水泵系統(tǒng)是集光伏技術、微機控制技術、現代控制理論以及電機、水機、電力電子應用為一體的高技術產品。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對太陽能電池的直流輸出和水泵進行合理控制，使兩者工作狀態(tài)相匹配，進而達到最優(yōu)輸出。

3光伏水泵系統(tǒng)的主要研究內容

3.1???? 最大功率點跟蹤技術

光伏水泵控制系統(tǒng)分成光伏陣列控制和水泵電機控制兩部分：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的最大功率輸出狀態(tài);水泵電機控制則根據前級輸出功率和水泵自身的特性，實時調整其輸出電壓和頻率，實現系統(tǒng)的最佳運行。

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，為下位機提供太陽能電池組的電壓、電流實時值，用以判斷最大功率點;2.下位機，根據太陽能電池組的電壓、電流實測值判斷最大功率點，并控制信號驅動器的輸出;3.主功率器件，根據下位機指令，為 DC/DC 轉換器提供驅動信號;4.DC/DC 轉換，根據信號驅動器的輸入占空比，調整負載阻抗到相應值;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 轉換器后端采出直流信號，為下位機等控制模塊供電。

擾動觀察法：通過周期性改變負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載變動前后輸出功率的大小來決定下一步負載變動的方向。這是目前使用較為普遍的一種算法，結構簡單，需要測量的參數少，但是會在功率最大點附近振蕩，造成能量損失。

3.2???? 脈寬調制技術

大功率直流電機的換向電路由驅動和控制兩部分組成。驅動電路輸出電功率，驅動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。直流電壓經由換流器轉成3相電壓驅動電機。換流器由6個功率器件分為上臂 / 下臂連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制器提供 PWM 信號決定功率晶體管開關開啟狀態(tài)以及換流器換相時間。為使電機在負載變動時轉速穩(wěn)定，同常在電機內部裝有能感應磁場強度的霍爾傳感器，提供速度閉環(huán)回路控制。也有通過測量電機反向電動勢實現速度閉環(huán)控制的無霍爾傳感器直流電機控制方式。

3.3???? 微機控制技術

下位機是整個系統(tǒng)的核心，它能夠對電壓和電流采樣數據進行運算， 判斷最大功率點，并輸出控制信號（如 PWM 信號）調節(jié)主功率器件，實現最大功率點跟蹤的功能。

電壓和電流采樣電路的精度決定了最大功率點判斷的準確性。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、主功率器件及其驅動電路等供電，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

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

4.2???? 硬件設計上采用獨立寬冗余輸入的 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負載特性的數學模型，研發(fā)出專門的控制策略，實現最大功率點的跟蹤控制。

5具體技術方案

5.1???? DC/DC 轉換

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

5.2???? 控制及數據處理模塊

通過 V/I 采樣模塊，為單片機提供光伏電池組的電壓、電流實時值，用以判斷最大功率點。單片機根據既定的MPPT 算法，控制主功率器件輸出PWM 信號，調節(jié)直流電機驅動器的功率輸出。MPPT 算法通過周期性改變負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載變動前后輸出功率的大小來決定下一步負載變動的方向。該控制模塊及 MPPT 算法的設計目標為提高光伏電池組的使用效率10%～30%。

5.3???? 直流電機驅動器

直流電壓經由換流器轉成3相電壓驅動電機。換流器由6個功率器件分為上臂 / 下臂連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制器提供PWM信號決定功率晶體管開關開啟狀態(tài)以及換流器換相時間。為使電機在負載變動時轉速穩(wěn)定，通過測量電機內部霍爾傳感器的反饋信號或測量無霍爾傳感器電機的反向電動勢，以實現速度閉環(huán)控制。直流電機驅動器功率輸出可調范圍0～600W。

6結語

光伏水泵控制系統(tǒng)包括 DC/DC 轉換、控制及數據處理模塊和直流電機驅動器等三部分：獨立的寬冗余 DC/DC 為直流電機提供穩(wěn)定輸入，控制及數據處理模塊根據光伏電池的當前特性追蹤最大功率點，通過調整直流電機驅動器的輸出，使光伏水泵系統(tǒng)工作在最大功率輸出點。

參考文獻：

[1] 吳現峰.光伏水泵系統(tǒng)研究現狀與發(fā)展趨勢[J].建筑工程技術與設計，2016（16）.

[2] 劉鵬，吳文進，蘇建徽.光伏水泵系統(tǒng)控制方案及其穩(wěn)定性對比分析 [J].太陽能學報，2016，37（9）：2401-2407.

[3] 姚松保，金記明.光伏水泵系統(tǒng)控制方案及其穩(wěn)定性對比分析[J].建筑工程技術與設計，2017（20）.