0 引言
我國西部偏遠(yuǎn)地區(qū)仍有上百萬農(nóng)牧民無電力供應(yīng),，而且該地區(qū)氣候干旱，土地荒漠化,，草原退化情況越來越嚴(yán)重,，采用光伏水泵系統(tǒng)合理地開發(fā)地下水資源，對于解決該地區(qū)的飲水和農(nóng)業(yè)用水問題,，改善生態(tài)環(huán)境,，具有重要意義。而光伏水泵技術(shù)的核心是專用變頻器的設(shè)計(jì),，如何設(shè)計(jì)和太陽電池陣列相匹配,，具備太陽電池最大功率點(diǎn)跟蹤及光伏水泵系統(tǒng)特有的各種保護(hù)功能的變頻器，是本文重點(diǎn),。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
由圖1可知,，系統(tǒng)利用太陽電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能。經(jīng)過DC／DC升壓,，和具有TMPPT功能的變頻器后輸出三相交流電壓驅(qū)動交流異步電機(jī)和水泵負(fù)載,，完成向水塔儲水功能。其中主要包括4部分：太陽電池陣列,；具有TMPPT功能的變頻器,；水泵負(fù)載；儲水裝置,。
1．2 變頻器主電路及硬件構(gòu)成
本系統(tǒng)所采用的主電路及硬件控制框圖如圖2所示,。主電路DC／DC部分采用性能優(yōu)越的推挽正激式電路進(jìn)行升壓,；DC／AC部分采用三相橋式逆變電路。主功率器件采用ASIPM(一體化智能功率模塊)PS12036,，系統(tǒng)控制核心由16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010構(gòu)成,。外圍控制電路包括陣列母線電壓檢測和水位打干檢測電路。系統(tǒng)首先通過初始設(shè)置的工作方式和PI參數(shù)工作,，然后由MPPT子程序?qū)崟r(shí)搜索出的電壓值作為內(nèi)環(huán)CVT的給定,，通過PI調(diào)節(jié)得到工作頻率值，計(jì)算出PWM信號的占空比,，實(shí)現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率跟蹤(TMPPT),，并保持異步電機(jī)的V／f比為恒值。系統(tǒng)將MPPT和逆變器相結(jié)合,，利用ASIPM模塊自帶的故障檢測功能進(jìn)行檢測和保護(hù),，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便,。
1．2．1．1主電路選擇
對于中小功率的光伏水泵來說,，光伏陣列電壓大都是低壓(24v、36v,、48V)，對于升壓主電路的選擇,，人們一般選擇推挽電路,，因?yàn)橥仆祀娐纷儔浩髟吂ぷ麟妷壕褪侵绷鱾?cè)輸入電壓，同時(shí)驅(qū)動不需隔離,，因此比較適合輸入電壓較低的場合,。但是偏磁問題是制約其應(yīng)用的一大不利因素，功率管的參數(shù)差異和變壓器的繞制工藝都有可能使推挽電路工作在一種不穩(wěn)定狀態(tài),?；谥T多因素的考慮，本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路,，此電路拓?fù)洳粌H克服了偏磁問題,，而且閉環(huán)控制也比較容易(二階系統(tǒng))。
1．2.l.2推挽正激電路簡單分析
推挽正激電路如圖2所示,，由功率管S1及S2,，電容C8和變壓器T組成，變壓器T原邊繞組N1及N2具有相同的匝數(shù),，同名端如圖2所示,。當(dāng)S1及S2同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候，電容C8兩端電壓下正上負(fù),，且等于陣列電壓,，當(dāng)S1開通,，S1、N2和光伏陣列構(gòu)成回路,，N2上正下負(fù),，同時(shí)C8、N1和S1構(gòu)成回路,，C8放電,，N1下正上負(fù)，此時(shí)的工作相當(dāng)于兩個(gè)正激變換器的并聯(lián),。同理,，當(dāng)S2開通S1關(guān)斷時(shí)，也相當(dāng)于兩個(gè)正激變換器的并聯(lián),。經(jīng)過理論分析,，推挽正激電路是一個(gè)二階系統(tǒng)，因此閉環(huán)控制簡單,，同時(shí)輸出濾波電感和電容大大減小,。
1.2.2 dsPIC30F2010簡單介紹
Microchip公司通過在16位單片機(jī)內(nèi)巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F數(shù)字信號控制器(DSC)同時(shí)具有單片機(jī)(MCU)的控制功能以及數(shù)字信號處理器(DSP)的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力,。因?yàn)樗哂械腄SP功能,，同時(shí)具有單片機(jī)的體積和價(jià)格，所以本系統(tǒng)采用此芯片作為控制器,。此芯片主要適用于電機(jī)控制,，如直流無刷電機(jī)、單相和三相感應(yīng)電機(jī)及開關(guān)磁阻電機(jī),；同時(shí)也適用于不間斷電源(UPS),、逆變器、開關(guān)電源和功率因數(shù)校正等,。dsPIC30F2010管腳示意如圖3所示,。
1．2.2．1 主要結(jié)構(gòu)
12KB程序存儲器；
512字節(jié)SRAM：
1024字節(jié)EEPROM,；
3個(gè)16位定時(shí)器,；
4個(gè)輸入捕捉通道；
2個(gè)輸出比較／標(biāo)準(zhǔn)PWM通道,；
6個(gè)電機(jī)控制PWM通道,；
6個(gè)10位500kspsSA／D轉(zhuǎn)換器通道。
l 2．2．2 主要特點(diǎn)
A／D采樣速度快且多通道可以同時(shí)采樣,；
6個(gè)獨(dú)立／互補(bǔ)／中心對齊／邊沿對齊的PWM：
2個(gè)可編程的死區(qū),；
在噪聲環(huán)境下5V電源可正常工作；
最低工作電壓3V,；
A／D采樣和PWM同期同步,。
2 光伏水泵最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)設(shè)計(jì)
2．1 常規(guī)恒定電壓跟蹤(CVT)方式的特點(diǎn)與不足
CVT方式可以近似獲得太陽電池的最大功率輸出,，軟件上處理比較簡單。但實(shí)際上日照強(qiáng)度和溫度是時(shí)刻變化的,，尤其是在西部地區(qū),，同一天中的不同時(shí)段，溫度和日照強(qiáng)度變化都相當(dāng)大,，這些都會引起太陽電池陣列最大功率點(diǎn)電壓的偏移,，其中尤以溫度的變化影響最大。在這種情況下,，采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大點(diǎn),。
2．2 TMPPT的原理與實(shí)現(xiàn)
為克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念,，其意思是“真正的最大功率跟蹤”控制,，即保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下，始終使太陽電池工作在最大功率點(diǎn)處,。由于逆變器采用恒V／f控制,，故水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其輸入電壓成正比，因此,，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓,，就等于調(diào)節(jié)了負(fù)載電機(jī)的輸出功率。故本系統(tǒng)采用TMPPT方式使太陽電池盡可能工作在最大功率點(diǎn)處,，為負(fù)載提供最大的能量,。
由太陽電池陣列的特性曲線(見圖4)可知，
在最大功率點(diǎn)處,，dP／dv=O，在最大功率點(diǎn)的左側(cè),，當(dāng)dP／dV>O時(shí),，P呈增加趨勢，dP／dV
圖5為TMPPT型最大功率點(diǎn)跟蹤控制框圖。系統(tǒng)的輸入指令值為0,，反饋值為dP／dV,，假定Z3狀態(tài)為+1,，則Usp*指令電壓增加，經(jīng)CVT環(huán)節(jié)調(diào)整,，系統(tǒng)的輸出電壓V跟蹤Usp*增加,，采樣輸出電流I，經(jīng)功率運(yùn)算環(huán)節(jié)和功率微分環(huán)節(jié),，獲得dP／dV值,，如dP／dV>0，則Z1為+1,，Z2為+1,，Z3為+l，Usp*指令電壓繼續(xù)增加,。如dP／dV
3 系統(tǒng)的保護(hù)功能設(shè)計(jì)
1)過流和短路保護(hù)功能 由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻,，所以通過檢測母線電流可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)檢測電流值超過給定值時(shí),，被認(rèn)為過流或短路,，此時(shí)下橋臂IGBT門電路被關(guān)斷，同時(shí)輸出故障信號,，dsPIC檢測到此信號時(shí)封鎖PWM脈沖進(jìn)一步保護(hù)后級電路,。
2)欠壓保護(hù)功能 ASIPM檢測下橋臂的控制電源電壓，如果電源電壓連續(xù)低于給定電壓1OMs,，則下橋臂各相IGBT均被關(guān)斷,，同時(shí)輸出故障信號，在故障期間,，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來信號,。
3)過熱保護(hù)功能 ASIPM內(nèi)置檢測基板溫度的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值被直接輸出,，dsPIC通過檢測其阻值可以完成過熱保護(hù)功能,。
以上保護(hù)是利用了ASIPM自身帶有的功能，無須外加電路,，進(jìn)一步簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)除了具有上述保護(hù)功能外,，還具有光伏水泵系統(tǒng)特有的低頻,、日照低、打干(自動和手動打干)等保護(hù)功能,。對于泵類負(fù)載,，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于下限值時(shí)，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為損耗,，長期低速運(yùn)行,，會引起發(fā)熱并影響水泵使用壽命,，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了低頻保護(hù),，對水泵來說,，當(dāng)液面低于水泵進(jìn)水口時(shí)，水泵處于空載狀態(tài),，若不采取措施,，長時(shí)間運(yùn)行則會損壞潤滑軸承，而本系統(tǒng)為戶外無人值守工作方式,，故系統(tǒng)為了增加檢測可靠性,，采用了自動打干和手動打干兩種識別方式，其中,，自動打干是根據(jù)系統(tǒng)輸出功率和電機(jī)工作頻率來進(jìn)行判別,；手動打干則是通過水位傳感器識別當(dāng)前水位高低來實(shí)現(xiàn)的。由于低頻,、日照低,、打干等功能都是由軟件來完成，不須增加硬件電路,，故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,。
4 結(jié)語
本系統(tǒng)DC／DC環(huán)節(jié)采用的推挽正激式電路，在性能,、經(jīng)濟(jì)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，非常適用于光伏水泵系統(tǒng)。DC／AC環(huán)節(jié)采用最新的ASIPM模塊大大簡化了電路,，提高了系統(tǒng)的可靠性,。控制策略上采用TMPPT最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法,，提高了系統(tǒng)效率,、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)本系統(tǒng)還采用了數(shù)字信號控制器(DSC)dsPIC30F2010對于提高系統(tǒng)運(yùn)行速度,，改善系統(tǒng)性能起著重要作用,。總之,，基于上述結(jié)構(gòu)的光伏水泵控制器,，無論在結(jié)構(gòu)、功能,、成本和可靠性等方面都具有明顯的優(yōu)越性和市場競爭力,。