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。

      變頻器主要是通過改變輸入拖動水泵的電機(jī)定子的交流電源頻率的大小來實(shí)現(xiàn)節(jié)電的一種設(shè)備，出現(xiàn)供水壓力地和斷水的情況我想應(yīng)該是在用水量較大的情況下，因?yàn)橛盟枯^小的時(shí)候可以將變頻器設(shè)定的輸出頻率降低，已達(dá)到既滿足供水要求又能節(jié)電的目的，但當(dāng)用水量加大了，而此時(shí)如果還是保持原有低頻率運(yùn)行就會出現(xiàn)水泵出水量降低，造成供水壓力不穩(wěn)和斷水的情況出現(xiàn)，但如果躲過高峰用水期可能這種情況就不會出現(xiàn)，因此我認(rèn)為在用水高峰期時(shí)可以適時(shí)提高變頻器的輸出頻率，提升電機(jī)的轉(zhuǎn)距，也就加大了電機(jī)的出力，可以提高水泵的出口壓力和出水量，來滿足用水要求。在用水量較小的時(shí)候再把變頻器的設(shè)定頻率降低一些，這樣搭配還可以節(jié)約電能。 

      設(shè)計(jì)一種基于數(shù)字信號控制器(DSC)結(jié)構(gòu)的光伏水泵系統(tǒng)。系統(tǒng)以Mimochip公司推出的dsPIC30F2010芯片為，采用一種實(shí)用的功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制方式,實(shí)現(xiàn)了太陽電池的真正的功率跟蹤(TMPPT)功能；系統(tǒng)主電路DC／DC部分采用結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路,DC／AC部分采用具有完善保護(hù)功能的一體化智能功率模塊(ASIPM)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有體積小,重量輕，運(yùn)行可靠穩(wěn)定等特點(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。

      

           1．3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)。基于諸多因素的考慮，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))。 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。 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。

     由太陽電池陣列的特性曲線(見圖4)可知， 在功率點(diǎn)處，dP／dv=O，在功率點(diǎn)的左側(cè)，當(dāng)dP／dV>O時(shí)，P呈增加趨勢，dP／dVO時(shí)，P呈減少趨勢，dP／d v0，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，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。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，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，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。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。