本文介紹了一種以三科太陽能光伏水泵變頻器為主實現(xiàn)拖動光伏水泵完成CVT（恒定電壓跟蹤）式MPPT(最大功率點跟蹤)控制的方案，經(jīng)多次在實踐收集中所收集的運行數(shù)據(jù)來看，該系統(tǒng)在控制效率方面有不錯好效果。
一、引言：
整個光伏水泵系統(tǒng)的運行原理，是通過太陽能半導(dǎo)體電池來將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，而后在驅(qū)動各類電機(jī)聯(lián)動水泵從深井、江、河、湖、塘等水源處抽取水。而在部分中小功率的光伏水泵系統(tǒng)中，則會采用較多的直流無刷電機(jī)來驅(qū)動水泵，但在一些較大功率的光伏水泵系統(tǒng)中亦不乏采用交流異步電機(jī)作為驅(qū)動。而在以交流異步電機(jī)作為驅(qū)動為主的場合中，通常會采用光伏水泵專用變頻控制器展開控制措施。而光伏水泵專用型變頻器進(jìn)行控制時也是有一定限制的:例如該設(shè)備的適用范圍比較窄、并不是一種成型產(chǎn)品，在制造工藝上無法保證穩(wěn)定、而且當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時可能會造成維修困難等難題。以上種種都限制了光伏水泵的推廣與應(yīng)用。因此杭州三科設(shè)計生產(chǎn)了一種專門用于光伏水泵的SKI650型太陽能光伏水泵變頻器。
二、構(gòu)成光伏水泵系統(tǒng)的組合：
光伏水泵系統(tǒng)通常由太陽能光伏陣列(以下簡稱光伏陣列)、水泵變頻控制器和機(jī)泵組成, 其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 光伏水泵系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖
與我們常見的以交流市電作為電源水泵系統(tǒng)不同的是, 光伏水泵系統(tǒng)是以太陽能光伏陣列輸出的直流電作為系統(tǒng)的電源供給。太陽能光伏陣列的輸出是一種強(qiáng)烈非線性的直流電源, 受日照、環(huán)境溫度等氣象條件影響很大。要想光伏水泵系統(tǒng)在任何日照、環(huán)境溫度等條件下都能發(fā)揮當(dāng)前光伏陣列輸出功率的最大潛力, 就需要一個能使電源和負(fù)載之間達(dá)到和諧、高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)的控制器。圖1中的變頻器即是實現(xiàn)該功能的, 主要是實現(xiàn)MPPT(最大功率點跟蹤)、逆變和一些保護(hù)功能。機(jī)泵為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu), 包括驅(qū)動電機(jī)和水泵, 通過調(diào)節(jié)機(jī)泵的轉(zhuǎn)速即可調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載的大小。
三、系統(tǒng)運行的原理：
太陽能光伏陣列是一種非線性的直流電源，它既非恒流源，也非恒壓源，也不能為負(fù)載提供任意大的功率。但在日照一定的前提下，光伏陣列有一個最大輸出功率點，如果系統(tǒng)工作時光伏陣列輸出功率為該點對應(yīng)的功率值，則系統(tǒng)此時工作在最佳狀態(tài)。圖2給出了不同日照強(qiáng)度S下太陽能光伏陣列的I-V曲線。
圖2中:S為日照強(qiáng)度，單位為W/m2。A、B、C、D、E為對應(yīng)的日照強(qiáng)度下光伏陣列的最大輸出功率點。
圖2 CVT式MPPT原理示意圖
在CVT式的MPPT中，工程上可以近似認(rèn)為不同日照強(qiáng)度下的最大輸出功率點(如圖2中的A、B、C、D、E點)逼近一條直線U=U*=const。也就是說只要光伏水泵系統(tǒng)運行過程中光伏陣列一直保持其輸出電壓為U*=const，就可以保證光伏陣列一直具有在當(dāng)前日照下的最大功率輸出。
采用變頻器拖動光伏水泵以實現(xiàn)CVT式MPPT控制實際上是運用反饋控制原理，在不同的日照強(qiáng)度下，通過改變變頻器的輸出頻率來調(diào)整電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速(即負(fù)載大小)，從而達(dá)到穩(wěn)定光伏陣列輸出電壓的目的。其控制原理如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)控制原理框圖
圖3中:U*為PI調(diào)節(jié)器的給定值，亦為CVT給定指令電壓; Udc為光伏陣列實際輸出電壓，亦為變頻器的直流側(cè)電壓; Fset為變頻器頻率給定值; Idc為光伏陣列的輸出電流，亦為變頻器的直流側(cè)電流。
圖3中PI調(diào)節(jié)器根據(jù)給定誤差輸出變頻器的頻率給定信號，從而改變水泵驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，如此也即改變了系統(tǒng)的負(fù)載大小。Fset越大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)負(fù)載越大;反之，F(xiàn)set越小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速越低，系統(tǒng)負(fù)載越小。而系統(tǒng)負(fù)載的大小直接影響到變頻器的直流側(cè)電流即Idc的大小。負(fù)載越大，Idc越大;負(fù)載越小，Idc越小。這樣就構(gòu)成如下所述的系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程:
當(dāng)檢測到的光伏陣列輸出電壓Udc大于指令電壓U*時，變頻器的頻率給定Fset上升，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速N也上升，負(fù)載增加，光伏陣列的輸出電流Idc增加，光伏陣列輸出電壓Udc下降直到穩(wěn)定在工作點U*; 當(dāng)光伏陣列輸出電壓Udc小于指令U*時，變頻器的頻率給定Fset下降，機(jī)泵的轉(zhuǎn)速N也下降，負(fù)載減小，光伏陣列的輸出電流Idc減小，光伏陣列輸出電壓Udc增加直到穩(wěn)定在工作點U*。
四、實際系統(tǒng)設(shè)計
該水泵系統(tǒng)實際由一臺杭州三科生產(chǎn)的7.5kW太陽能光伏水泵變頻器、太陽能光伏陣列(開路電壓約700V，功率8kW)、一臺5.5kW水泵(驅(qū)動電機(jī)為三相異步電動機(jī))、水位檢測單元和控制板組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
在光伏水泵系統(tǒng)中，我們只能運用太陽能光伏陣列作為整個系統(tǒng)的電源供給。整個三科SKI650光伏水泵變頻器是由直流電源進(jìn)行直接供能的，并且該型號變頻器能向外提供+24V(最大100mA)的直流控制電源，這就使得直接利用太陽能光伏陣列供電成為可能。另外，該變頻器能提供2路模擬量輸入和2路模擬量輸出以及內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)功能，這極大的方便了系統(tǒng)的設(shè)計。
太陽能光伏陣列輸出電壓采樣是利用變頻器內(nèi)部的AD采樣功能來實現(xiàn)的，該信號參與變頻器的內(nèi)部PI調(diào)節(jié)以實現(xiàn)CVT式MPPT控制;同時此信號被送入控制板，參與起停電壓控制。CVT控制方式的一個特點是在不同的時間、地點可能要設(shè)置不同的CVT工作點電壓U*，因此需要設(shè)定不同的PI調(diào)節(jié)器給定值。PI調(diào)節(jié)器給定值 U*的給定幅值一般需憑借經(jīng)驗作出較為正確的預(yù)估(一般為光伏陣列開路電壓的75％)并輔以實測調(diào)整，通過變頻器的操作面板設(shè)定。系統(tǒng)工作時對直流側(cè)電壓突降很敏感，因此系統(tǒng)要有良好的快速性，否則系統(tǒng)在日照強(qiáng)度快速減弱時(如烏云突然遮擋)，電機(jī)降速不及時，光伏陣列提供的功率不夠，其輸出電壓會急劇下降而使系統(tǒng)進(jìn)入故障停機(jī)。系統(tǒng)的快速性可以通過設(shè)定PI調(diào)節(jié)的時間常數(shù)和變頻器的加減速時間來實現(xiàn)。
控制板主要是進(jìn)行變頻器的起停以及水位控制等功能。下面簡要介紹一下控制板的功能。
(1) 起?？刂?
根據(jù)試驗測定，三科SKI650變頻器在運行狀態(tài)下，若其直流側(cè)電壓(即光伏陣列的輸出電壓)低于420V，就會發(fā)出欠壓故障報警并停機(jī)，但如果是在停機(jī)狀態(tài)下直流側(cè)電壓下降到420V則不會發(fā)出欠壓故障報警。因此，必須控制變頻器停機(jī)時的光伏陣列輸出電壓高于420V欠壓點，以防止變頻器的欠壓故障。另外, 在系統(tǒng)停機(jī)時陣列輸出電壓約等于開路電壓, 系統(tǒng)啟動后, 陣列輸出電壓會下降，這可能造成如下過程:變頻器啟動后, 因陣列輸出電壓降低而造成變頻器停機(jī);變頻器停機(jī)后, 又因陣列輸出電壓上升而使變頻器重新啟動。為避免系統(tǒng)出現(xiàn)這種頻繁的起停振蕩以及變頻器發(fā)生欠壓故障報警, 系統(tǒng)設(shè)置一個如圖5所示啟停電壓滯環(huán)，在光伏陣列輸出電壓高于開機(jī)點電壓576V時，變頻器才能啟動, 只有光伏陣列輸出電壓低于停機(jī)點電壓480V時變頻器才能停機(jī), 停機(jī)后必須等陣列輸出電壓上升到開機(jī)點電壓576V后才能使變頻器再次啟動。
圖5 起停電壓控制示意圖
(2) 水位控制功能
水位檢測機(jī)構(gòu)將水井和蓄水池的水位信號通過4路開關(guān)觸點信號送入控制板, 根據(jù)不同的水位狀態(tài)控制變頻器的起停。水位的上、下限開關(guān)實際構(gòu)成滯環(huán)控制, 以避免因為水位變化而造成系統(tǒng)頻繁起停振蕩。另外, 水井水位下限開關(guān)的安裝位置應(yīng)高于水泵的進(jìn)水口以起到打干保護(hù)的功能。
5 結(jié)束語
作為太陽能光電應(yīng)用領(lǐng)域中最具特色的光伏水泵系統(tǒng)。通過上述內(nèi)容所介紹的杭州三科SKI650太陽能光伏水泵變頻器在太陽能光伏水泵系統(tǒng)方面的實際應(yīng)用案例，該系統(tǒng)的組成部分是較為簡單的，這樣可以令變頻器在調(diào)試的過程中減少難度，無需專門的采樣單元和保護(hù)單元，能夠達(dá)到全自動控制的目標(biāo)，對于部分處于邊遠(yuǎn)干旱或缺少電力供給的地區(qū)來說是一種十分理想的設(shè)備。該光伏水泵系統(tǒng)目前已于非洲干旱地區(qū)地區(qū)得到充分的應(yīng)用，據(jù)非洲客戶反饋的資料來看，該變頻器在使用中運行效率顯著，受到當(dāng)?shù)乜蛻魪V泛好評。
