張永明／李 麗／史 潔／丁 寶／趙 亮（.同濟(jì)大學(xué)，上海0804；.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱5000）

基于單級式的光伏水泵控制系統(tǒng)研究

張永明1／李 麗1／史 潔1／丁 寶2／趙 亮2（1.同濟(jì)大學(xué)，上海201804；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001）

0 引言

可再生能源技術(shù)是全球低碳能源供應(yīng)的重要支柱，到2040年，可再生能源發(fā)電量將占全球新增發(fā)電量的近一半［1］。但可再生能源存在能量密度低、間歇性、分布分散等特點使其很難適應(yīng)傳統(tǒng)能源網(wǎng)絡(luò)集中統(tǒng)一的體制。因此，對可再生能源實行“就地收集、就地存儲、就地使用”的原則將成為有效利用可再生能源的重要途徑。

光伏水泵系統(tǒng)就是在這種背景下形成的，其利用太陽能進(jìn)行水抽取，具有運行獨立化和安裝靈活化的特點［2］，在工作過程中，太陽能光伏發(fā)電將直接驅(qū)動電機(jī)從深井、湖泊、江河等泵水，利用水資源勢能進(jìn)行蓄能，無需配置價格高昂的蓄電設(shè)備，避免了光伏發(fā)電中電能不穩(wěn)定、不連續(xù)的缺點［3?4］。

光伏水泵系統(tǒng)可以用于農(nóng)業(yè)灌溉工程中調(diào)水項目的輸水泵、牧區(qū)人畜用水的儲水系統(tǒng)、干旱地區(qū)的地下水抽取系統(tǒng)等［3?4］。灌溉時間與太陽時間同步，即與農(nóng)作物的水需求周期一致，系統(tǒng)可無人值守且便于維護(hù)。在城市中也可以用于公共綠地、人工湖、公園噴泉等處的供水和水循環(huán)。

鑒于上述優(yōu)點，光伏水泵在印度、非洲、中東等國家和地區(qū)獲得重點關(guān)注，并逐步成為水資源開發(fā)利用的重要設(shè)備［2］。同樣，對于我國西部廣大地區(qū)，水資源相對稀缺，但地廣人稀，又有充足的太陽能資源和充分的應(yīng)用空間，可以預(yù)見，光伏水泵會有很廣闊的應(yīng)用前景。

針對光伏水泵系統(tǒng)的光伏變頻器控制已經(jīng)有較多的研究，主要分為兩個方面：光伏陣列的最大功率點跟蹤技術(shù)［5?7］和電機(jī)的控制技術(shù)［8?9］。這兩個方面逐漸形成了獨立的兩級控制技術(shù)體系，第一級采用直流斬波電路環(huán)節(jié)進(jìn)行光伏側(cè)功率輸出控制，第二級為變頻器對電機(jī)的驅(qū)動。但是現(xiàn)有光伏水泵控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，制約了其推廣應(yīng)用。

針對傳統(tǒng)光伏水泵的雙級控制系統(tǒng)，本文給出了一種簡化的單級式光伏水泵控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。在傳統(tǒng)光伏變頻器直流環(huán)節(jié)上將兩級簡化為一級，即該變頻器在結(jié)構(gòu)上取消了傳統(tǒng)光伏水泵變頻器中的直流變換環(huán)節(jié)，簡化系統(tǒng)中采用頻率為控制量進(jìn)行系統(tǒng)工作狀態(tài)的調(diào)整，且通過變頻器控制能量即時轉(zhuǎn)換為抽水獲得的勢能。

1 光伏水泵系統(tǒng)組成及其兩級控制系統(tǒng)

根據(jù)功能模塊劃分，光伏水泵系統(tǒng)主要由太陽能光伏陣列、變頻控制器、負(fù)載感應(yīng)電機(jī)、抽水水泵四部分組成［8?9］，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）太陽能光伏陣列

太陽能發(fā)電主要是利用了光生伏打效應(yīng)，采用由半導(dǎo)體材料加工而成的光電板，其光電轉(zhuǎn)換主要是利用不同摻雜形成的PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。為滿足一定的功率級別，常將多組光電板串聯(lián)，并進(jìn)行一定規(guī)則的布置，形成光伏陣列，構(gòu)成一定標(biāo)準(zhǔn)的單元模組，便于工程應(yīng)用。

（2）電機(jī)

由于光伏水泵一般應(yīng)用于無人值守的地區(qū)，基于對系統(tǒng)成本和壽命的考慮，驅(qū)動水泵的電機(jī)一般選用三相交流感應(yīng)電機(jī)。

一方面，由于感應(yīng)電機(jī)是一個較為復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，需要進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換使電機(jī)的控制更加靈活；另一方面，在光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用中，由于光伏陣列輸出功率往往不足以驅(qū)動水泵電機(jī)，因此，光伏水泵系統(tǒng)需要對能量的變化具有一定適應(yīng)性，而這就對光伏變頻器提出了更高的要求。

（3）水泵

水泵可以通過機(jī)械傳動從驅(qū)動電機(jī)獲得能量，但需要保證一定轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定條件，其泵送能力與系統(tǒng)頻率呈三次方關(guān)系。

（4）光伏變頻器

由于太陽能光伏發(fā)電表現(xiàn)出的電源效應(yīng)具有一定的非線性規(guī)律，其既不是恒壓源，也不是恒流源，即太陽能光伏發(fā)電是非線性的直流電源，其輸出功率既受光輻射強(qiáng)度影響，又與負(fù)載情況有關(guān)。因此，需要對負(fù)載關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，以使太陽能光伏發(fā)電能夠以最大功率輸出（即最大功率點跟蹤的過程）。同樣，光伏水泵光伏變頻器也需要考慮最大功率點跟蹤問題。

光伏變頻器是光伏水泵運行的核心控制系統(tǒng)，最大功率點跟蹤功能和電機(jī)驅(qū)動都由此部分完成，因此這也就對應(yīng)了兩級控制結(jié)構(gòu)，一般實現(xiàn)過程如圖1中的虛線框內(nèi)所示。

第一級通過直流斬波的過程完成光負(fù)載的特性轉(zhuǎn)換；第二級通過逆變控制完成電機(jī)驅(qū)動，以規(guī)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行穩(wěn)定輸出，進(jìn)一步驅(qū)動水泵。

上述的兩級系統(tǒng)主要是指兩部分功能的分別獨立實現(xiàn)，也可以將系統(tǒng)的頻率作為前后統(tǒng)一的控制量進(jìn)行調(diào)整來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能［10］。

2 單級式光伏水泵控制系統(tǒng)的提出

本文對傳統(tǒng)的光伏水泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的簡化，用單級的能量結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的兩級能量結(jié)構(gòu)，從而降低控制器的成本。基于單級式控制的光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于單級式控制的光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)泵類負(fù)載性質(zhì)，其能量與系統(tǒng)頻率呈三次方關(guān)系，以及光伏側(cè)通過緩沖電容的能量輸入和輸出過程，提出了以頻率代替?zhèn)鹘y(tǒng)的占空比作為系統(tǒng)整體的控制量，并在驅(qū)動部分通過幅值調(diào)制比進(jìn)行能量的調(diào)整，以使整個系統(tǒng)從控制原理出發(fā)獲得結(jié)構(gòu)上的簡化。該簡化系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加簡單，控制系統(tǒng)復(fù)雜性降低，便于光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)推廣應(yīng)用。

3 單級式光伏水泵控制系統(tǒng)的研究

3.1 單級式光伏水泵控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

單級式光伏水泵及其控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)的逆變變頻控制器包括檢測采樣、直流緩沖、輔助電源、主控電路、三相橋五部分。其中直流緩沖部分的容量是系統(tǒng)設(shè)計的核心，主要通過其能量的過渡完成系統(tǒng)控制的過程。輔助電源從光伏側(cè)電路取電為控制電路和檢測電流等提供能量。

圖3 單級式光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 單級式光伏水泵系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)軟件狀態(tài)控制主要由光伏水泵主體功能控制系統(tǒng)（即將檢測部分獲得信號處理為三相橋的驅(qū)動控制信號的軟件部分）以及控制數(shù)據(jù)處理和外界顯示操控的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成，詳見圖4。

圖4 單級式光伏水泵軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 基于頻率控制的單級式光伏水泵控制算法

對單級式光伏水泵系統(tǒng)，其控制過程采用復(fù)合控制方法，用對頻率的控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泵系統(tǒng)中對占空比的控制，并檢測系統(tǒng)的光伏側(cè)電流、電壓以及電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)速和水泵側(cè)水況，從而進(jìn)行系統(tǒng)的運行和調(diào)整。由系統(tǒng)監(jiān)測條件給定輸入控制頻率的狀態(tài)（可以是針對監(jiān)測系統(tǒng)的初始狀態(tài)的模糊控制方法，也可是監(jiān)測環(huán)境變化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法），再對控制頻率施加小范圍的擾動，對比擾動前后功率的變化給出進(jìn)一步頻率進(jìn)行擾動的方向。

因此，可以得到如圖5所示的單級式光伏水泵復(fù)合控制系統(tǒng)，其中，復(fù)合控制算法流程如圖6所示，頻率擾動細(xì)化流程如圖7所示。

圖5 單級式光伏水泵控制系統(tǒng)

圖6 頻率控制算法流程圖

此外，在水泵電機(jī)驅(qū)動控制側(cè)，根據(jù)泵和風(fēng)機(jī)類負(fù)載特有的能量性質(zhì)，在開關(guān)驅(qū)動信號上可通過調(diào)整幅值調(diào)制比來控制電壓頻率。在控制頻率與交流電壓值的關(guān)系時，可以將壓頻比調(diào)整為1～2的區(qū)間內(nèi)，以配合泵負(fù)載的功率情況。

圖7 頻率掃描擾動觀察法控制流程圖

4 結(jié)束語

本文將傳統(tǒng)光伏變頻器直流環(huán)節(jié)上的兩級簡化為一級，即在結(jié)構(gòu)上取消了傳統(tǒng)光伏水泵變頻器中的直流變換環(huán)節(jié)，提出了一種簡化的單級式光伏水泵控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，給出了單級式光伏水泵控制系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)的構(gòu)成和基于頻率控制的單級式光伏水泵控制算法，采用頻率為控制量代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泵系統(tǒng)中對占空比的控制，為光伏水泵專用變頻器的開發(fā)提供了技術(shù)支持。

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Single Stage Control Strategy for Photovoltaic Water Pump System

Zhang Yongming／Li Li／Shi Jie／Ding Bao／Zhao Liang

針對傳統(tǒng)光伏水泵控制系統(tǒng)的兩級結(jié)構(gòu)，提出了一種簡化的單級式光伏水泵控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，簡化了傳統(tǒng)光伏變頻器直流變換環(huán)節(jié)，給出了單級式光伏水泵控制系統(tǒng)軟、硬件的構(gòu)成與單級式光伏水泵控制算法，為光伏水泵專用變頻器開發(fā)提供了技術(shù)支持。

太陽能光伏 光伏水泵系統(tǒng) 光伏變頻器 控制算法

According to the two?level structure control system of the traditional photovol?taic water pump，a simplified single?stage photovoltaic water pump control system and its realization method were proposed，in which the traditional photovoltaic inverter DC link system is simplified the two level system.Then the single?stage photovoltaic water pump control system software and hardware system were present，as well as the control algo?rithm.Technical support can be provided for the development of photovoltaic pump special inverter.

photovoltaic，photovoltaicpumpingsystem，photovoltaicinverter，control algorithm