CN102823475A

CN102823475A - 太阳能农业灌溉系统

Info

Publication number: CN102823475A
Application number: CN2012103165308A
Authority: CN
Inventors: 王光月; 董伟伟
Original assignee: QINGDAO JIONGYANG PV TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: QINGDAO JIONGYANG PV TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN102823475B

Abstract

本发明揭示了一种太阳能农业灌溉系统，它包括光伏电池组件、控逆一体机和机泵负载，所述光伏电池组件通过控逆一体机与机泵负载电连接。优选的，所述机泵负载包括井用潜机泵，所述井用潜机泵与灌溉管路连通。进一步的，它还可包括通过控逆一体机与光伏电池组件和机泵负载电连接的蓄电单元。本发明既无需布置供电线路，亦无需额外耗费煤、油、电能等，节能环保，成本低廉，运行性能稳定，能源利用率高，适于在多种环境中广泛使用。

Description

太阳能农业灌溉系统

技术领域

本发明涉及一种农业灌溉系统，特别涉及一种太阳能农业灌溉系统。

背景技术

灌溉农业作为一种稳产高产的农业遍布世界各地，其主要是通过各种农用水利灌溉设施，满足农作物对水分的需要，调节土地温度、湿度和土壤空气、养分，提高土地生产能力。传统的人力、蓄力机泵负载因存在效率低下等缺陷，故而已经基本上为现代内燃驱动、电力驱动机泵负载等取代，但此类现代机泵负载在应用时仍存在诸多缺陷，比如，需要布置长程供电网络，或需要耗费大量汽油、煤油能源等，能耗大，成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能农业灌溉系统，其具有环保、节能，运行性能稳定，能源利用率高、使用范围广等优点，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种太阳能农业灌溉系统，其特征在于，它包括太阳能电池组件、控逆一体机以及机泵负载，所述太阳能电池组件通过控逆一体机与机泵负载电连接。

作为优选方案之一，所述控逆一体机包括DC-DC升压电路和与DC-DC升压电路电连接的变频器，且所述DC-DC升压电路与太阳能电池组件电连接，所述变频器与机泵负载电连接。

作为优选方案之一，所述DC-DC升压电路包括推挽正激电路、ASIPM模块以及控制单元，所述ASIPM模块分别经推挽正激电路器和隔离驱动电路与太阳能电池组件和控制单元配合。

作为优选方案之一，所述ASIPM模块还包括故障输出电路、过热保护电路、欠压保护电路、过流短路保护电路中的任意一种或两种以上的组合，且所述故障输出电路、过热保护电路、欠压保护电路、过流短路保护电路分别与控制单元连接。

作为优选方案之一，所述控制单元还与报警电路、阵列母线电压检测模块、水位打干检测模块中的至少一种连接。

作为优选方案之一，所述控制单元采用内置DSP的单片机。

作为优选方案之一，该太阳能农业灌溉系统还包括通过控逆一体机与太阳能电池组件和机泵负载电连接的蓄电单元。

作为优选方案之一，所述机泵负载包括井用潜机泵，所述井用潜机泵与灌溉管路连通。

本发明的工作原理如下：当阳光照在太阳能电池组件上，组件通过光伏效应产生电能，电能通过控逆一体机转换成机泵负载需要的电流、电压，实现农田灌溉的高效、稳定进行。

附图说明

图1是本发明一优选实施例的结构示意图；

图2是图1中所示控逆一体机的结构示意图；

图3是dsPIC30F2010芯片的引脚图；

图4是太阳能电池的特性曲线图；

图5为TMPPT型最大功率点跟踪控制原理框图。

具体实施方式

以下结合附图及一优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

参阅图1-图5，该太阳能农业灌溉系统是利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC/DC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和机泵负载，完成向农田输水功能。

进一步的，该太阳能农业灌溉系统包括太阳能电池组件1、控逆一体机2及机泵负载3，所述太阳能电池组件通过控逆一体机与机泵负载电连接。

作为优选方案之一，所述DC-DC升压电路包括推挽正激电路211、ASIPM模块A以及控制单元212，所述ASIPM模块分别经推挽正激电路211和隔离驱动电路B与太阳能电池组件和控制单元212配合。

作为优选方案之一，所述ASIPM模块A还包括故障输出电路A1、过热保护电路A2、欠压保护电路A3、过流短路保护电路A4，且所述故障输出电路、过热保护电路、欠压保护电路、过流短路保护电路分别与控制单元连接。

作为优选方案之一，所述控制单元还与报警电路C1、阵列母线电压检测模块C2和水位打干检测模块C3连接。

作为优选方案之一，所述控制单元212采用内置DSP的单片机，其与控制电源D连接。

作为优选方案之一，该太阳能农业灌溉系统还可包括通过控逆一体机与太阳能电池组件和机泵负载电连接的蓄电单元。

作为一种较佳的实施例，前述控逆一体机2的结构框图如图2所示，其中，DC/DC部分(升压电路部分)采用推挽正激式电路进行升压；而DC/AC部分(变频器部分)采用三相桥式逆变电路。其中，主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)，系统控制核心由内置DSP的单片机构成。外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。该系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的V/f比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。

本发明采用了结构新颖的推挽正激电路，不仅可克服偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统)，同时输出滤波电感和电容大大减小。该推挽正激电路由功率管S1、S2，电容C8和变压器T等组成，变压器T原边绕组N1及N2具有相同的匝数，同名端如图2所示。当S1及S2同时关断的时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列构成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1构成回路，C8放电，N1下正上负，此时的工作相当于两个正激变换器的并联。同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器的并联。

前述内置DSP的单片机可选用Microchip公司的dsPIC30F2010芯片(如图3所示)，其主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。该芯片的主要结构如下：12KB程序存储器；512字节SRAM；1024字节EEPROM；3个16位定时器；4个输入捕捉通道；2个输出比较/标准PWM通道；

6个电机控制PWM通道；6个10位500kspsSA/D转换器通道。其主要特点是：A/D采样速度快且多通道可以同时采样；6个独立/互补/中心对齐/边沿对齐的PWM；2个可编程的死区；在噪声环境下5V电源可正常工作；最低工作电压3V；A/D采样和PWM同期同步。

但需要说明的是，由本发明说明书所记载的技术方案，本领域技术人员显然亦可想到采用其它具有DSP功能的单片机或类似设备替换前述dsPIC30F2010芯片，并实现基本相同的功能。

本发明系基于TMPPT(True Maximum Power Point Tracking)的设计，进行“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒V/f控制，故机泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。故本发明采用TMPPT方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。

而由太阳电池阵列的特性曲线(参阅图4)可知，在最大功率点处，dP/dv＝O，在最大功率点的左侧，当dP/dV＞O时，P呈增加趋势，dP/dV＜O时，P呈减少趋势；但在最大功率点的右侧，当dP/dv＞O时，P呈减少趋势，dP/d v＜O时，P呈增加趋势。据此可在实际运行时根据P-V的变化关系确定最大功率点。

图5为TMPPT型最大功率点跟踪控制框图。系统的输入指令值为0，反馈值为dP/dV，假定Z3状态为+1，则Usp*指令电压增加，经CVT环节调整，系统的输出电压V跟踪Usp*增加，采样输出电流I，经功率运算环节和功率微分环节，获得dP/dV值，如dP/dV＞0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+1，Usp*指令电压继续增加。如dP/dV＜O，则Z1为-1，Z2为-1，Z3为-1，Usp*指令电压开始减小。稳定工作时，系统在最大功率点附近摆动，如果摆动幅度越小，则精度越高。在具体工作时，为了防止搜索方向的误判断，软件中设置了搜索限幅值，使系统的工作可靠性进一步提高。由于本发明中采用的ASIPM模块带有电流检测功能，故在硬件设计上可以省去电流检测电路，节约了成本，并进一步优化了外围电路。

另外，藉由前述设计，本发明还具有诸多保护功能，比如：

1)过流和短路保护功能由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。

2)欠压保护功能ASIPM检测下桥臂的控制电源电压，如果电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，同时输出故障信号，在故障期间，下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。

3)过热保护功能ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，dsPIC通过检测其阻值可以完成过热保护功能。

以上保护是利用了ASIPM自身带有的功能，无须外加电路，进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏机泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响机泵使用寿命，因此，本发明设计了低频保护，对机泵来说，当液面低于机泵进水口时，机泵处于空载状态，若不采取措施，长时间运行则会损坏润滑轴承，而本发明为户外无人值守工作方式，故系统为了增加检测可靠性，采用了自动打干和手动打干两种识别方式，其中，自动打干是根据系统输出功率和电机工作频率来进行判别；手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。

总而言之，该太阳能农业灌溉系统无需额外耗费煤、油、电能等，不会释放有害物质，节能环保，运行性能稳定，能源利用率高，适于在多种环境中广泛使用。

Claims

1.一种太阳能农业灌溉系统，其特征在于，它包括：太阳能电池组件、控逆一体机以及机泵负载，所述太阳能电池组件通过控逆一体机与机泵负载电连接。

2.根据权利要求1所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，所述控逆一体机包括DC-DC升压电路和与DC-DC升压电路电连接的变频器，且所述DC-DC升压电路与太阳能电池组件电连接，所述变频器与机泵负载电连接。

3.根据权利要求2所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，所述DC-DC升压电路包括推挽正激电路、ASIPM模块以及控制单元，所述ASIPM模块分别经推挽正激电路器和隔离驱动电路与太阳能电池组件和控制单元配合。

4.根据权利要求3所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，所述ASIPM模块还包括故障输出电路、过热保护电路、欠压保护电路、过流短路保护电路中的任意一种或两种以上的组合，且所述故障输出电路、过热保护电路、欠压保护电路、过流短路保护电路分别与控制单元连接。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，所述控制单元还与报警电路、阵列母线电压检测模块、水位打干检测模块中的至少一种连接。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，所述控制单元采用内置DSP的单片机。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，它还包括通过控逆一体机与太阳能电池组件和机泵负载电连接的蓄电单元。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的太阳能农业灌溉系统，其特征在于，所述机泵负载包括井用潜机泵，所述井用潜机泵与灌溉管路连通。