CN104079232A - 一种单级式光伏水泵控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种单级式光伏水泵控制系统及其控制方法，涉及光伏驱动控制领域。解决了传统光伏水泵系统的光伏变频器结构复杂、控制的成本较高的问题。单级式光伏水泵控制系统的逆变变频器为一个能量级，结构上取消了传统光伏水泵变频器中的直流变化环节，利用控制功能实现原直流变换环节中的最大功率跟踪和能量缓冲功能。控制上利用频率扰动方法，进行光伏输入到水泵电机输出能量的条件，从而满足最大功率输出和系统的稳定运行。控制方法在于对系统频率f的控制，重点在频率控制的光伏侧最大功率跟踪方法。频率f的大小与电机转速近似呈正比，而电机转速三次方与负载水泵输出功率P呈正比，从而调整频率，可实现传递功率控制，从而使光伏部分以最大功率输出。

Description

一种单级式光伏水泵控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子控制系统，尤其是光伏驱动控制领域。

背景技术

光伏水泵系统，是一种独立于电网运行的太阳能电力系统，因其具有与日照强度输出一致，系统安全可靠并且可无人值守的特点，特别适合广大缺水地区和城市自然景观，利用太阳能发电转换为水资源的势能进行应用。光伏水泵系统的运行主要取决于系统控制器的两方面功能，一方面是对光伏系统的最大功率跟踪功能，另一方面是对水泵电机的驱动功能。

传统系统是近似与逆变器的设计，电力电子变换第一级采用直流斩波电路环节进行光伏侧功率输出控制，通过第二级的变频器实现对电机的驱动。由于作用机制上包含光伏最大功率点跟踪控制和电机驱动，控制系统一般归结为光伏驱动系统。

传统光伏水泵系统的结构及性能如下:

光伏水泵系统的功能部分主要由太阳能光伏阵列、变频控制器，三相异步电动机，抽水水泵等四部分组成，常见结构如图所示。

(1)光伏系统：

光伏水泵系统的能量来源于光伏阵列半导体材料的光伏效应。

因光半导体材料内部物理特性，太阳能电池表现出的电源效应，既不是恒压源也不是恒流源，而是非线性直流电源。其输出功率情况不仅受限外界光环境，也与负载情况有关的。因此在不同的温度和光照等环境条件下，需要外界对负载关系进行调整以使太阳能电池能以最大功率输出，即最大功率点跟踪的过程。

(2)三相异步电动机：

光伏水泵一般应用于无人值守的地区，基于系统成本和寿命的原因，负载电机一般选用三相异步电机。

这种类型的电机是一个较为复杂的非线性系统，需要进行一定的转换使电机的控制更加的灵活，而且在光伏水泵系统的应用中还需要注意的是，由于光伏阵列不能总是提供充分的能量，系统需要对能量的变化具有适应性。

(3)水泵：

水泵通过机械传动从负载电机获得能量，但需要保证一定转速和稳定条件，其泵送能力是与系统频率呈三次方关系。

(4)光伏变频器：

光伏变频器是，光伏水泵运行的核心控制系统，前面所述的最大功率点跟踪功能和电机驱动都是由此部分完成，因此控制也就对应了两级结构，一般的实现如图2中的虚线框内所示：

第一级通过直流斩波电路进行占空比控制完成光负载的特性转换而达到光伏输出最大功率，一般包括BUCK电路BOOST电路等如附图4所示；

第二级通过逆变控制，完成电机驱动，以规定的转速和转矩进行稳定输出，其作用方式与通用变频器的功率输出端相同，即附图3中所示的三相逆变桥。

传统光伏水泵系统的输出的直流电经过两级控制后进行稳定输出，存在光伏变频器结构复杂、控制的成本较高等问题。

发明内容

本发明为了解决传统光伏水泵系统的光伏变频器结构复杂、控制的成本较高的问题，进而提供了一种单级式光伏水泵控制系统。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种单级式光伏水泵控制系统，包括逆变变频器，所述逆变变频器具有一级电力电子变换，通过所述逆变变频器控制由光伏系统输出的直流电转化以频率f以及对应频率的电压U输出的交流电，实现系统光伏收集能量最大程度的传递给水泵电机(异步电机)；

所述逆变变频器包括辅助电源、霍尔传感器直流采样电路、直流缓冲电路、驱动信号发生电路和三相逆变桥电路，所述驱动信号发生电路包括DSP(数字信号处理单元)和驱动电路；

光伏系统的正负极(正负端子)通过直流缓冲电路连接三相逆变桥电路的直流侧，辅助电源从主电路中取电用于给霍尔传感器直流采样电路、DSP2-5和驱动电路供电；霍尔传感器直流采样电路用于采集光伏系统输出的直流电压信号和直流电流信号，霍尔传感器直流采样电路输出模拟电信号给DSP(数字信号处理单元)，经DSP(数字信号处理单元)处理后输出三相PWM驱动信号，三相PWM驱动信号经驱动电路转换为控制三相逆变桥电路中对应六个开关管的开关控制信号，通过控制开关管的周期、导通时间完成对三相交流电的频率f的控制，实现用于控制水泵电机运行的交流电的输出。

上述单级式光伏水泵控制系统的控制方法，所述方法通过调整频率f实现传递功率控制，使光伏部分以最大功率输出，其具体控制过程为：

步骤一、利用霍尔传感器对光伏输入的电压V_pv(n)和电流I_pv(n)进行采样；

步骤二，对步骤一中的电压采样值和电流采样值进行功率运算求得三相逆变桥电路的直流侧的功率P(n)；

步骤三，判断步骤二功率P(n)与之前时间采样点计算功率P(n-1)的大小关系，如果功率不变化则自然进入保持状态，保持步骤一到步骤三的循环，直至功率产生差值再进入步骤四；

步骤四，根据功率值的变化对扰动频率进行更新Δf(n)，即改变扰动量的正负值，正向扰动功率增大则正向扰动，对应功率减小则反向扰动；

$\mathrm{\&Delta;f}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;f}(n-1)& P\left(n\right)\&GreaterEqual;P(n-1)\\ -\mathrm{\&Delta;f}(n-1)& P\left(n\right)<P(n-1)\end{array}\right.$

步骤五、将主控频率f(n)上加入步骤四中的新Δf(n)扰动分量，即f(n)＝f(n-1)+Δf(n)；

步骤六，根据新频率值f(n)，即对应压频控制产生的电压值U_ac(n)，进行相关驱动PWM信号的的整体频率及占空比等情况的调整；

步骤七，考虑环境变化以及计时状态，计时到新的采样时间后，功率大小和时间长度没达到临界条件，则返回到步骤一继续运行，达到临界条件，则跳出扰动最大功率循环，重新进行初始频率给定，从而使水泵状态稳定且光伏功率最大输出。

本发明的有益效果是：

本项发明提出的单级式光伏水泵控制系统，即在逆变变频器在电力电子变换结构上将两个能量级简化为一个能量级。该变频器在结构上取消了传统光伏水泵变频器中的直流变化环节，简化系统中采用频率为控制量进行系统工作状态的调整，且通过变频器控制能量即时转换为抽水获得的势能，无需设置蓄电池。

本发明的单级式光伏水泵控制系统的逆变变频器在电力电子变换结构上将两个能量级简化为一个能量级，结构上取消了传统光伏水泵变频器中的直流变化环节，利用控制功能实现原直流变换环节中的最大功率跟踪和能量缓冲功能。控制上利用频率扰动方法，进行光伏输入到水泵电机输出能量的条件，从而满足最大功率输出和系统的稳定运行。

附图说明

图1是单级光伏水泵系统简化结构示意图，其中1光伏系统代表太阳能电池部分，2代表逆变变频器，3代表异步电动机，4代表水泵；逆变变频器2中2-1代表系统直流缓冲单元，2-2三相逆变桥，2-3辅助电源电路，2-4直流光伏侧采样电路，即霍尔电压和电流传感器，用于采集光伏电压和电流信号，2-5主控电路DSP部分，2-6驱动信号发生电路，用于产生三相逆变桥六个开关管的信号；

图2是传统光伏水泵系统结构示意简化图(图中：由左至右分别是光伏系统、光伏变频器、电机、水泵)；

图3是细化功能部分的传统光伏水泵系统示意图；

图4是两级系统中的DC/DC常用的直流变换级电路，其中图(a)是Buck降压电路，图(b)是Boost升压电路；

图5是本发明的单级光伏水泵系统结构简化示意图(图中：由左至右分别是光伏系统、逆变变频器、电机、水泵)；

图6是本发明的单级光伏水泵DSP信号处理示意图；

图7是频率扰动观察法控制部分流程图；

图8是输出交流电压与控制频率关系图。

具体实施方式

如附图1、图5和图6所示，本实施方式对本发明进行详细描述：

单级水泵系统的硬件部分如附图1所示，主要包括太阳能电池板(光伏系统)，逆变变频器，异步电动机，和水泵四个部分。其中逆变变频器的硬件部分主要包括辅助电源电路，直流采样电路，直流缓冲电路，驱动信号发生电路，逆变桥电路五个部分。主电路中，由太阳能电池的电源引出正负极首先与直流缓冲电路中的缓冲电容两端相连，然后直接接到变频器直流母线上，直流母线经过变频输出部分的三相桥开关电路，接入异步电动机的三相定子绕组；辅助电源电路部分的能量由取自直流缓冲电路部分，经过反激电路变换成为控制和检测电路级别的电压后进行供电；检测电路检测光伏输入直流电压和电流信号，传递给主控电路DSP进行分析然后产生驱动信号驱动主电路的逆变桥进行交流电的输出控制电机运行。本发明提供的一种单级式光伏水泵控制系统的控制方法，其核心在于对系统频率f的控制，重点在频率控制的光伏侧最大功率跟踪方法。频率f的大小与电机转速近似呈正比，而电机转速三次方与负载水泵输出功率P呈正比，从而调整频率，可实现传递功率控制，从而使光伏部分以最大功率输出。

本系统的运行通过如下四个方面展开：

(1)硬件结构

构建如图1所示水泵系统的硬件结构，系统的逆变变频控制器包括检测采样、直流缓冲、辅助电源、DSP处理、驱动电路、三相桥逆变桥等部分构成，相对于图3的传统光伏系统而言省掉了原系统中的直流斩波电路部分，即图4所代表的直流变换单元。其中直流缓冲部分的容量的设计与光伏能量和水泵容量匹配，因为系统主要通过其的能量过度过程完成了控制的过程。辅助电源从光伏侧电路取电为控制电路和检测电流等提供低压直流能量，可通过结构简化图5来了解。

(2)能量和信号传递

检测参量和传输数据变化如附图6所示。

能量主要从光伏系统开始，进入直流缓冲单元进行相应的滤波和稳定作用，再经过三相逆变桥的转化控制作用，提供给交流侧电机，从而带动水泵进行做功输出。信号侧首先由霍尔传感器检测直流侧的电压电流等参数，再将信号给入DSP进行处理，产生三相输出的三路信号，在经过驱动电路转换为控制三相逆变桥对应六个开关管的开关控制信号，通过控制输出开关管的控制周期、导通时间完成对三相交流电的频率幅值等的控制。

(3)控制流程

用对频率的控制代替传统水泵系统中对占空比的控制，并检测系统的光伏侧电流电压以及电机侧转速和水泵侧水况进行系统的运行和调整。初步由系统监测条件给定输入控制频率的状态，可以是针对监测系统的初始状态的控制方法，也可是监测环境变化的神经网络控制算法；再对控制频率施加小范围的扰动，对比扰动前后功率的变化给出进一步频率进行扰动的方向。

控制的具体流程通过图1所示的，2-5主控电路DSP部分实现，其中频率扰动细化流程图如图7所示：

频率扰动控制的核心是对频率扰动值Δf(n)在运行过程中实时进行更新，以活动最优功率的输出效果。是通过逆变环节的频率f的控制取代传统的直流环节对占空比的控制，控制过程采用扰动方法，比较改变频率值后功率的变化，保持向光伏输出功率最大的状态的扰动方向，从而实现光伏系统最大输出功率点的跟踪。具体步骤为：

步骤一，利用霍尔元件对光伏输入的电压V_pv(n)和电流I_pv(n)进行采样；

步骤二，对步骤一中的采样值进行功率计算求得直流侧的功率P(n)；

步骤三，对步骤二功率P(n)与前一时刻的时间采样点计算功率P(n-1)的大小关系进行比较，如果功率不变化则自然进入保持状态，保持步骤一到步骤三的循环，直至功率产生差值再进入步骤四；

步骤四，根据功率值的变化对扰动频率值Δf(n)进行更新，即改变扰动量的正负值，正向扰动功率增大则正向扰动，对应功率减小则反向扰动；

步骤五，将主控频率f(n)上加入步骤四中的新Δf(n)扰动分量进行调整，即根据扰动的方向有f(n)＝f(n-1)+Δf(n)或者f(n)＝f(n-1)-Δf(n)；

步骤六，根据新频率值f(n)，即对应压频控制产生的电压值U_ac(n)，进行相关驱动PWM信号的改变；

步骤七，考虑环境变化以及计时状态，计时到新的采样时间后，功率大小和时间长度没达到临界条件，则返回到步骤一继续运行，达到临界条件，则跳出扰动最大功率循环，重新进行初始频率给定，从而使水泵状态稳定且光伏功率最大输出。

稳定状态时功率在最大功率点附近浮动，直到外部环境变化使系统转入新的能量状态。

(4)电压频率控制

在水泵电机驱动控制侧，根据泵和风机类负载特有的能量性质，在开关驱动信号上可对幅值调制比进行调整。控制频率与交流电压值的关系，可以根据产品情况以及泵类负载随环境变化负载率情况，在常规压频比的一倍至二倍的区间适当对压频比的曲线调整，对应配合泵负载的功率情况，附图8所示是针对图1的2-2三相逆变桥的交流输出频率和电压关系一套实验测试曲线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种单级式光伏水泵控制系统，包括逆变变频器(2)，其特征在于：所述逆变变频器具有一级电力电子变换，通过所述逆变变频器控制由光伏系统(1)输出的直流电转化以频率f以及对应频率的电压U输出的交流电，实现系统光伏收集能量最大程度的传递给水泵电机(3)；

所述逆变变频器(2)包括辅助电源(2-3)、霍尔传感器直流采样电路(2-4)、直流缓冲电路(2-1)、驱动信号发生电路和三相逆变桥电路(2-2)，所述驱动信号发生电路包括DSP(2-5)和驱动电路(2-6)；

光伏系统(1)的正负极通过直流缓冲电路(2-1)连接三相逆变桥电路(2-2)的直流侧，辅助电源(2-3)从主电路中取电用于给霍尔传感器直流采样电路(2-4)、DSP(2-5)和驱动电路(2-6)供电；霍尔传感器直流采样电路(2-4)用于采集光伏系统(1)输出的直流电压信号和直流电流信号，霍尔传感器直流采样电路(2-4)输出模拟电信号给DSP(2-5)，经DSP(2-5)处理后输出三相PWM驱动信号，三相PWM驱动信号经驱动电路(2-6)转换为控制三相逆变桥电路(2-2)中对应六个开关管的开关控制信号，通过控制开关管的周期、导通时间完成对三相交流电的频率f的控制，实现用于控制水泵电机运行的交流电的输出。

2.一种单级式光伏水泵控制系统的控制方法，所述方法通过调整频率f实现传递功率控制，使光伏部分以最大功率输出，其特征在于：其具体控制过程为：

步骤一、利用霍尔传感器对光伏输入的电压V_pv(n)和电流I_pv(n)进行采样；

步骤二，对步骤一中的电压采样值和电流采样值进行功率运算求得三相逆变桥电路(2-2)的直流侧的功率P(n)；

步骤三，判断步骤二功率P(n)与之前时间采样点计算功率P(n-1)的大小关系，如果功率不变化则自然进入保持状态，保持步骤一到步骤三的循环，直至功率产生差值再进入步骤四；

步骤四，根据功率值的变化对扰动频率进行更新Δf(n)，即改变扰动量的正负值，正向扰动功率增大则正向扰动，对应功率减小则反向扰动；

$\mathrm{\&Delta;f}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;f}(n-1)& P\left(n\right)\&GreaterEqual;P(n-1)\\ -\mathrm{\&Delta;f}(n-1)& P\left(n\right)<P(n-1)\end{array}\right.$

步骤五、将主控频率f(n)上加入步骤四中的新Δf(n)扰动分量，即f(n)＝f(n-1)+Δf(n)；

步骤六，根据新频率值f(n)，即对应压频控制产生的电压值U_ac(n)，进行相关驱动PWM信号的的整体频率及占空比等情况的调整；

步骤七，考虑环境变化以及计时状态，计时到新的采样时间后，功率大小和时间长度没达到临界条件，则返回到步骤一继续运行，达到临界条件，则跳出扰动最大功率循环，重新进行初始频率给定，从而使水泵状态稳定且光伏功率最大输出。