CN104518729B - 用于操作泵的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于操作泵的方法和设备，本发明也涉及一种操作泵系统的方法，该泵系统包括：泵，该泵被布置成随着AC电机旋转；逆变器，该逆变器的输出部被电连接至AC电机；以及光伏板系统，该光伏板系统被电连接为向逆变器供应DC电源。该方法包括：设定电压极限(Vboost)；连续地确定从光伏板系统获得的电压；当所确定的光伏板系统的电压在所设定的电压极限以下时，控制逆变器的输出频率使得逆变器的输出电压与该输出频率之间的比基本上恒定；以及当所确定的光伏板系统的电压超过电压极限(Vboost)时，控制逆变器的输出频率以用于将光伏板系统的电压保持为基本上在电压极限处。

Description

用于操作泵的方法和设备
技术领域
本发明涉及泵送系统，并且更特别地涉及使用太阳能的泵送系统。
背景技术
光伏(PV)板或光伏板系统主要用在发电中。使用光伏板的常规方式是：用该板对蓄电池进行充电，并且使用来自该蓄电池的能量以用于电力供应。来自蓄电池的能量被很好地调节，即，能够从蓄电池得到的电压为已知并且为基本上恒定的直流(DC)电压。
可以使用具有最大功率点跟踪器(MPPT)的充电控制器来高效地执行对蓄电池的充电。MPPT被用于驱动充电控制器至在其处可以从板提取最大功率量的操作点。
如果在驱动电机负载中使用来自板系统的能量，则还需要电机控制器。电机控制器可以为例如用DC电压源产生交变电压的逆变器。该交变电压可以被用于驱动例如感应电机之类的交流电机。交变电机的一种典型使用是在泵送应用中使用该交变电机以用于旋转泵。
当太阳能板系统或光伏板系统被单独用于泵应用时，那么上述向泵提供交变电压的典型方式相当复杂并且需要多个电气部件。所需要的部件的数目使得结构昂贵并且还易损坏。
发明内容
本发明的目的是提供用于操作泵的方法和设备。通过本发明所陈述特征的方法和设备来实现本发明的目的。本发明还公开了优选实施方式。
本发明是基于以下构思：直接在逆变器的输入部处使用来自光伏板系统的可用DC电压，并且基于该可用DC电压来控制该逆变器的输出频率。
当DC电压按照V/f比达到设定电压时，增大输出频率，通过改变逆变器的输出频率来将电压控制成基本上处于极限值。
该方法和设备的优点在于：获得简单的结构而仍然充分利用光伏板系统的性质。在该设备中，光伏板系统的输出部被直接地连接至逆变器的输入部，并且该逆变器还被连接为对交流(AC)电机供电。用交变的电压和频率来驱动该电机。电压/频率比取决于从光伏板系统获得的电压。当来自该板系统的电压超过可用极限时，那么通过增大输出频率并且保持该电压基本上恒定来继续泵驱动的操作。因为光伏板实质上为电流源并且甚至当板的电压没有增大至额定电压时也能够产生用于操作电机的电流而能够增大频率。当电压已达到最大极限并且光伏板具有可用的载流量(current capacity)，光伏板可以输送最大功率。太阳能泵驱动将维持在最大功率点处，通过增大频率——保持电压恒定且从光伏板汲取更多电流而偏离标准的电压/频率曲线。
附图说明
以下将参照附图借助优选的实施方式来更详细地描述本发明，在附图中：
图1示出了本发明的设备的示意性框图，以及
图2示出了V/f曲线和操作点。
具体实施方式
图1示出了光伏板系统被如何连接至逆变器的输入部。如已知的，光伏板产生DC电压并且该DC电压直接地被逆变器使用。逆变器用所输入的DC电压来产生交变电压。产生AC电压的典型方式是使用其中将正DC电压和负DC电压交替地连接在输出部处的脉冲宽度调制(PWM)。当针对每个输出相改变正脉冲的持续时间和负脉冲的持续时间时，可以在逆变器的输出部处获得具有期望频率的交变电压。
根据本发明，AC电机被连接在逆变器的输出部处并且泵被机械地连接至该AC电机。该电机的旋转驱动该泵并且执行泵送操作。在图1的示例中，逆变器产生用于三相电机的三相输出电压。
根据本发明，基于所输入的电压当该电压在设定极限以下时执行对逆变器的输出频率的控制。当该电压在设定极限Vboost以下时，如图2所示，保持逆变器的输出电压与该逆变器的输出频率之间的比基本上恒定。在电机控制领域中通常已知输出电压与输出频率之间的比(恒定的伏特/赫兹；V/f)为恒定。这种控制方法保持电机的转矩恒定，并且在已知的方法中，贯穿电机的直至标称速度(nominal speed)的速度范围来应用该控制。在典型的情况下，能够得到全标称电压(full nominal voltage)，并且基于所需要的转速以从该逆变器输出合适的电压使得V/f比恒定的方式来调制该逆变器。
如所提及的，在本发明中，基于来自光伏板系统的可用电压来确定逆变器的输出频率，并且该构思使用针对泵送过程可用的全部能量。在本发明中，设定电压极限Vboost。当来自板系统的DC输出电压超过控制器中的所设定的DC电压极限时，通过增大逆变器的输出频率并且保持供应给电机的输出电压基本上恒定来继续操作。逆变器的输出电压和来自板的所获得的DC电压彼此依赖，并且为简单起见，图2示出了逆变器输出电压。在图2中，操作点S1示出了在其处在恒定的V/f模式下的操作停止的点。逆变器的输出电压被保持为基本上恒定直到电压达到点S2为止。
输出频率的增大导致电机的功率需求的提高。如已知的，所需要的功率为所需要的转矩与转速的乘积。在泵应用中，转矩将随着转速的平方而改变。当逆变器的输出频率——即泵的转速——增大时，电机的所需要的转矩随着速度改变的平方而增大。电机的操作点不再处在恒定的V/f操作点。通过从光伏板系统向电机增大电流供应来产生所需要的转矩。光伏板本质上为电流源，并且来自该板的电流与由该板接收到的辐射成比例。
为了保持逆变器的输入与输出之间的功率平衡，所生成的功率需要匹配所使用的功率。如果输入至逆变器的电压基本上恒定，那么需要通过改变电流来补偿功率改变。如以上所提及的，泵的转速的增大需要改变转矩。需要用来自板的所供应的电流来产生转矩。如果超过来自板系统的可用功率，则板的电压将崩溃。从而，通过改变输出频率同时监视板系统的输出部处的电压，可以将泵输出保持在最大水平处。当增大频率而电压没有崩溃时，光伏板能够提供所需要的电流量。如果测量的电压开始下降，则减小逆变器的输出频率从而减小从板汲取的电流量。
优选地，将逆变器的输出频率限制在受控电机的标称值。在这样的情况下，电压的增大减小了来自板系统的电流。当该电压基本上恒定时，逆变器的操作点在图2所示的操作点S1和S2之间变化。
根据本发明的一个实施方式，当来自板系统的输出电压超过可用极限时，通过将输出基准频率乘以常数因子来将逆变器的输出频率控制成更高。该输出频率的增大使所需要的功率增大并且从而增大了从板汲取的电流。
在另一个实施方式中，控制器被用于基于可用DC电压来改变逆变器的输出频率并且被用于保持V/f比恒定。在该实施方式中，控制器在Vboost以下遵循V/f比。在Vboost曲线以上，控制器将不遵循V/f曲线。即使电压恒定，控制器也将增大频率。从而控制器利用PV电池中的最大可用电流。当电压降到Vboost以下时，那么控制器再次遵循V/f曲线。这将确保当DC电压突然降低时对PV电池产生有限的影响。
在本发明中，即使光伏板的电压没有达到其最大值，也能够充分利用光伏板系统的性质。
本发明的设备包括：泵，该泵被布置成随着感应电机旋转；逆变器，该逆变器的输出部被电连接至感应电机；以及光伏板系统，该光伏板系统被电连接为向逆变器供应DC电源。感应电机为三相电机。此外，该设备包括用于设定电压极限Vboost的装置和用于连续地确定从光伏板系统获得的电压的装置。用于设定电压极限的装置可以例如作为可编程设定装置布置在逆变器中，并且值可以被存储在逆变器中。类似地，用于确定从板系统获得的电压的装置作为测量装置被合并在逆变器中。该逆变器连续地测量输入电压。
设备还包括用于控制逆变器的输出频率的装置，使得当所确定的光伏板系统的电压在所设定的电压极限以下时逆变器的输出电压与输出频率的比基本上恒定。优选地，逆变器包括用输入DC电压产生最大输出电压并且根据该输出电压的水平来改变电压的输出频率的控制方案。
此外，设备包括用于控制逆变器的输出频率的装置，以当所确定的光伏板系统的电压超过电压极限Vboost时将光伏板系统的电压保持为基本上在电压极限处。优选地，控制器被实施在逆变器中。

Claims (5)

1.一种操作泵系统的方法，所述泵系统包括：泵，所述泵被布置成通过AC电机旋转；逆变器，所述逆变器的输出部被电连接至所述AC电机；以及光伏板系统，所述光伏板系统被电连接为向所述逆变器供应DC电源，其特征在于，所述方法包括：
设定电压极限(Vboost)；
连续地确定从所述光伏板系统获得的电压；
当所确定的所述光伏板系统的电压在所设定的电压极限以下时，控制所述逆变器的输出频率使得所述逆变器的输出电压与所述输出频率之间的比基本上恒定；以及
当所确定的所述光伏板系统的电压超过所述电压极限(Vboost)时，控制所述逆变器的输出频率以将所述光伏板系统的所述电压保持为基本上在所述电压极限处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
设定频率极限(flimit)；以及
将所述逆变器的所述输出频率限制在所述频率极限。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所确定的所述光伏板系统的电压在所设定的极限以上时，所述方法包括：
通过改变所述逆变器的所述输出频率来控制所述光伏板系统的所述电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
提供用于所述逆变器的所述输出频率的基准频率；
当所确定的所述光伏板系统的电压超过所设定的极限时，将所述基准频率与常数因子相乘；以及
用相乘所得的基准频率来控制所述逆变器。
5.一种泵设备，包括：泵，所述泵被布置成通过AC电机旋转；逆变器，所述逆变器的输出部被电连接至所述AC电机；以及光伏板系统，所述光伏板系统被电连接为向所述逆变器供应DC电源，其特征在于，所述泵设备包括：用于设定电压极限(Vboost)的装置；用于连续地确定从所述光伏板系统获得的电压的装置；用于当所确定的所述光伏板系统的电压在所设定的电压极限以下时控制所述逆变器的输出频率使得所述逆变器的输出电压与所述输出频率之间的比基本上恒定的装置；以及用于当所确定的所述光伏板系统的电压超过所述电压极限(Vboost)时控制所述逆变器的输出频率以将所述光伏板系统的所述电压保持为基本上在所述电压极限处的装置。
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