CN104895774B - 一种光伏水泵集群系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏水泵集群系统的控制方法，该系统包括一光伏阵列、一群控器以及若干水泵电机，所述方法包括以下步骤：将所述阵列指令电压作为目标值对所述直流母线电压进行稳压调节，同时对所述阵列指令电压进行实时的误差调节；对所述稳压调节后通过变频器产生交流电压，将所述交流电压输出至所述各水泵电机；计算出阵列最大功率值，并获取水泵电机的最大功率工作点，对系统的变频器开启数量进行控制。本发明群控器根据系统最大功率点的功率，实时合理选择和启停当前工作水泵台数，使系统全天扬水效率达到最优；采用电压有差控制方法，自主对直流母线电压进行控制，实现多机并联稳定运行。

Description

一种光伏水泵集群系统的控制方法

技术领域

本发明涉及光伏水泵系统控制技术领域，特别是一种光伏水泵集群的稳压与MPPT控制技术。

背景技术

光伏水泵系统由光伏阵列、水泵、电机、变频器等组成，变频器将光伏阵列的直流能量转变为交流电能，驱动光伏水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。

对于大中规模的光伏水泵扬水系统，可以采用单机大功率光伏水泵系统，对于离心式水泵，要实现设计要求的扬程条件下出水或高效，需要满足最低日照和功率输出要求，在低日照条件下，由于有最低扬程限制，水泵虽然可以运转，但不能出水且工作效率较低，光伏阵列的能量不能有效利用。采用多台独立光伏水泵系统，也同样存在此类问题。这类光伏水泵系统的架构设计，其全天扬水量会损失较大。

如果多台光伏水泵系统的光伏阵列并联组合，所有变频器的直流输入端共光伏阵列直流母线，那么在同样低日照条件下，所有光伏阵列的合成功率是原单机光伏水泵系统功率输入的N倍(N台并联)，其可以根据功率大小、扬程需求、效率，优化选择启动水泵的台数，从而可以实现光伏水泵集群系统的全天扬水效率最优。充分利用光伏阵列的能量，实时调节和合理选配水泵工作数量，使全天扬水效率达到最优。

常规的光伏水泵集群系统由光伏阵列、群控器和多台光伏水泵变频器组成，所有变频器的直流输入端共接于一个光伏阵列直流母线，群控器对各变频器进行调度，充分利用光伏阵列能量，保证系统能够工作在光伏阵列的最大功率点。共直流母线的变频器采集直流母线电压、直流母线电流及各自电机频率、电流运行参数，并上传群控器，群控器对系统工作点进行判断，搜索最大功率工作点，移动工作电压给定，实现系统的光伏阵列最大功率跟踪控制；

光伏水泵集群系统控制的关键技术是稳定阵列电压及最大功率跟踪，光伏阵列直流母线电压的稳定控制器一般放在群控器中，由群控器通过通讯线定时下发调节指令给各变频器，实现阵列电压的稳定控制及最大功率跟踪。该方法是基于通讯实现光伏阵列电压的闭环控制，要求数据通讯稳定可靠且高速度，否则，则会发生阵列电压不稳定及电压跌落崩溃现象，造成系统频繁停机。由于现场的水泵系统可能分散且有相当距离，对实现高速和可靠通讯控制会有一定难度，也降低了系统的可靠性和稳定性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏水泵集群系统的控制方法，该系统包括一光伏阵列与若干水泵电机，所述方法包括以下步骤：

通过一群控器设置一阵列指令电压实时采集光伏阵列的直流母线电压V_dc，将所述阵列指令电压作为目标值对所述直流母线电压进行稳压调节，同时对所述阵列指令电压进行实时的误差调节；

对所述稳压调节后通过变频器产生交流电压，将所述交流电压输出至所述各水泵电机；

采集直流母线电压、直流母线电流，计算出阵列最大功率值，并获取水泵电机的最大功率工作点，并结合各水泵电机功率、运行频率与输出电流，对系统的变频器开启数量进行控制。

较佳地，所述稳压调节包括：

通过比例调节直流母线电压V_dc与直流母线指令电压之差，改变负载运行功率，完成对直流母线电压V_dc稳压调节。

将光伏阵列直流母线电压V_dc与阵列指令电压之差通过比例调节输出稳定后的电压。

较佳地，对所述阵列指令电压进行实时的误差调节包括：

将V_dc与之差通过PI调节器后输出一补偿指令电压获取V_dc与上次指令电压之差，最后将差值通过比例调节输出完成对阵列指令电压的误差调节。

较佳地，所述获取系统的最大功率工作点包括：

S1：采集当前电机工作功率P_m1，取一电压搜索步长ΔV；

S2：将原值减去电压步长ΔV作为搜索阵列指令电压值；

S3：取直流母线电压V_dc与S2中得到的搜索阵列指令电压值之差ΔV_dc，判断误差ΔV_dc是否在预设的阀值范围内；

S4：若稳定，则记录该搜索阵列指令电压下的电机功率P_m2，此时若P_m1小于P_m2，则将P_m2的值赋予P_m1，并返回步骤S2；若P_m1大于P_m2，则将P_m2的值赋予P_m1，加上ΔV作为新的搜索阵列指令电压值，并返回步骤S3；

若不稳定则直接返回步骤S3。

较佳地，根据所述最大功率工作点对系统的水泵电机开启数量进行控制过程包括：

S1：根据电机额定功率、光伏阵列功率以及电机最小工作功率，确定最优并联运行台数N；

S2:判断当前运行的变频器总数n是否大于N；

S3:若是，则返回步骤S1，若否，则执行步骤S4；

S4：依次开启编号为n+1至N的变频器，判断各变频器的工作频率是否达到变频器的频率限幅f_lim，若是则将达到f_lim的变频器的功率与频率返回到步骤S1中，若否则重新判断工作频率是否达到变频器的频率限幅f_lim。

较佳地，所述步骤S1具体包括:

当运行单元数量N一定时，光伏阵列功率Pv均分，系统总流量最大，则每个单元分配的功率为Pv/N，要求各单元水泵需在额定功率Pe以下运行，则各单元的输入功率需满足下列约束条件：Pmin<＝Pv/N<＝Pe；随着Pv的增加或减小，控制N值呈现以最小单位变化的单调递增或递减趋势。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的群控器根据系统最大功率点的功率，实时合理选择和启停当前工作水泵台数，使系统全天扬水效率达到最优；变频器采用自主调节有差稳压方式，各变频器内嵌阵列电压调节器，采用电压有差控制方法，自主对直流母线电压进行控制，实现多机并联稳定运行。对于电压调节误差，再由主变频器或群控器实现补偿误差控制，无需依赖高速通讯，具有良好的抗扰性和冗余性，可以满足最大功率跟踪控制要求。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光伏水泵集群系统框图；

图2为本发明实施例提供的电压有差比例调节控制框图；

图3为本发明实施例提供的阵列电压补偿控制框图；

图4为本发明实施例提供的获取系统的最大功率工作点控制框图；

图5为本发明实施例提供的水泵电机开启数量的控制框图；

图6为本发明实施例提供的光伏阵列特性曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种光伏水泵集群系统的控制方法，如图1所示，该系统包括一光伏阵列1与若干水泵电机4，所述方法包括以下步骤：

通过一群控器3设置一阵列指令电压实时采集光伏阵列的直流母线2的电压V_dc，将所述阵列指令电压作为目标值对所述直流母线电压进行稳压调节，同时对所述阵列指令电压进行实时的误差调节；

对所述稳压调节后通过变频器产生交流电压，将所述交流电压输出至所述各水泵电机；

采集直流母线电压、直流母线电流，获取出阵列最大功率工作点，并结合各水泵电机功率、运行频率与输出电流，对系统的变频器开启数量进行控制。

本实施例中，所述稳压调节采取有差比例调节，具体如图2所示为其控制框图，包括以下步骤：

通过比例调节直流母线电压V_dc与直流母线指令电压之差，改变负载运行功率，完成对直流母线电压V_dc稳压调节。

将光伏阵列直流母线电压V_dc与阵列指令电压之差通过比例调节输出稳定后的电压。

如图3所示为本发明实施例提供的阵列电压补偿控制框图，对所述阵列指令电压进行实时的误差调节包括：

将V_dc与之差通过PI调节器后输出一补偿指令电压获取V_dc与上次指令电压之差，最后将差值通过比例调节输出完成对阵列指令电压的误差调节。

如图4所示为本发明实施例提供的获取系统的最大功率工作点控制框图，其具体包括步骤：

S1：采集当前电机工作功率P_m1，取一电压搜索步长ΔV；

S2：将原值减去电压步长ΔV作为搜索阵列指令电压值；

S3：取直流母线电压V_dc与S2中得到的搜索阵列指令电压值之差ΔV_dc，判断误差ΔV_dc是否在预设的阀值范围内；

S4：若稳定，则记录该搜索阵列指令电压下的电机功率P_m2，此时若P_m1小于P_m2，则将P_m2的值赋予P_m1，并返回步骤S2；若P_m1大于P_m2，则将P_m2的值赋予P_m1，加上ΔV作为新的搜索阵列指令电压值，并返回步骤S3；

若不稳定则直接返回步骤S3。

图5为本发明实施例提供的水泵电机开启数量的控制框图，其控制过程包括：

S1：根据电机额定功率、光伏阵列功率以及电机最小工作功率，确定最优并联运行台数N；

S2:判断当前运行的变频器总数n是否大于N；

S3:若是，则返回步骤S1，若否，则执行步骤S4；

S4：依次开启编号为n+1至N的变频器，判断各变频器的工作频率是否达到变频器的频率限幅f_lim，若是则将达到f_lim的变频器的功率与频率返回到步骤S1中，若否则重新判断工作频率是否达到变频器的频率限幅f_lim。

其中所述步骤S1具体包括:

当运行单元数量N一定时，光伏阵列功率Pv均分，系统总流量最大，则每个单元分配的功率为Pv/N，要求各单元水泵需在额定功率Pe以下运行，则各单元的输入功率需满足下列约束条件：Pmin<＝Pv/N<＝Pe；随着Pv的增加或减小，控制N值呈现以最小单位变化的单调递增或递减趋势。

图6为本发明实施例提供的光伏阵列特性曲线图。

本发明提供的群控器根据系统最大功率点的功率，实时合理选择和启停当前工作水泵台数，使系统全天扬水效率达到最优；变频器采用自主调节有差稳压方式，各变频器内嵌阵列电压调节器，采用电压有差控制方法，自主对直流母线电压进行控制，实现多机并联稳定运行。对于电压调节误差，再由主变频器或群控器实现补偿误差控制，无需依赖高速通讯，具有良好的抗扰性和冗余性，可以满足最大功率跟踪控制要求。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种光伏水泵集群系统的控制方法，该系统包括一光伏阵列、一群控器以及若干水泵电机，所述方法包括以下步骤：

通过一群控器设置一阵列指令电压实时采集光伏阵列的直流母线电压V_dc，将所述阵列指令电压作为目标值对所述直流母线电压V_dc进行稳压调节，同时对所述阵列指令电压进行实时的误差调节；

对所述稳压调节后通过变频器产生交流电压，将所述交流电压输出至所述各水泵电机；

采集直流母线电压V_dc、直流母线电流，计算出阵列最大功率值，并获取水泵电机的最大功率工作点，并结合各水泵电机功率、运行频率与输出电流，对系统的变频器开启数量进行控制；

对所述阵列指令电压进行实时的误差调节包括：

将所述直流母线电压V_dc与所述阵列指令电压之差通过PI调节器后输出一补偿指令电压获取所述直流母线电压V_dc与补偿指令电压上次指令电压之差，最后将差值通过比例调节输出完成对阵列指令电压的误差调节。

2.如权利要求1所述的光伏水泵集群系统的控制方法，其特征在于，所述稳压调节包括：

通过比例调节直流母线电压V_dc与阵列指令电压之差，改变负载运行功率，完成对直流母线电压V_dc稳压调节。

3.如权利要求1所述的光伏水泵集群系统的控制方法，其特征在于，获取水泵电机的最大功率工作点包括：

S1：采集当前电机工作功率P_m1，取一电压搜索步长ΔV；

S2：将所述阵列指令电压原值减去电压步长ΔV作为搜索阵列指令电压值；

S3：取直流母线电压V_dc与S2中得到的搜索阵列指令电压值之差ΔV_dc，判断误差ΔV_dc是否在预设的阈值范围内；

S4：若稳定，则记录该搜索阵列指令电压下的电机功率P_m2，此时若P_m1小于P_m2，则将P_m2的值赋予P_m1，并返回步骤S2；若P_m1大于P_m2，则将P_m2的值赋予P_m1，所述阵列指令电压加上搜索步长ΔV作为新的搜索阵列指令电压值，并返回步骤S3；

若不稳定则直接返回步骤S3。

4.如权利要求1所述的光伏水泵集群系统的控制方法，其特征在于，根据所述最大功率工作点对系统的水泵电机开启数量进行控制过程包括：

S1：根据电机额定功率、光伏阵列功率以及电机最小工作功率，确定最优并联运行台数N；

S2:判断当前运行的变频器总数n是否大于N；

S3:若是，则返回步骤S1，若否，则执行步骤S4；

S4：依次开启编号为n+1至N的变频器，判断各变频器的工作频率是否达到变频器的频率限幅f_lim，若是则将达到f_lim的变频器的功率与频率返回到步骤S1中，若否则重新判断工作频率是否达到变频器的频率限幅f_lim。

5.如权利要求4所述的光伏水泵集群系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括:

当运行单元数量N一定时，光伏阵列功率Pv均分，系统总流量最大，则每个单元分配的功率为Pv/N，要求各单元水泵需在额定功率Pe以下运行，则各单 元的输入功率需满足下列约束条件：Pmin<＝Pv/N<＝Pe；随着Pv的增加或减小，控制N值呈现以最小单位变化的单调递增或递减趋势。