CN106712643B - 光伏水泵控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泵驱动控制技术领域，公开了一种光伏水泵控制方法及装置。其应用于光伏水泵系统，该光伏水泵系统包括：用于提供光伏电能的光伏阵列；直接连接于光伏阵列且用于升高母线电压的升压电路；以及，用于将母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机的逆变电路；该光伏水泵控制方法包括：实时检测光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数；其中，工作参数包括：水泵转速；根据检测到的光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数控制升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数维持在预设区间内。本发明实施方式的光伏水泵控制方法使得可以在无电容的情况下保证光伏水泵系统稳定运行，有利于减小水泵电机驱动单元的体积。

Description

光伏水泵控制方法及装置

技术领域

本发明涉及水泵驱动控制技术领域，特别涉及一种光伏水泵控制方法及装置。

背景技术

我国一些偏远地区地表水匮乏且缺少传统市电电网，导致灌溉及民用抽水困难。但这些偏远地区太阳能资源丰富，且蕴藏着丰富的地下水资源，为实施光伏潜水泵抽水灌溉的提供了有利条件。光伏潜水泵系统能够利用来自太阳能的持久、绿色能源，是一套非常适合用于偏远地区、沙漠等地区独立抽水的灌溉系统，在生活用水方面，光伏潜水泵还可以用于无电网地区的民用抽水。

光伏潜水泵系统利用太阳能作为能源输入，经过太阳能光伏电池阵列的光电转换以及电力电子装置的电力变换，驱动电机带动水泵抽取地下水。光伏潜水泵系统由光伏阵列、升压电路、DC-AC变换逆变器、驱动电机及水泵等组成。光伏潜水泵驱动电机不论是直流无刷、异步机、或永磁同步，都需要交流电进行驱动，而太阳能电池板输出为直流电，因此必须要有将直流转换为交流的逆变回路。

本发明的发明人在实现本发明的过程中发现现有技术存在以下问题：目前光伏潜水泵系统拓扑回路为：通过在水泵电机驱动电路的输入端并联一个电解电容来稳定光伏电池板输出的直流电压，同时对输入直流电压进行滤波。当采用电容值较小的电容时，由于该电容的直流电压稳压和滤波功能较弱，所以造成电池电压波动较大，使得后级水泵电机电流亦容易产生较大波动，进而导致电机不能正常工作；当采用电容值较大的电容时，虽然能起到较好的稳压作用，但却使得电容的体积过大，不利于逆变器结构布局。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种光伏水泵控制方法及装置，使得可以在无电容的情况下保证光伏水泵系统稳定运行，有利于减小水泵电机驱动单元的体积。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种光伏水泵控制方法，应用于光伏水泵系统，所述光伏水泵系统包括：用于提供光伏电能的光伏阵列；直接连接于所述光伏阵列且用于升高母线电压的升压电路；以及，用于将所述母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机的逆变电路；所述光伏水泵控制方法包括：实时检测所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数；其中，所述工作参数包括：水泵转速；根据检测到的所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数控制所述升压电路输出的母线电压与所述输出电压的倍数维持在预设区间内。

本发明的实施方式还提供了一种光伏水泵控制装置，应用于光伏水泵系统，所述光伏水泵系统包括：用于提供光伏电能的光伏阵列；直接连接于所述光伏阵列且用于升高母线电压的升压电路；以及，用于将所述母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机的逆变电路；所述光伏水泵控制装置包括：检测模块，用于实时检测所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数；其中，所述工作参数包括：水泵转速；第一控制模块，用于根据检测到的所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数控制所述升压电路输出的母线电压与所述输出电压的倍数维持在预设区间内。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过实时检测光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数，并根据检测到的光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数控制升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数维持在预设区间内，由于升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数在预设区间内，所以可以避免升压电路的升压幅度过大，从而使得光伏阵列输出电流的波动较小，进而可以保证光伏水泵系统稳定运行。

另外，所述预设区间[1.1，1.5]。通过将预设区间维持在[1.1，1.5]时，不仅使得直流侧电流纹波波动满足光伏水泵系统稳定运行的需求，而且使得采用较低电压等级的光伏阵列即可满足水泵的功率需求，有利于降低系统成本。

另外，所述根据检测到的所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数控制所述升压电路输出的母线电压与所述输出电压的倍数维持在预设区间内，具体包括：根据所述水泵转速估算所述升压电路需要提供的母线电压最小值；将所述升压电路的母线电压与所述光伏阵列的输出电压的倍数控制在预设区间内，以使得所述升压电路的母线电压大于或者等于所述母线电压最小值。本实施方式基于水泵电机的速度反馈估算出逆变电路所需母线电压的最小值，并且在判断出光伏阵列的输出功率满足水泵所需功率时，通过控制升压电路的母线电压大于或者等于逆变电路所需母线电压的最小值，从而控制母线电压的光伏阵列输出电压的倍数维持在预设区间内，不仅能够满足逆变电路输出对母线电压的要求，而且使得光伏阵列输出电流波动幅度较小。

另外，在实时检测所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数之前，还包括：跟踪所述光伏阵列的最大功率点；根据所述光伏阵列的最大功率点的输出功率和所述水泵电机的工作参数对所述水泵电机进行控制。通过将光伏阵列的最大功率点的输出功率与水泵电机的工作参数相结合控制水泵电机的运行，使得水泵电机可以充分利用光伏阵列输出功率，并保证水泵电机稳定运行。

另外，所述根据所述光伏阵列的最大功率点和所述水泵电机的工作参数对所述水泵电机进行控制，具体包括：若所述光伏阵列的最大功率点的输出功率大于或者等于所述水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和，则运行速度控制模式；其中，所述速度控制模式用于将所述水泵电机的当前转速调节至所述水泵电机的额定转速；若所述光伏阵列的最大功率点的输出功率小于所述水泵电机的额定输出功率，则运行转矩控制模式；其中，所述转矩控制模式用于控制所述水泵电机的输出转矩跟随所述光伏阵列的最大功率点。

附图说明

图1是实施本发明水泵控制方法的光伏水泵系统的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的光伏水泵控制方法的流程图；

图3是图1所示的光伏水泵系统中光伏阵列和升压电路的结构示意图；

图4是图2所示的光伏水泵控制方法中双闭环控制的控制流程示意图；

图5是根据本发明第二实施方式的光伏水泵控制方法的流程图；

图6是图5所示的光伏水泵控制方法的步骤5023中的转矩控制模式下的最大功率点跟踪的流程图；

图7是对应于图6所示的最大功率点跟踪的两点式扰动法示意图；

图8是图5所示的光伏水泵控制方法的步骤502中的基于MPPT的id＝0电流策略转矩控制示意图；

图9是图5所示的光伏水泵控制方法的步骤502中的转速控制示意图；

图10是图5所示的光伏水泵控制方法的步骤502中的基于MPPT的MTPA电流策略转矩控制示意图；

图11是对应于图5所示的光伏水泵控制方法的步骤502的基于MPPT的cosφ＝1电流策略转矩控制示意图；

图12是图5所示的光伏水泵控制方法的步骤502中的基于MPPT的异步电机矢量控制示意图；

图13是根据本发明第三实施方式的光伏水泵控制装置的结构示意图；

图14是根据本发明第四实施方式的光伏水泵控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种光伏水泵控制方法，其可应用于如图1所示的光伏水泵系统。如图1所示的光伏水泵系统包括：用于提供光伏电能的光伏阵列101，直接连接于光伏阵列101且用于升高母线电压的升压电路102，以及用于将母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机104的逆变电路103。其中，升压电路102采用Boost升压结构。

如图2所示，本实施方式的光伏水泵控制方法包括：

步骤201：跟踪光伏阵列的最大功率点。

步骤202：根据光伏阵列的最大功率点的输出功率和水泵电机的工作参数对水泵电机进行控制。

由于光伏阵列既不是恒压源也不是恒流源，而是一个非线性直流电源，再加上其输出性能易受外界影响，所以可以通过控制光伏阵列的工作点，保证其输出功率最大。本实施方式可以通过MPPT(Maxmum Power Point Tracking的简称，最大功率点跟踪)最大功率点跟踪控制，调节光伏阵列的输出电压，控制光伏阵列的输出功率为最大值。同时，还可以控制水泵电机的功率跟踪光伏阵列的输出功率，使得水泵电机能够充分利用光伏电能。

步骤203：实时检测光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数。其中，水泵电机的工作参数包括：水泵转速。

步骤204：根据检测到的光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数控制升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数维持在预设区间内。

步骤204具体包括：

子步骤2041：根据水泵转速估算升压电路需要提供的母线电压最小值。该母线电压最小值即为满足水泵工作的逆变电路所需的母线电压。

子步骤2042：将升压电路的母线电压与光伏阵列的输出电压的倍数控制在预设区间内，以使得升压电路的母线电压大于或者等于母线电压最小值。

其中，在控制升压电路进行升压时，需要考虑升压电路输出的母线电压和光伏阵列的输出电压之间的关系。如图3所示，Boost升压电路的输出电压V_bus(母线电压)与电感电流变化量(即光伏阵列输出电流纹波大小)存在以下关系式(1)：

其中，V_bus为母线电压，V_pv为光伏阵列电压，L为电感大小，T表示开关周期。当光伏阵列工作在某一电压点时，电感L和开关周期T不变的情况下，电感电流变化量与母线电压成正比，即母线电压越高，电感电流纹波越大，导致输出功率波动越大。为了减小电感纹波电流和输出功率波动，本实施方式依据光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数动态地将母线电压与光伏阵列输出电压的倍数控制在预设区间内某一特定值，使得电感纹波电流保持在可接受范围内。在一个例子中，还可以依据光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数以及光伏阵列最大输出功率点跟踪动态地将母线电压与光伏阵列输出电压的倍数控制在预设区间内某一特定值。经过发明人反复验证，针对输出电压等级较低的光伏阵列，当该预设区间为[1.1，1.5]时，光伏阵列的电感纹波电流较小，且升压电路的母线电压也能够满足水泵的工作要求。

在一个例子中，可以根据光伏阵列的输出电压与预设区间中某一特定值的乘积等于升压电路的母线电压，通过判断该乘积是否大于或者等于母线电压最小值来确定是否需要调节升压电路的占空比。例如，当该乘积大于母线电压的最小值时，则可以维持升压电路的占空比，当该乘积小于母线电压的最小值时，则可以通过调节输出电压的大小或者调节升压电路的占空比使得该乘积大于或者等于母线电压最小值。

其中，Boost升压电路的升压控制可以采用外环母线电压PI调节和内环电流PI调节。其中，外环母线电压PI调节即母线参考电压(如母线电压最小值)与实际检测到的母线电压的差值进行比例积分PI(PI即proportional integral的简称)调节，以得到应输入至升压电路的参考电流(即光伏阵列的输出电流)，内环电流调节可以为对调节得到的光伏阵列应输出的参考电流与光伏阵列实际的输出电流进行PI调节得到升压电路的占空比，通过该占空比控制Boost升压电压进行升压，从而使得母线实际电压跟随母线参考电压，满足逆变电路的电压要求。图4为前述外环母线电压PI调节和内环电流PI调节的控制示意图。现结合图4，对本实施方式的光伏水泵控制方法中母线电压的控制过程说明如下：

通过电压传感器及采样电路检测光伏阵列输出电压(V_pv)，计算光伏阵列开路电压V_oc及CVT电压值。其中，CVT电压值＝0.78*V_oc。通过电流传感器及采样电路检测光伏阵列输出电流I_pv，计算得到光伏阵列功率P_pv＝V_pv*I_pv，并对P_pv进行滤波，作为光伏阵列输出功率。其中，可以采用CVT电压值作为升压电路应输出的参考电压的初始值(即V_{ref_dc}的初始值)，并根据光伏阵列当前的输出功率和输出电压，以及水泵运行速度，不断更新V_{ref_dc}。其中，V_{ref_dc}通过自适应控制算法计算得到。其中，自适应控制算法包括：获取水泵转速反馈，基于水泵转速估算逆变电路所需母线电压最小值，结合光伏阵列的输出电压以及输出功率，通过Boost升压电路将母线电压与光伏阵列的输出电压的倍数维持在预设区间内，这样，既能满足逆变电路对母线电压的要求，又能使光伏阵列输出电流纹波较小。在自适应控制算法中，V_{ref_dc}与光伏阵列输出功率和输出电压存在以下关系：V_{ref_dc}＝f(P_pv，V_pv，Sp_fbk)，光伏阵列P_pv输出功率越大，逆变电路可输出功率就越大，可输出的水泵速度就越高，V_{ref_dc}就越大，反之，P_pv输出功率越小，逆变电路可输出功率就越小，可输出的水泵速度就越小，V_{ref_dc}就越小，对于电压等级较低的光伏阵列而言，V_{ref_dc}可以基本控制在V_pv*[1.1，1.5]的范围内。

在V_{ref_dc}确定之后，通过电压传感器及采样电路检测母线侧实际的母线电压V_{fbk_dc}，对V_{fbk_dc}与V_{fbk_dc}的差值进行PI调节，输出直流侧参考电流I_{ref_dc}。

然后，通过电流传感器及采样电路检测直流侧实际的输出电流I_{fbk_dc}，对I_{ref_dc}与I_{fbk_dc}的差值进行PI调节，以PWM(Pulse Width Modulation的简称，脉冲宽度调制)方式输出占空比，驱动Boost升压电路中的开关管的开通和关断，使得Boost升压电路的母线实际电压跟随母线参考电压。

本实施方式可以通过外环母线电压PI调节和内环电流PI调节，使得Boost升压电路输出的母线电压大于或者等于逆变电路所需电压，从而通过升压电压将光伏阵列的输出电压升压至逆变电路所需母线电压，满足水泵工作需要。

采用本实施方式的光伏水泵控制方法，由于根据直流侧电流波动与升压电路输出的母线电压之间的关系确定出了母线电压维持的电压区间，从而降低了直流侧的纹波电流，使得后级水泵电机的输出保持稳定，因此，本实施方式通过对母线电压自适应(即依据光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数动态地将母线电压与光伏阵列输出电压的倍数控制在预设区间内某一特定值，使得电感纹波电流保持在可接受范围内)控制，不仅可以满足逆变电路所需母线电压要求，同时也起到了稳定直流侧电流的作用，所以可以省去Boost升压电路输入端的电容，为水泵电机的驱动器的设计提供了空间。同时，由于通过MPPT跟踪光伏阵列的最大功率点，控制母线电压跟随光伏阵列的最大功率点对应的光伏电压，所以保证了光伏阵列实时输出最大功率。

本发明的第二实施方式涉及一种光伏水泵控制方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第二实施方式中，还通过对光伏阵列的最大功率点进行跟踪控制，并计算光伏阵列输出功率是否大于水泵额定功率来确定水泵电机的控制方式，使得水泵电机在充分利用光伏阵列的电能的同时，保证光伏水泵系统运行稳定、可靠。

如图5所示，本实施方式的光伏水泵控制方法包括：

步骤501：跟踪光伏阵列的最大功率点。

步骤502：根据光伏阵列的最大功率点的输出功率和水泵电机的工作参数对水泵电机进行控制。

步骤503：实时检测光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数。其中，水泵电机的工作参数包括：水泵转速。

步骤504：根据检测到的光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数控制升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数维持在预设区间内。

步骤502具体包括：

子步骤5021：判断光伏阵列的最大功率点的输出功率是否大于或者等于水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和，若光伏阵列的最大功率点的输出功率大于或者等于水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和，则执行子步骤5032，若光伏阵列的最大功率点的输出功率小于水泵电机的额定输出功率，则执行子步骤5033。其中，预设功率值可以根据水泵额定功率的大小进行设定，预设功率值例如可以在水泵电机额定功率的3％～10％之间取值，在一个例子中，预设功率值例如取5％。通过增加预设功率值可以使光伏输出功率大小与水泵电机额定功率的判断具有滞回功能，避免水泵转矩控制与速度控制频繁切换，影响系统稳定运行。

子步骤5022：运行速度控制模式。

其中，速度控制模式用于将水泵电机的当前转速调节至水泵电机的额定转速。

子步骤5023：运行转矩控制模式。

其中，转矩控制模式用于控制水泵电机的输出转矩跟随光伏阵列的最大功率点。

步骤501中，可以采用最大功率点跟踪扰动得到光伏阵列的最大功率点，在一个例子中，根据光伏阵列输出电压和电流计算得到光伏阵列的输出功率，并以此为依据进行MPPT最大功率点跟踪控制。

如图6所示，为步骤501中的MPPT的流程图。其中，采用的MPPT包括：

步骤601：由CVT恒压控制进入MPPT。

其中，通过电压传感器检测光伏阵列输出电压，计算光伏阵列开路电压V_oc和CVT电压，并进行CVT恒电压控制，当CVT电压与光伏阵列的实际输出电压之差小于预设阈值时(即CVT电压与光伏阵列的实际电压基本相同时)，延迟一段时间，进入MPPT控制。

步骤602：定时检测光伏阵列的输出功率。

其中，采用电流传感器检测光伏阵列输出电流，实时计算光伏阵列功率P_pv＝V_pv*I_pv，对P_pv进行滤波，作为光伏阵列当前时刻输出功率，并记录上个时刻输出功率。

步骤603：根据前后两拍的输出功率寻找光伏阵列的最大功率点。

其中，判断前后两拍输出功率大小，动态中寻找光伏阵列的最大功率点时，可以按照预设扰动步长ΔU定时检测光伏阵列的输出功率。如图7所示，若P_i>P_i-1，则U_ref＝U_ref+ΔU，若P_i<P_i-1，则U_ref＝U_ref-ΔU，得到一个参考电压U_ref，在寻找过程中不断地更新U_ref，使U_ref逐渐逼近每一时刻光伏阵列的最大功率点的电压U_m，保证光伏阵列在不同的光照强度和温度下，MPPT寻找的每一点都是最大功率P_m。

步骤602中，在光照强度和温度较低的情况下，光伏阵列的输出功率较小，此时，可以减小电压扰动步长ΔU，在光照强度和温度较高时，光伏阵列的输出功率较大，此时可以增加电压扰动步长ΔU，通过改变电压扰动步长，可以提高MPPT的速度和精度。

每一次MPPT扰动得到一个参考电压U_ref，通过电压传感器检测光伏阵列输出电压V_pv，对V_pv进行滤波得到U_fbk，两者做差U_ref-U_fbk后，进行电压PI调节。

步骤603中，定时计算光伏阵列输出功率P_pv，并进行多次平均滤波得到输出功率P_{pv_flt}，将P_{pv_flt}与水泵电机的额定功率P_{e_mot}进行比较，在步骤5021中，根据比较结果运行对应的控制模式。本实施方式的MPPT采用CVT控制和两点式扰动法相结合，从而能够兼顾最大功率点跟踪的速度和精度。

在子步骤5023中，可以得到最大功率点对应的一个基准电压，对该基准电压与光伏阵列输出电压的差值进行PI调节得到水泵运行的转矩电流给定值，并采用开环转矩控制算法控制水泵电机跟踪光伏阵列的最大功率点。

在运行转速控制模式时，暂停步骤501中的最大功率点跟踪扰动，对前述基准电压与光伏阵列的输出电压的差值进行PI调节得到速度补偿量，并获取水泵电机的当前转速，将该速度补偿量叠加至当前转速，若叠加后的转速大于或者等于水泵电机的额定转速，则控制水泵电机工作于额定转速下的开环速度控制及电流矢量控制；若叠加后的转速小于水泵电机的额定转速，则对叠加后的速度进行开环速度控制及电流矢量控制。

子步骤5022和子步骤5023之后，返回步骤501，根据实际检测的最大功率点的输出功率与水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和之间的关系判断是执行子步骤5022还是5023。

步骤502中的水泵电机驱动功率控制方式既适用于同步电机，也适用于异步电机。下面结合图8、9、10、11，对速度控制模式和转矩控制模式在同步电机、异步电机上的应用进行说明。

如图8所示，为隐极式永磁同步电机采用转矩控制模式的控制流程图。

当子步骤5021中判断出最大功率点的输出功率小于水泵电机额定输出功率与预设功率值之和时，速度控制模式被关闭，开启转矩控制模式。其中，水泵电机可以采用无位置传感器的开环矢量控制模式。电机的q轴内环采用转矩电流控制，d轴内环采用励磁电流控制，因同步电机为隐极式电机，故d轴采用id＝0的电流控制策略，q轴外环采用转矩控制策略。其中，q轴采用MPPT最大功率点跟踪扰动，得到一个基准电压U_ref，进行电压PI调节控制输出转矩电流参考值，采用开环转矩控制模式控制水泵电机运行，开环转矩控制能够快速跟踪光伏阵列最大功率点。

如图9所示，为隐极式永磁同步电机采用速度控制模式的控制流程图。当子步骤5021中判断出最大功率点的输出功率大于或者等于水泵电机额定输出功率时，转矩控制模式被关闭，开启速度控制模式。即暂停MPPT扰动，记忆此刻扰动基准电压U_*ref，将基准电压U_*ref与实际输出电压的差值进行PI控制，输出速度补偿量，与电机当前运行速度SP_*ref进行叠加，并将两者速度叠加后作为速度给定值，速度给定限幅最大值为电机额定速度，当速度给定值达到额定转速时，控制水泵电机以额定转速运行。当判断出最大功率点的输出功率小于水泵电机的额定功率时，再开启转矩控制模式，关闭速度控制模式，因此，本实施方式可以在光伏阵列的最大功率点不满足水泵电机额定输出需求时，控制水泵电机跟随最大功率点进行功率输出，在光伏阵列的最大功率点满足水泵电机的额定输出需求时，控制水泵电机定速运行，保证电机稳定、可靠运行，提高光伏阵列电能利用效率。

永磁同步电机电流控制方法除了id＝0控制策略外，还有最大转矩最小电流比控制MTPA控制，功率因数等于1即cosφ＝1等常见控制方法。如图10所示，为MTPA控制与MPPT控制相结合的水泵电机控制方法流程图。如图11所示，为cosφ＝1与MPPT控制相结合的同步电机控制方法流程图。如图12所示，为MPPT与电流矢量控制相结合的异步电机控制方法流程图。

本实施方式将MPPT控制与水泵电机的转速控制、转矩控制方法相结合，使得电机能够在充分利用光伏阵列的最大输出功率的同时稳定、可靠的运行。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种光伏水泵控制装置，应用于如图1所示的光伏水泵系统。如图1所示的光伏水泵系统包括：用于提供光伏电能的光伏阵列101，直接连接于光伏阵列101且用于升高母线电压的升压电路102，以及用于将母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机104的逆变电路103。其中，升压电路102采用Boost升压结构。

如图13所示，本实施方式的光伏控制装置300包括：

跟踪模块301，用于跟踪光伏阵列的最大功率点。

检测模块302，用于实时检测光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数，该工作参数可以包括：水泵转速。

第一控制模块303，用于根据检测到的光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数控制升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数维持在预设区间内。

第二控制模块304，用于根据光伏阵列的最大功率点的输出功率和水泵电机的工作参数对水泵电机进行控制。

其中，预设区间根据Boost升压电路输出的母线电压与光伏阵列的输出电压之间的关系确定：

Boost升压电路的输出电压V_bus(母线电压)与电感电流变化量存在以下关系式(1)：

其中，V_bus为母线电压，V_pv为光伏电池电压，L为电感大小，T表示开关周期。当光伏阵列工作在某一电压点时，电感L和开关周期T不变的情况下，电感电流变化量与母线电压成正比，即母线电压越高，电感电流纹波越大，导致输出功率波动越大。为了减小电感纹波电流和输出功率波动，本实施方式将母线电压与光伏阵列输出电压的倍数控制在在预设区间内，使得电感纹波电流保持在可接受范围内。经过发明人反复验证，该预设区间为[1.1，1.5]时，电感纹波电流波动不影响光伏水泵系统稳定、可靠运行。

第一控制模块303采用外环母线电压PI调节和内环电流PI调节，既可保证Boost升压电路输出母线电压与光伏阵列输出电压的倍数维持在预设区间内，从而保证直流侧电流纹波最小，同时通过第二控制模块304通过跟随跟踪模块301检测到的光伏阵列的最大功率点，还可以使得水泵电机充分利用光伏电能。

采用本实施方式的光伏水泵控制装置，由于根据直流侧电流波动与升压电路输出的母线电压之间的关系确定出了母线电压与光伏阵列的输出电压的倍数所在的合理区间，从而降低了直流侧的纹波电流，既能满足后级逆变驱动水泵电机运行所需的母线电压，又能使得光伏系统稳定输出。因此，本实施方式通过对母线电压进行控制，起到了稳定直流侧电流的作用，所以可以省去Boost升压电路输入端的电容，为水泵电机的驱动器的设计提供了空间。同时，由于通过MPPT跟踪光伏阵列的最大功率点，保证了光伏阵列实时输出最大功率。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第四实施方式涉及一种光伏水泵控制装置。第四实施方式在第三实施方式的基础上做出改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，通过第二控制模块控制水泵电机跟随光伏阵列的最大功率点，从而可以在充分利用光伏阵列的输出功率的同时，保证光伏水泵系统稳定、可靠运行。

如图14所示，本实施方式的光伏控制装置300包括：

跟踪模块301，用于跟踪光伏阵列的最大功率点。

检测模块302，用于实时检测光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数，该工作参数可以包括：水泵转速。

第一控制模块303，用于根据检测到的光伏阵列的输出功率、输出电压以及水泵电机的工作参数控制升压电路输出的母线电压与输出电压的倍数维持在预设区间内。

第二控制模块304，用于根据光伏阵列的最大功率点的输出功率和水泵电机的工作参数对水泵电机进行控制。

其中，第二控制模块304包括：

判断子模块3041，用于判断光伏阵列的最大功率点的输出功率是否大于或者等于水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和，并在大于或者等于时，触发速度控制子模块3042，在小于水泵电机的额定输出功率时，触发转矩控制子模块3043。

速度控制子模块3042，用于将水泵电机的当前转速调节至水泵电机的额定转速。

转矩控制子模块3043，用于控制水泵电机的输出转矩跟随光伏阵列的最大功率点。

本实施方式将MPPT控制与水泵电机的转速控制、转矩控制方法相结合，使得电机能够在充分利用光伏阵列的最大输出功率的同时稳定、可靠的运行。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种光伏水泵控制方法，应用于光伏水泵系统，其特征在于，

所述光伏水泵系统包括：

用于提供光伏电能的光伏阵列；

直接连接于所述光伏阵列且用于升高母线电压的升压电路；以及，

用于将所述母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机的逆变电路；

所述光伏水泵控制方法包括：

实时检测所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数；其中，所述工作参数包括：水泵转速；

根据检测到的所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数控制所述升压电路输出的母线电压与所述输出电压的倍数维持在预设区间内；

在实时检测所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数之前，还包括：

跟踪所述光伏阵列的最大功率点；

根据所述光伏阵列的最大功率点的输出功率和所述水泵电机的工作参数对所述水泵电机进行控制；

所述根据所述光伏阵列的最大功率点的输出功率和所述水泵电机的工作参数对所述水泵电机进行控制，具体包括：

若所述光伏阵列的最大功率点的输出功率大于或者等于所述水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和，则运行速度控制模式；其中，所述速度控制模式用于将所述水泵电机的当前转速调节至所述水泵电机的额定转速；

若所述光伏阵列的最大功率点的输出功率小于所述水泵电机的额定输出功率，则运行转矩控制模式；其中，所述转矩控制模式用于控制所述水泵电机的输出转矩跟随所述光伏阵列的最大功率点。

2.根据权利要求1所述的光伏水泵控制方法，其特征在于，所述预设区间为[1.1，1.5]。

3.根据权利要求1或2所述的光伏水泵控制方法，其特征在于，所述根据检测到的所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数控制所述升压电路输出的母线电压与所述输出电压的倍数维持在预设区间内，具体包括：

根据所述水泵转速估算所述升压电路需要提供的母线电压最小值；

将所述升压电路的母线电压与所述光伏阵列的输出电压的倍数控制在预设区间内，以使得所述升压电路的母线电压大于或者等于所述母线电压最小值。

4.根据权利要求1所述的光伏水泵控制方法，其特征在于，所述控制所述水泵电机的输出转矩跟随所述光伏阵列的最大功率点，具体包括：

采用最大功率点跟踪扰动得到所述最大功率点；

计算得到所述最大功率点对应的一个基准电压；

对所述基准电压与光伏阵列的输出电压的差值进行比例积分调节得到所述水泵电机运转所需的转矩电流给定值；

采用开环转矩矢量控制算法控制所述水泵电机跟踪所述光伏阵列的最大功率点。

5.根据权利要求4所述的光伏水泵控制方法，其特征在于，将所述水泵电机的当前转速调节至所述水泵电机的额定转速，具体包括：

暂停所述最大功率点跟踪扰动，对所述基准电压与光伏阵列的输出电压的差值进行比例积分调节得到速度补偿量；

获取水泵电机的当前转速；

将所述速度补偿量叠加至所述当前转速；

对叠加后的速度进行开环速度控制及电流矢量控制。

6.根据权利要求5所述的光伏水泵控制方法，其特征在于，在所述将所述速度补偿量叠加至所述当前转速之后，还包括：

若叠加后的转速大于或者等于水泵电机的额定转速，则控制所述水泵电机工作于额定转速。

7.一种光伏水泵控制装置，应用于光伏水泵系统，其特征在于，所述光伏水泵系统包括：用于提供光伏电能的光伏阵列；

直接连接于所述光伏阵列且用于升高母线电压的升压电路；以及，

用于将所述母线电压变换为交流电压以驱动水泵电机的逆变电路；

所述光伏水泵控制装置包括：

检测模块，用于实时检测所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数；其中，所述工作参数包括：水泵转速；

第一控制模块，用于根据检测到的所述光伏阵列的输出功率、输出电压以及所述水泵电机的工作参数控制所述升压电路输出的母线电压与所述输出电压的倍数维持在预设区间内；

所述光伏水泵控制装置还包括：

跟踪模块，用于跟踪所述光伏阵列的最大功率点；

第二控制模块，用于根据所述光伏阵列的最大功率点的输出功率和所述水泵电机的工作参数对所述水泵电机进行控制；

所述第二控制模块具体用于若所述光伏阵列的最大功率点的输出功率大于或者等于所述水泵电机的额定输出功率与预设功率值之和，则运行速度控制模式；其中，所述速度控制模式用于将所述水泵电机的当前转速调节至所述水泵电机的额定转速；

若所述光伏阵列的最大功率点的输出功率小于所述水泵电机的额定输出功率，则运行转矩控制模式；其中，所述转矩控制模式用于控制所述水泵电机的输出转矩跟随所述光伏阵列的最大功率点。