CN107846189B - 一种基于最大电流检测的光伏水泵系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于最大电流检测的光伏水泵系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最大电流检测的光伏水泵系统及其控制方法，至少包括光伏阵列、最大电流检测模块、电流电压采样模块、控制单元、变频逆变模块和水泵，其中，控制单元与最大电流检测模块、电流电压采样模块、和变频逆变模块相连接，用于根据最大电流检测模块所检测的最大电流以及电流电压采样模块所检测的实时电压和实时电流控制变频逆变模块的工作状态；最大电流检测模块并接在光伏阵列的输出端，用于根据控制单元的控制命令，在水泵非工作状态时检测光伏阵列所能输出的最大电流。采用本发明的技术方案，系统根据光伏阵列的最大电流作为开启水泵的判断依据，从而避免在光伏阵列极低输出功率的情况下开启水泵而影响系统的稳定性。

Description

一种基于最大电流检测的光伏水泵系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种基于最大电流检测的光伏水泵系统及其控制方法。
背景技术
目前，太阳能是一种清洁无污染的能源，既可以缓解化学能源日益枯竭的危机，又可以改善日益恶化的生态环境。太阳能光伏水泵系统是太阳能光伏发电的一个应用，其原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后利用这个所转换的电能驱动水泵从水源提水。光伏水泵系统对解决无电偏远地区的人畜饮水、农业灌溉和滴灌系统、城市景观等有广阔的应用前景。
光伏水泵系统一般是离线式无人值守系统，其功能是在利用太阳能从水源提水。但是系统的进水口到出水口存在着高度差，这个高度差由系统所处的环境决定，有时达到上百米。当光伏阵列的输出功率低而驱动水泵转动，此时水泵转动所带来的水压可能无法克服这个高度差。当系统处于这个状况时，系统不出水，水泵处于无效空转状态。水泵的无效转动既浪费了光伏阵列所产生的能源，又增加了水泵无谓损耗，这不利于水泵系统的工作。现有技术通常取样空载时光伏阵列的输出电压作为判断光伏阵列输出能力的依据，然而，输出电压并不能很好的反应光伏阵列输出能力，当阳光较弱时开启水泵，光伏阵列的输出电压瞬间被拉低，造成系统处在重复的启停状态，既影响系统的稳定性，又易损坏系统硬件。
故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种基于最大电流检测的光伏水泵系统及其控制方法，通过设置最大电流检测模块检测光伏阵列的最大电流，从而能够预先获取光伏阵列的输出能力，达到有效控制水泵的目的。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于最大电流检测的光伏水泵系统，至少包括光伏阵列(1)、最大电流检测模块(2)、电流电压采样模块(3)、控制单元(4)、变频逆变模块(5)和水泵(6)，其中，
所述光伏阵列(1)由太阳能电池串并联组成，用于将太阳光能量转化为电能；
所述控制单元(4)与所述最大电流检测模块(2)、电流电压采样模块(3)、和变频逆变模块(5)相连接，用于根据所述最大电流检测模块(2)所检测的最大电流以及所述电流电压采样模块(3)所检测的实时电压和实时电流控制所述变频逆变模块(5)的工作状态；
所述变频逆变模块(5)用于根据所述控制单元(4)的控制命令将光伏阵列(1)产生的直流电转变为一定频率的交流电并使所述水泵(6)运转功率与所述光伏阵列(1)的输出功率相适应；
所述最大电流检测模块(2)并接在所述光伏阵列(1)的输出端，用于根据控制单元(4)的控制命令，在所述水泵(6)非工作状态时检测所述光伏阵列(1)所能输出的最大电流，所述控制单元(4)根据该最大电流控制所述水泵(6)是否开启；
所述电流电压采样模块(3)用于在所述水泵(6)工作状态时检测所述光伏阵列(1)的实时电压和实时电流并反馈给所述控制单元(4)，所述控制单元(4)根据所述光伏阵列(1)输出的最大功率点控制所述水泵(6)的工作状态使其工作在最大功率点附近。
优选地，还包括断水满水保护装置(7)，所述断水满水保护装置(7)用于检测所述水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况并反馈给所述控制单元(4)。
优选地，还包括充电模块(8)和蓄电池组(9)，所述充电模块(8)用于根据控制单元(4)的控制命令将所述光伏阵列(1)产生的直流电经转换充入蓄电池组(9)。
优选地，所述控制单元(4)由单片机及其运行在该单片机上的控制程序组成。
优选地，所述最大电流检测模块(2)进一步包括开关管和采样电阻，所述开关管的基极受控于所述控制单元(4)，所述开关管的集电极与所述光伏阵列(1)的正输出端相连接，所述开关管的发射极与所述采样电阻的一端相连接，所述采样电阻的另一端与所述光伏阵列(1)的负输出端相连接；所述控制单元(4)控制所述开关管处于导通状态或截止状态，所述开关管处于导通状态时，使所述光伏阵列(1)的输出端短接，所述控制单元(4)采集所述采样电阻两端的电压进而获取最大电流值。
优选地，所述断水满水保护装置(7)至少包括断水传感器和满水传感器。
优选地，还包括设置显示单元(10)，所述设置显示单元(10)用于设置起始条件的参数设定。
为了克服现有技术的缺陷，本发明还公开了一种基于最大电流检测的光伏水泵的控制方法，包括以下步骤：
水泵(6)处于非工作状态时获取光伏阵列(1)所能输出的最大电流；
根据最大电流判断光伏阵列(1)当前输出能力是否符合水泵(6)的出水条件，如果是，则开启水泵，如果否，则对蓄电池组(9)进行充电；
水泵(6)处于工作状态时获取获取光伏阵列(1)的实时电压和实时电流；
根据获取的实时电压和电流参数，计算光伏阵列(1)的输出功率，运行最大功率跟踪算法，实时调控水泵(6)的工作频率使系统工作在最大功率点附近。
优选地，还包括以下步骤，水泵(6)处于工作状态时，当光伏阵列(1)输出功率不符合水泵(6)的出水条件时，则关闭水泵(6)。
优选地，还包括以下步骤：
获取水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况；
当水泵(6)处于缺水情况或水箱处于满水情况时，则关闭水泵(6)。
与现有技术相比较，本发明的技术方案具有以下技术效果：
1.系统根据检测的光伏阵列的最大电流作为判断依据，当光伏阵列的输出功率可以使系统出水时才开启水泵，避免在光伏阵列极低输出功率的情况下开启水泵而影响系统的稳定性；
2.系统在阳光基本能保证出水的情况下才开启水泵，减少了水泵的无效空转，增加水泵的使用寿命；
3.系统区分了能出水和不能出水两种状态，为更为有效的利用光伏水泵系统的能源提供先决条件。水泵系统的能源综合利用主要是体现在如何利用光伏阵列的输出功率无法满足水泵出水要求时的这部分能量，在水泵不工作时，光伏阵列的输出能量对蓄电池充电，提高系统的能源利用率。
4.系统在水泵工作时采用最大功率跟踪，使得系统始终工作在功率输出的最大的状态，有效的利用了太阳能；
5.系统带有断水和满水保护功能，提高了系统的稳定性。
附图说明
图1为太阳能电池的伏安特性曲线。
图2为本发明基于最大电流检测的光伏水泵系统的系统框图。
图3为最大电流检测模块的电路原理图。
图4为进行最大功率采样的控制流程。
图5为本发明方法具体的控制流程图。
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
现有技术中，光伏水泵系统一般是离线式无人值守系统，然而太阳光的强度受天气影响随机性较大，当阳光较弱时开启水泵，光伏阵列的输出电压瞬间被拉低，造成系统处在重复的启停状态。现有技术通常取样空载时光伏阵列的输出电压作为判断光伏阵列输出能力的依据，然而，输出电压并不能很好的反应光伏阵列输出能力，只有在开启水泵之后，才能通过最大功率点跟踪获知当前光伏阵列输出能力是否符合水泵出水条件，然而这样会造成水泵处于重复的启停状态，水泵工作在无效空转状态，既浪费了光伏阵列所产生的能源，又极易造成水泵的损坏。
为了解决上述技术问题，申请人深入研究了太阳能电池的特性，参见图1，所示为太阳能电池的伏安特性曲线，根据太阳能电池的特性，输出电压在最大工作点电压Vm以下区域具有恒流源特性，在Vm以上区域具有恒压源特性，输出电流的大小和光照强度有关，光伏阵列的最大电流实际反映了光伏阵列的功率输出能力。光伏阵列输出电压的高低不能正确反映光伏阵列输出功率的大小，因为在光伏阵列输出轻载时，输出电压的变化很小。
参见图2，所示为本发明基于最大电流检测的光伏水泵系统的系统框图，至少包括光伏阵列(1)、最大电流检测模块(2)、电流电压采样模块(3)、控制单元(4)、变频逆变模块(5)和水泵(6)，其中，
光伏阵列(1)由太阳能电池串并联组成，用于将太阳光能量转化为电能，光伏阵列经阳光照射产生随着光强和光入射角度变化而变化的直流电；
控制单元(4)与最大电流检测模块(2)、电流电压采样模块(3)、和变频逆变模块(5)相连接，用于根据最大电流检测模块(2)所检测的最大电流以及电流电压采样模块(3)所检测的实时电压和实时电流控制变频逆变模块(5)的工作状态；
变频逆变模块(5)用于根据控制单元(4)的控制命令将光伏阵列(1)产生的直流电转变为一定频率的交流电并使水泵(6)运转功率与光伏阵列(1)的输出功率相适应；
最大电流检测模块(2)并接在光伏阵列(1)的输出端，用于根据控制单元(4)的控制命令，在水泵(6)非工作状态时检测光伏阵列(1)所能输出的最大电流，控制单元(4)根据该最大电流控制水泵(6)是否开启；
电流电压采样模块(3)用于在水泵(6)工作状态时检测光伏阵列(1)的实时电压和实时电流并反馈给控制单元(4)，控制单元(4)根据光伏阵列(1)输出的最大功率点控制水泵(6)的工作状态使其工作在最大功率点附近。
在一种优选实施方式中，还包括断水满水保护装置(7)，断水满水保护装置(7)用于检测水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况并反馈给控制单元(4)。断水满水保护装置(7)由水位传感器组成，至少包括断水传感器和满水传感器。控制单元(4)根据水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况控制本系统的工作。从而能够适时的关闭水泵运行，以保护系统。
在一种优选实施方式中，还包括充电模块(8)和蓄电池组(9)，充电模块(8)用于根据控制单元(4)的控制命令将光伏阵列(1)产生的直流电经转换充入蓄电池组(9)。
在一种优选实施方式中，控制单元(4)由单片机及其运行在该单片机上的控制方法组成。
在一种优选实施方式中，还包括设置显示单元(10)，设置显示单元(10)用于设置起始条件的参数设定。使得系统可以满足不同安置环境所带来的起始条件的变化，具有适应不同环境的功能。
采用上述技术方案，由于本发明在光伏阵列的输出端设置了最大电流检测模块，从而能够检测光伏阵列的最大电流；进而系统根据所检测的光伏阵列最大电流，判断系统此时的输出功率，由此决定系统是否开启水泵。从而避免在光伏阵列极低输出功率的情况下开启水泵而影响系统的稳定性；系统在阳光基本能保证出水的情况下才开启水泵，减少了水泵的无效空转，增加水泵的使用寿命。
参见图3，所示为最大电流检测模块(2)的电路原理图，最大电流检测模块(2)进一步包括开关管和采样电阻，开关管的基极受控于控制单元(4)，开关管的集电极与光伏阵列(1)的正输出端相连接，开关管的发射极与采样电阻的一端相连接，采样电阻的另一端与光伏阵列(1)的负输出端相连接；控制单元(4)控制开关管处于导通状态或截止状态，开关管处于导通状态时，使光伏阵列(1)的输出端短接，控制单元(4)采集采样电阻两端的电压进而获取最大电流值。
本发明采用瞬间测量光伏阵列输出短路电流的方法，此时光伏阵列的输出电流近似为最大电流。图中Control是控制信号，用于控制IGBT管T1的门极(G),T1是可以通过大电流的IGBT管，R3为采样电阻。当Control为高电平时，T1的集电极(C端)和发射极(E端)导通，光伏阵列的电流从R3流过，产生电压差，然后放大电路将R3的电压放大，系统再采样放大信号，从而得到与最大电流相对应的电压值，通过控制模块采样该电压值获取最大电流值。由于仅在光伏阵列的并接开关管使其短接，从而仅需少量的元件便能实现最大电流检测，从而无需改变原有系统硬件框架；同时，采样电阻的阻值极低，一般可以选阻值小于1欧的功率电阻，因此，在最大电流检测过程也几乎不会消耗能量。
参见图4，所述为进行最大功率采样的控制流程。其中，T为秒级时间，如为5秒左右。因为IGBT短路的瞬间通过R3的电流并不稳定，需要等待一段时间，这个时间t2的级别为微秒级，如为300us左右，最大电流的采样时间很短，在1ms以内，所以在秒级的时间间隔中，中断一个1ms进行最大电流的采样，并不影响系统的正常运行。根据流程图，系统只在两种情况下进行最大电流的采样：一种是系统开始通电运行，此时水泵和充电设备均在关闭状态；另一种是系统处于充电状态。当系统处于水泵运行状态时，由于系统进行MPPT控制，可以从当前系统的输出功率来判断水泵光伏阵列的功率输出能力。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明还提出了一种基于最大电流检测的光伏水泵的控制方法，包括以下步骤：
水泵(6)处于非工作状态时获取光伏阵列(1)所能输出的最大电流；
根据最大电流判断光伏阵列(1)当前输出能力是否符合水泵(6)的出水条件，如果是，则开启水泵，如果否，则对蓄电池组(9)进行充电；
水泵(6)处于工作状态时获取获取光伏阵列(1)的实时电压和实时电流；
根据获取的实时电压和电流参数，计算光伏阵列(1)的输出功率，运行最大功率跟踪算法，实时调控水泵(6)的工作频率使系统工作在最大功率点附近。
采用上述技术方案，若光伏阵列的输出功率满足水泵开启的要求，则开启水泵，水泵运行后控制单元根据采样的电压和电流值，实时计算光伏阵列的输出功率，运行最大功率跟踪算法，实时调控变频逆变模块，使系统工作在最大功率点附近，提高了系统效率；当输出功率过低时则关闭水泵。
在一种优选实施方式中，还包括以下步骤，水泵(6)处于工作状态时，当光伏阵列(1)输出功率不符合水泵(6)的出水条件时，则关闭水泵(6)。
在一种优选实施方式中，还包括以下步骤：
获取水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况；
当水泵(6)处于缺水情况或水箱处于满水情况时，则关闭水泵(6)。
参见图5，所示为本发明具体的控制流程图，系统循环运行，主要分为水泵工作和水泵不工作两种状态。
当系统处于水泵不工作状态时，控制单元(4)控制充电模块(8)对蓄电池组(9)进行充电，同时进行是否开启水泵工作的判断。开启水泵工作的充要条件是系统不处于断水或者满水状况，同时光伏阵列(1)的最大电流和电压满足开启条件。水井的水位和出水口存在高度差，当光伏阵列(1)的输出能力不足以克服这个高度差时水泵工作，水泵将处于空转状态。这无谓的转动一是增加了机械的磨损缩短了水泵寿命，一个是浪费了光伏阵列(1)产生的电能。
根据太阳能电池特性，光伏阵列(1)的最大电流反映了光伏阵列(1)的功率输出能力，系统的控制规程配合最大电流检测电路(2)，根据实时检测的最大电流值，以作为水泵开启的判断依据，由此提高光伏阵列(1)产生电能的利用率，也减少了水泵的无谓磨损。
当系统处于水泵工作状态时，对水泵的运行进行实时的MPPT方式控制，使得光伏阵列(1)能够输出最大功率。同时，系统实时判定是否关闭水泵。判定的条件主要有两个：一个是系统处于断水或者满水状况；一个是水泵的运行功率过低，也就是太阳能电池的输出功率过低。为了避免误动，系统设置了时间t，当水泵在低运行功率状况下工作超过时间t时，才关闭水泵工作，避免在阳光多变的情况下，水泵反复启停，增加系统的稳定性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于最大电流检测的光伏水泵系统，其特征在于，至少包括光伏阵列(1)、最大电流检测模块(2)、电流电压采样模块(3)、控制单元(4)、变频逆变模块(5)和水泵(6)，其中，
所述光伏阵列(1)由太阳能电池串并联组成，用于将太阳光能量转化为电能；
所述控制单元(4)与所述最大电流检测模块(2)、电流电压采样模块(3)、和变频逆变模块(5)相连接，用于根据所述最大电流检测模块(2)所检测的最大电流以及所述电流电压采样模块(3)所检测的实时电压和实时电流控制所述变频逆变模块(5)的工作状态；
所述变频逆变模块(5)用于根据所述控制单元(4)的控制命令将光伏阵列(1)产生的直流电转变为一定频率的交流电并使所述水泵(6)运转功率与所述光伏阵列(1)的输出功率相适应；
所述最大电流检测模块(2)并接在所述光伏阵列(1)的输出端，用于根据控制单元(4)的控制命令，在所述水泵(6)非工作状态时检测所述光伏阵列(1)所能输出的最大电流，所述控制单元(4)根据该最大电流控制所述水泵(6)是否开启；
所述电流电压采样模块(3)用于在所述水泵(6)工作状态时检测所述光伏阵列(1)的实时电压和实时电流并反馈给所述控制单元(4)，所述控制单元(4)根据所述光伏阵列(1)输出的最大功率点控制所述水泵(6)的工作状态使其工作在最大功率点附近；
所述控制单 元(4)由单片机及其运行在该单片机上的控制程序组成。
2.根据权利要求1所述的基于最大电流检测的光伏水泵系统，其特征在于，还包括断水满水保护装置(7)，所述断水满水保护装置(7)用于检测所述水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况并反馈给所述控制单元(4)。
3.根据权利要求1所述的基于最大电流检测的光伏水泵系统，其特征在于，还包括充电模块(8)和蓄电池组(9)，所述充电模块(8)用于根据控制单元(4)的控制命令将所述光伏阵列(1)产生的直流电经转换充入蓄电池组(9)。
4.根据权利要求1所述的基于最大电流检测的光伏水泵系统，其特征在于，所述最大电流检测模块(2)进一步包括开关管和采样电阻，所述开关管的基极受控于所述控制单元(4)，所述开关管的集电极与所述光伏阵列(1)的正输出端相连接，所述开关管的发射极与所述采样电阻的一端相连接，所述采样电阻的另一端与所述光伏阵列(1)的负输出端相连接；所述控制单元(4)控制所述开关管处于导通状态或截止状态，所述开关管处于导通状态时，使所述光伏阵列(1)的输出端短接，所述控制单元(4)采集所述采样电阻两端的电压进而获取最大电流值。
5.根据权利要求2所述的基于最大电流检测的光伏水泵系统，其特征在于，所述断水满水保护装置(7)至少包括断水传感器和满水传感器。
6.根据权利要求1所述的基于最大电流检测的光伏水泵系统，其特征在于，还包括设置显示单元(10)，所述设置显示单元(10)用于设置起始条件的参数设定。
7.如权利要求1所述的基于最大电流检测的光伏水泵系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
水泵(6)处于非工作状态时获取光伏阵列(1)所能输出的最大电流；
根据最大电流判断光伏阵列(1)当前输出能力是否符合水泵(6)的出水条件，如果是，则开启水泵，如果否，则对蓄电池组(9)进行充电；
水泵(6)处于工作状态时获取光伏阵列(1)的实时电压和实时电流；
根据获取的实时电压和电流参数，计算光伏阵列(1)的输出功率，运行最大功率跟踪算法，实时调控水泵(6)的工作频率使系统工作在最大功率点附近。
8.根据权利要求7所述的基于最大电流检测的光伏水泵的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤，水泵(6)处于工作状态时，当光伏阵列(1)输出功率不符合水泵(6)的出水条件时，则关闭水泵(6)。
9.根据权利要求7所述的基于最大电流检测的光伏水泵的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
获取水泵(6)的缺水情况以及水箱的满水情况；
当水泵(6)处于缺水情况或水箱处于满水情况时，则关闭水泵(6)。
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