CN108233406A - 太阳能泵系统和用于控制太阳能泵系统的方法 - Google Patents

太阳能泵系统和用于控制太阳能泵系统的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种太阳能泵系统。该太阳能泵系统包括被配置为从太阳光生成DC电力的太阳能模块、水泵、被配置为将DC电力转换成AC电力以便驱动水泵的逆变器以及被配置为生成用于控制AC电力的输出频率的控制信号的控制器。所述控制器将DC链路电压与第一参考电平进行比较，如果DC链路电压大于第一参考电平则调整AC电力的输出频率，并且如果DC链路电压小于第一参考电平则确定输出频率以防止DC链路电压等于或小于第二参考电平。

Description

太阳能泵系统和用于控制太阳能泵系统的方法
技术领域
本发明涉及太阳能泵系统和控制该太阳能泵系统的方法。
背景技术
太阳能泵系统指的是一种通过逆变器使用由太阳能模块生成的能量来驱动泵并生成和供应淡水的系统。此类太阳能泵系统可以最有效地供应水和电。该太阳能泵系统被用于在其中供水基础设施不足的地区中供应饮用水或农业用水或海水淡化水。此外，太阳能泵系统被认为是一种用于在其中难以供应电力的偏远地区中泵送和供应地下水而无需供应额外能量以解决偏远地区中的水和电力短缺问题的最佳系统。在2004年印度政府准许了50,000个太阳能泵的安装，用于灌溉水和饮用水供应，并且已经增加了太阳能泵的数目直到现在。
同时，在用于使用太阳光生成电力的太阳能逆变器中的一种重要的控制方法是最大功率点跟踪(MPPT)控制方法。太阳能逆变器总是通过用于跟踪太阳能电池的最大功率生成点的MPPT控制来生成最大功率。
MPPT控制方法的基本控制方法是爬山法。在此方法中，将占空比改变预定的位移(displacement)以找到最大功率点。在爬山法中，控制器是简单的，但是当太阳辐射的量快速变化时最大功率点估计速度是低的。
MPPT控制方法的最一般的控制方法是扰动观察法。在此方法中，根据电压的增大或减小来测量功率变化以在最大功率点处执行操作。然而，在此方法中，当光的量为低时，控制特性可能变差。
同时，在MPPT控制方法的增量电导法中，使用了当负载的阻抗等于太阳能电池的阻抗时太阳能电池输出最大值的特性。增量电导法在跟踪性能方面是优秀的但是需要许多复杂的操作。
图1是示出常规太阳能泵系统的配置的示意图。
在常规太阳能泵系统中，用于控制逆变器100的控制器200接收逆变器100的输入电流和输出电流，并且逆变器100使用传感器来检测电压和电流以执行MPPT控制。常规太阳能泵系统应该精确地检测电压和电流。然而，当检测精度增加时，在太阳能泵系统中所设置的传感器的价格也增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于使用逆变器的DC链路电压而不使用额外的传感器来跟踪最大功率的太阳能泵系统和控制该太阳能泵系统的方法。
可以通过提供一种太阳能泵系统来实现本发明的目的，该太阳能泵系统包括被配置为从太阳光生成DC电力的太阳能模块、水泵、被连接在太阳能模块与水泵之间以将DC电力转换成AC电力以便驱动水泵的逆变器、以及被配置为生成用于控制AC电力的输出频率使得DC电力的DC链路电压被恒定地维持的控制信号的控制器，其中控制器将DC链路电压与第一参考电平进行比较，如果DC链路电压大于第一参考电平则调整AC电力的输出频率，并且如果DC链路电压小于第一参考电平则确定输出频率以防止DC链路电压等于或小于第二参考电平。
在本发明的另一方面，本文提供了一种用于控制太阳能泵系统的方法，太阳能泵系统用于对用于将从太阳能模块接收到的DC电力转换成AC电力的逆变器进行控制，该方法包括将DC链路电压与第一参考电平进行比较，如果DC链路电压大于第一参考电平则调整AC电力的输出频率，并且如果DC链路电压小于第一参考电平则确定输出频率以防止DC链路电压等于或小于第二参考电平。
附图说明
图1是示出常规太阳能泵系统的配置的示意图。
图2是示出根据本发明实施例的太阳能泵系统的示意图。
图3是示出根据本发明实施例的控制太阳能泵系统的方法的流程图。
图4是详细地示出图3的步骤S36的流程图。
具体实施方式
为了提供对本发明的配置和效果的完全理解，将参照附图来描述本发明的优选实施例。然而，本发明不限于下面的实施例而可以被进行各种修改。给出本实施例的描述使得本发明的公开将是透彻且完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在附图中，为了描述的方面，元件的尺寸可以大于其实际尺寸，并且元件的比例可以被放大或缩小。
在其中部件被“连接”或“耦合”至另一部件的情况下，部件可以被直接或经由中介部件(interposing component)相互连接或耦合。在其中部件被“直接连接或耦合”至另一部件的情况下，将理解的是不存在中介部件。描述元件之间关系的诸如“在之间”或“直接在之间”的其他表达可以被类似地理解。
将理解的是，尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件，但这些元件不应该受限于这些术语。这些术语仅被用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在不脱离本发明的范围情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。
除非上下文清楚地指明，否则单数表达可以包括复数表达。将进一步理解的是术语“包括”和/或“具有”当被用在本说明书中时说明所述的特征、整体(interger)、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在。
除非另有说明，否则本发明的实施例中所使用的术语具有与由本发明所属技术领域的普通技术人员一般理解的含义相同的含义。
在下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。
图2是示出根据本发明实施例的太阳能泵系统的示意图。
如图2所示，根据本发明实施例的太阳能泵系统可以包括太阳能模块2、电磁兼容性(EMC)滤波器3和熔断器4。
太阳能模块2可以从太阳光生成电力。EMC滤波器3可以将从太阳能模块2接收到的电力中所生成的电磁干扰最小化并且防止由于此类电磁干扰引起的损坏，从而保护频率。熔断器4可以阻断过大电流。然而，EMC滤波器3和熔断器4仅是示例性的，并且可以提供用于消除从太阳能模块2接收到的电力中所生成的噪声的各种部件。
可以通过EMC滤波器3和熔断器4将从其消除噪声的DC电压供应给逆变器设备5。
逆变器设备5的DC链路电容器51可以从太阳能模块2通过EMC滤波器3和熔断器4来接收DC电压。DC链路电容器51可以将DC电压转换成DC链路电压。已转换的DC链路电压可以被供应给控制器1。控制器1可以基于DC链路电压生成开关信号并且将所生成的开关信号供应给逆变器52。开关信号可以控制逆变器52的开关元件的开关。也就是说，可以通过由控制器1提供的开关信号来控制AC电力的输出频率，下面将对其进行描述。开关信号是控制信号，例如，PWM信号。当改变PWM信号的占空比时，可以改变逆变器52的接通时间(ON time)或接通周期(ON period)并且因此可以改变从逆变器52输出的AC电力的输出频率。
可以响应于从控制器1接收到的开关信号而开关逆变器52以将DC电力转换成AC电力。
可以通过太阳辐射的量来改变逆变器设备5的DC链路电压中的变化。例如，如果DC链路电压是充足的则可以减小DC链路电压中的变化，并且如果DC链路电压是不足的则可以增大DC链路电压中的变化。
可以通过从逆变器设备5的逆变器52输出的AC电力来驱动水泵6。可以将由水泵泵送的水存储在水箱7中。在水箱7中存储的水可以被用作饮用水、工业用水、农业用水、畜牧用水等。
在本发明的一个实施例中，太阳能泵系统可以进一步包括用于检测逆变器设备5的DC链路电容器51的DC链路电压的电压传感器53和用于检测逆变器52的输出电流的电流传感器。
如果遇到快速频率变化，水泵6可能出故障。为了防止故障，根据本发明实施例的控制方法，如果DC链路电压是充足的则可以稳定地减小或增大频率，并且如果DC链路电压是不足的(即，如果DC链路电压是等于或小于预定的参考电压)则可以快速地减小频率。DC链路电压是充足的可以意味着DC链路电压等于或大于参考值。DC链路电压是不足的可以意味着DC链路电压等于或小于参考值。通过本发明实施例的控制方法，即使当DC链路电压充足或不足时也可以不再减小DC链路电压，使得由太阳能模块2生成的能量被最大化地使用在其中不产生电压问题的状态中。
惯例地，为了驱动水泵，将DC链路电压用作用于生成逆变器100的PWM输出波形和检测低电压/过电压的信息。然而，在本发明的一个实施例中，可以连续地检查DC链路电压中的增大或减小并且可以改变输出频率以便防止根据太阳辐射的量的DC链路电压中的快速变化。
DC链路电压中的快速增大导致过电压问题，DC链路电压中的快速减小导致低电压问题，并且水泵6不可以在低电压和高电压状态中操作。类似于快速的频率变化，水泵6的操作状态中的频繁停止或改变可以导致显著的能量损失和水泵6的故障。
在根据本发明实施例的控制方法中，可以确定逆变器52的AC电力的输出频率使得水泵6不被频繁地停止，其操作状态不被改变，或者输出频率不被快速地改变。
图3是示出根据本发明实施例的控制太阳能泵系统的方法的流程图。
如图3所示，根据本发明实施例的控制太阳能泵系统的方法与图2的控制器1的操作有关，并且将参照图2和图3对其进行描述。
控制器1可以从电压传感器53接收DC链路电压(S31)。控制器1可以检查接收到的DC链路电压是否大于参考电平(S32)。也就是说，控制器1可以通过将DC链路电压与参考电平进行比较而检查DC链路电压是否是充足的或不足的。
如果DC链路电压是充足的，即，如果DC链路电压等于或大于参考电平，则控制器1可以检查接收到DC链路电压是否被减小(S33)。
如果DC链路电压被减小，则控制器1可以将AC电力的输出频率减小预定的水平(S34)。可以生成控制信号使得逆变器52的输出频率被减小。例如，控制信号可以是PWM信号。例如，可以根据已减小的输出频率来改变PWM信号。例如，可以增大PWM信号的占空比。
可以将已改变的PWM信号供应给逆变器52。可以响应于PWM信号而开关逆变器52以减小从逆变器52输出的AC电力的输出频率。可以通过AC电力的已减小的输出频率来减小水泵7的速度，并且因此可以增大DC链路电压。
同时，如果作为S33的检查的结果，DC链路电压没有被减小，即，如果DC链路电压是稳定的或增大的，则控制器1可以增大用于控制逆变器52的输出频率(S35)。可以通过增大的输出频率来改变PWM信号。例如，可以减小PWM信号的占空比。
可以将已改变的PWM信号供应给逆变器52。可以响应于PWM信号而开关逆变器52以增大从逆变器52输出的AC电力的输出频率。可以通过AC电力的增大的输出频率来增大水泵6的速度，并且因此可以减小DC链路电压。
也就是说，根据本发明的控制方法，如果逆变器的DC链路电压是充足的，则输出频率可以被增大或减小，并且水泵6可以以最高速度操作最长的时间。
同时，如果作为S32的检查结果，DC链路电压不大于参考电平，即，如果DC链路电压是不足的，则控制器1可以确定输出频率以防止DC链路电压被减小到等于或小于预定的参考电平(S35)。
图4是详细地示出图3的步骤S36的流程图。
如图4所示，为了确定输出频率以防止DC链路电压被减少到等于或小于参考电平，控制器1可以确定是否发生了电力故障(S41)。在此时，当DC链路电压小于电力故障的参考电平时，则可以确定发生了电力故障。
如果作为S41的检查结果，没有发生电力故障，当DC链路电压等于或小于参考电平时，预定的要被输出的频率指令可以被输出作为输出频率(S42)。因此，如果DC链路电压被减小到等于或小于参考电平，则控制器1可以减小水泵6的操作速度以防止DC链路电压被进一步减小，从而充分利用由太阳能模块2所生成的能量。
可替选地，如果作为S41的检查结果，发生了电力故障，则控制器1可以根据从电流传感器54接收到的逆变器设备5的输出电流来估计转差频率(S43)。根据逆变器设备5的输出电流来估计转差频率的各种方法在本发明的技术领域中是众所周知的，并且因此将省略其详细描述。此外，控制器1可以确定DC链路电压与DC链路参考电平之间的误差(S44)。之后，当发生电力故障时，控制器1可以通过将预定的频率指令、转差频率以及DC链路电压与DC链路参考电平之间的误差相加来确定最终输出频率。可以通过最终输出频率来开关逆变器52并且通过逆变器52的开关来驱动水泵6。
也就是说，如果DC链路电压由电力故障而被减小，则当发生电力故障时控制器1基于频率指令、转差频率以及DC链路电压与DC链路参考电平之间的误差来确定最终输出频率，使得防止DC链路电压被进一步减小同时通过使用最终输出频率而开关逆变器52来减小水泵6的操作速度。
在本发明中，由于不要求逆变器输出的精确感测且使用DC链路电压来跟踪最大功率，所以容易地充分利用由太阳能模块生成的能量是可能的。
尽管已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离所附权利要求中描述的本发明的精神或范围的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化。因此，应该由下面的权利要求来确定本发明的技术范围。

Claims (10)

1.一种太阳能泵系统，包括：
被配置为从太阳光生成DC电力的太阳能模块；
水泵；
逆变器，其被连接在所述太阳能模块与所述水泵之间以将所述DC电力转换成AC电力以便驱动所述水泵；以及
控制器，其被配置为生成用于控制所述AC电力的输出频率使得所述DC电力的DC链路电压被恒定地维持的控制信号，
其中，所述控制器：
将所述DC链路电压与第一参考电平进行比较，
如果所述DC链路电压大于所述第一参考电平，则调整所述AC电力的输出频率，并且
如果所述DC链路电压小于所述第一参考电平，则确定所述输出频率以防止所述DC链路电压等于或小于第二参考电平。
2.根据权利要求1所述的太阳能泵系统，其中，如果所述DC链路电压大于所述第一参考电平，则所述控制器检查所述DC链路电压是否被减小，并且如果所述DC链路电压被减小，则所述控制器减小所述AC电力的输出频率。
3.根据权利要求1所述的太阳能泵系统，其中，如果所述DC链路电压是稳定的或增大的，则所述控制器增大所述AC电力的输出频率。
4.根据权利要求1所述的太阳能泵系统，其中，如果所述DC链路电压小于所述第一参考电平，则所述控制器检查是否发生了电力故障，并且如果没有发生电力故障，则所述控制器将预定的频率指令确定为输出频率。
5.根据权利要求4所述的太阳能泵系统，其中，如果发生了电力故障，则所述控制器基于所述预定的频率指令、转差频率以及所述DC链路电压与第三参考电平之间的误差来确定所述输出频率。
6.根据权利要求5所述的太阳能泵系统，其中，通过将所述预定的频率指令、所述转差频率以及所述DC链路电压与所述第三参考电平之间的误差相加来获得已确定的输出频率。
7.一种控制太阳能泵系统的方法，所述太阳能泵系统用于对用于将从太阳能模块接收到的DC电力转换成AC电力的逆变器进行控制，所述方法包括：
将DC链路电压与第一参考电平进行比较，
如果所述DC链路电压大于所述第一参考电平，则调整所述AC电力的输出频率，以及
如果所述DC链路电压小于所述第一参考电平，则确定所述输出频率以防止所述DC链路电压等于或小于第二参考电平。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定所述输出频率包括：
如果所述DC链路电压大于所述第一参考电平，则检查所述DC链路电压是否被减小；
如果所述DC链路电压被减小，则减小所述AC电力的输出频率；以及
如果所述DC链路电压是稳定的或增大的，则增大所述AC电力的输出频率。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，确定所述输出频率进一步包括：
如果所述DC链路电压小于所述第一参考电平，则检查是否发生了电力故障；
如果没有发生电力故障，则将预定的频率指令确定为所述输出频率；
如果发生了电力故障，则基于所述预定的频率指令、转差频率和误差信息来确定所述输出频率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，通过将所述预定的频率指令、所述转差频率以及所述DC链路电压与第三参考电平之间的误差相加来获得已确定的输出频率。
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