CN108808822A - 一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法 - Google Patents

一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法，包括：光伏阵列、双向AC‑DC变换器、第一及第二DC‑DC变换器、三相逆变器、三相交流水泵、起动控制器、MPPT控制器，市电补偿控制器，第一DC‑DC变换器变换光伏阵列输出电压；双向AC‑DC变换器在光伏功率不足时补充负载所缺功率，在光伏功率充足时将多余功率回馈到电网；第二DC‑DC变换器提升直流母线电压；三相逆变器驱动三相交流水泵；MPPT控制器追踪光伏阵列最大功率；起动控制器起动水泵；市电补偿控制器决定双向AC‑DC变换器功率流动方向。本发明通过监测直流母线电压变化，判断光伏阵列输出功率与负载的关系，补偿光伏输出不足功率或回收剩余功率，最大限度地利用太阳能，同时保证水泵系统全天候不间断运行。

Description

一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法
技术领域
本发明涉及水泵领域，具体地涉及一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法。
背景技术
传统光伏水泵系统通常以太阳能为唯一能量来源，只有光照强度满足一定要求时才能出水，这对光伏水泵系统的工作时间产生了较大的限制。此外，在光照强度剧烈变化时，将可能导致系统频繁起停，对系统造成较大冲击，影响系统稳定性和生产效率。因此，传统光伏水泵系统在应用于大型工厂、居民生活园区等需要大量稳定用水的场合时仍有一定困难。
专利文献CN206775228U公开了一种交流光伏水泵的功率补偿控制器，用蓄电池或超级电容等作为蓄能模块，蓄能模块通过市电充电，在光伏阵列输出电压低于阈值时接入蓄能模块，实现功率补偿。但是由于蓄电池污染大、使用寿命短，而超级电容价格较高，从而加重了系统维护和建设成本。
专利文献CN206111450U公开了一种光伏水泵系统，采用市电作为补充能源，在光伏能源供应完全跟不上时，切换到市电电源。该方法光伏能源和市电电源均单独工作，两者互相切换，光伏能源在有所剩余但不能满足系统运行要求时不能得到充分利用。
专利文献CN202746137U公开了一种太阳能市电互补光伏水泵系统，根据光伏阵列输出功率情况，在保证光伏功率最大输出的情况下引入市电进行补充。但是，该方法只考虑光伏阵列输出功率不足的情况，在光伏阵列输出功率过剩时没有具体回收措施，造成能源浪费。
此外，为比较光伏侧和负载侧的功率大小，还需要分别加装功率测量装置，增加了系统复杂度和建设成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法，补偿光伏阵列输出不足功率或回收剩余功率，最大限度地利用太阳能，同时实现水泵系统全天候不间断运行。
本发明是根据以下技术方案实现的：
一种适用于水泵系统的光伏市电补偿装置，其特征在于，包括：光伏阵列、第一DC-DC变换器、双向AC-DC变换器、第二DC-DC变换器、三相逆变器、三相交流水泵、起动控制器、MPPT控制器，以及市电补偿控制器，所述第一DC-DC变换器的输入端与所述光伏阵列输出端相连接，所述第一DC-DC变换器的输出端连接到直流母线上，所述双向AC-DC变换器的输入端连接单相交流市电，所述双向AC-DC变换器的输出端连接到直流母线上，所述第二DC-DC变换器的输入端连接到直流母线上，所述第二DC-DC变换器的输出端与所述三相逆变器输入端相连，所述MPPT控制器采集光伏阵列的输出电压和电流，并输出控制信号到第一DC-DC变换器，所述市电补偿控制器采集直流母线电压和三相逆变器输出频率，并输出控制信号到双向AC-DC变换器，其中：
所述光伏阵列将太阳能转换为直流电能给各部件进行供电；所述第一DC-DC变换器完成光伏阵列输出电压的变换，并且所述第一DC-DC变换器在系统起动时工作在输出电压稳定模式，在系统起动完成后工作在MPPT模式；所述第二DC-DC变换器提升直流母线电压，使其满足所述三相逆变器输入要求；
所述三相逆变器将直流电转换为所述三相交流电以驱动三相交流水泵，之后所述三相交流水泵完成扬水功能；所述起动控制器采用变压变频方式控制所述三相交流水泵起动过程；
所述MPPT控制器通过控制所述第一DC-DC变换器，追踪所述光伏阵列最大功率点，使所述光伏阵列输出最大功率；
所述双向AC-DC变换器在光伏阵列输出功率小于负载功率时工作在整流状态，补充负载所缺功率，在光伏阵列输出功率大于负载功率时工作在逆变状态，将多余功率回馈到电网；所述市电补偿控制器根据系统运行数据，控制双向AC-DC变换器功率流动方向。
优选地，所述系统运行数据包括直流母线电压变化率dUDC/dt、三相逆变器输出频率f。
优选地，所述三相逆变器在系统起动时，在所述起动控制器的控制下实现变压变频起动，在系统起动完成后，工作在工频模式。
本申请的一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，包括如下三个阶段：
起动阶段：双向AC-DC变换器不工作，第一DC-DC变换器输出电压给定为300V，第二DC-DC变换器输出电压给定为540V，起动控制器根据光伏阵列输出功率PPV、输出电压UPV的变化信息控制三相逆变器输出频率f和电压Uout；若在阴雨天、夜间光照强度不足、光伏阵列输出功率不足的条件下，则随着系统的运行，系统将满足过渡切换条件，进入过渡阶段；若在光照充足、光伏阵列输出功率足够的情况下，则随着系统的运行，系统将满足稳定切换条件，进入稳定阶段；
过渡阶段：光伏阵列输出电压由MPPT控制器通过第一DC-DC变换器控制，实现最大功率点追踪，双向AC-DC变换器输出电压稳定在300V，将直流母线电压钳位，第二DC-DC变换器输出电压稳定在540V，双向AC-DC变换器工作在整流模式，三相逆变器输出频率f逐渐升到50Hz后，进入稳定阶段；
稳定阶段：第一DC-DC变换器输入电压由MPPT控制器控制，实现最大功率点追踪，双向AC-DC变换器输出电压给定为300V，将直流母线电压钳位，第二DC-DC变换器输出电压稳定在540V，三相逆变器保持工频输出，市电补偿控制器根据直流母线电压变化率dUDC/dt，判断当前光伏阵列输出功率与负载功率的大小关系，从而控制双向AC-DC变换器功率流动方向，实现功率补偿与回收。
优选地，所述三相逆变器输出频率f和电压Uout满足恒压频比关系，f从0开始，每经过一个控制周期增大一个步长Δf。
优选地，所述过渡切换条件的具体判断方法为，光伏阵列输出功率PPV对输出电压UPV的导数绝对值|dPPV/dUPV|小于阈值A且三相逆变器输出频率f小于50Hz，或直流母线电压UDC小于300V。
优选地，所述稳定切换条件的具体判断方法为，三相逆变器输出频率f等于50Hz。
优选地，所述直流母线电压UDC、第二DC-DC变换器输出电压和双向AC-DC变换器输出电压采用闭环控制，根据给定电压与实际电压的差值做PID负反馈调节，实现电压稳定。
优选地，所述双向AC-DC变换器功率流动方向，在dUDC/dt小于功率补偿阈值C时，说明光伏阵列当前输出功率不满足负载功率需求，导致直流母线电压闭环失调，UDC下降，则调整为整流状态，将市电转换为幅值为300V的直流电，补充负载所缺功率，实现功率补偿。
优选地，所述双向AC-DC变换器功率流动方向，在dUDC/dt大于功率回收阈值B时，说明光伏阵列当前输出功率大于负载功率，导致直流母线电压闭环失调，UDC上升，则调整为逆变状态，将多余的太阳能转换为与市电同频同相的交流电并入电网，实现功率回收。
1、本发明通过检测直流母线电压的变化，判断光伏阵列输出功率与负载功率的关系，无需计算、比较实际功率，简化了控制流程，提高了控制速度；
2、本发明在光伏阵列输出功率不足时，引入市电功率补偿，同时光伏阵列与市电侧并联供电，充分利用太阳能，节约市电，能够实现交流光伏水泵系统长时间不间断运行，提高生产效率；
3、本发明在光伏阵列输出功率大于负载功率时，将多余电能回馈到市电网，进一步提高太阳能利用效率；
4、本发明在系统起动时若遇到阴天、夜间不利条件，可通过自动调整进入过渡阶段，无需人工干预，完成起动。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一种适用于水泵系统的光伏市电补偿装置结构示意图；
图2为本发明中第一DC-DC变换器电路图；
图3为本发明中双向AC-DC变换器电路图；
图4为本发明中三相逆变器电路图；
图5为本发明中第二DC-DC变换器电路图；
图6为本发明提供的一种适用于水泵系统的光伏市电补偿装置控制方法流程图；
图7为本发明中光伏阵列输出功率PPV-输出电压UPV关系图；
图8为本发明中起动控制器控制流程图；
图9为本发明中市电补偿控制器控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，根据本发明所提供的一种适用于水泵系统的光伏市电补偿装置，包括光伏阵列、第一DC-DC变换器、双向AC-DC变换器、第二DC-DC变换器、三相逆变器、三相交流水泵、起动控制器、MPPT控制器和市电补偿控制器。第一DC-DC变换器输入端与光伏阵列输出端相连接，输出端连接到直流母线上，双向AC-DC变换器输入端连接单相交流市电，输出端连接到直流母线上，第二DC-DC变换器输入端连接到直流母线上，输出端与三相逆变器输入端相连。
第一DC-DC变换器采用BUCK-BOOST结构，如图2所示，在系统起动时，控制器通过比较直流母线实际电压与给定电压之间的差值，调整第一DC-DC变换器的占空比，形成闭环控制，使直流母线电压UDC稳定在300V；在系统起动完成后，MPPT控制器采集光伏阵列输出电压和电流，利用扰动观察法、电导增量法等方法调整第一DC-DC变换器的占空比，实现光伏阵列最大功率点追踪。双向AC-DC变换器采用单相全桥电路，如图3所示，市电补偿控制器通过控制交流侧电流IS和电压US的相位关系，使其工作在整流状态或逆变状态，在光伏阵列功率小于负载功率时补充负载所缺功率，在光伏阵列功率大于负载功率时将多余功率回馈到电网。第二DC-DC变换器采用BOOST结构，如图4所示，控制器以闭环方式调节第二DC-DC变换器占空比，将直流母线电压提升到540V。三相逆变器采用三相全桥电路，如图5所示。在系统起动时，起动控制器根据光伏阵列输出功率PPV、输出电压UPV的变化信息控制三相逆变器输出频率f；在系统起动完成后，三相逆变器输出频率f保持在50Hz。三相逆变器输出频率f和电压Uout保持恒压频比关系。
如图6所示，根据本发明提供的一种适用于水泵系统的光伏市电补偿装置控制方法，包括：
起动阶段：双向AC-DC变换器不工作，第一DC-DC变换器输出电压给定为300V，第二DC-DC变换器输出电压给定为540V，起动控制器根据光伏阵列输出功率PPV、输出电压UPV的变化信息控制三相逆变器输出频率f和电压Uout。若在阴天、夜间的光照强度不足、光伏阵列输出功率不足的条件下，则随着系统的运行，系统将满足过渡切换条件，进入过渡阶段；若在光照充足、光伏阵列输出功率足够的条件下，则随着系统的运行，系统将满足稳定切换条件，进入稳定阶段。
过渡阶段：光伏阵列输出电压由MPPT控制器通过第一DC-DC变换器控制，实现最大功率点追踪，双向AC-DC变换器输出电压稳定在300V，将直流母线电压钳位，第二DC-DC变换器输出电压稳定在540V，双向AC-DC变换器工作在整流模式，三相逆变器输出频率f逐渐升到50Hz后，进入稳定阶段。
稳定阶段：第一DC-DC变换器输入电压由MPPT控制器控制，实现最大功率点追踪，双向AC-DC变换器输出电压给定为300V，将直流母线电压钳位，第二DC-DC变换器输出电压稳定在540V，三相逆变器保持工频输出，市电补偿控制器根据直流母线电压变化率dUDC/dt，判断当前光伏阵列输出功率与负载功率的大小关系，从而控制双向AC-DC变换器功率流动方向，实现功率补偿与回收。
如图7所示，在一定环境条件下，光伏阵列输出功率PPV与输出电压UPV呈非线性关系，越接近最大功率点，|dPPV/dUPV|的值越小。此外，泵类负载功率与转速的三次方成正比。根据这两个特点，可以在起动阶段中判断光伏阵列输出功率是否到达最大值。
在起动阶段时，若系统处于夜间，光伏阵列输出无输出，则UDC将无法达到300V；若系统处于阴雨天，光伏阵列输出不满足负载功率需求，则水泵尚未起动完成时光伏阵列输出功率就会达到最大值，即|dPPV/dUPV|的值足够小。这两个特点可以作为过渡切换条件的判断方法。
如图8所示为MPPT1控制器控制流程图。如图所示，用fk、Uoutk、PPVk、UPVk、UDCk表示第k个控制周期f、Uout、PPV、UPV、UDC的大小，系统刚刚起动时，f1＝0，Uout1＝0；在每个控制周期中，f增加一个步长Δf，即fk＝fk-1+Δf，Uoutk＝4.4×fk，同时计算|[PPVk-PPV(k-1)]/[UPVk-UPV(k-1)]|，若fk等于50Hz，则认为满足稳定切换条件，此时光伏阵列输出功率大于等于负载功率，系统控制算法进入稳定阶段，若fk小于50Hz且|[PPVk-PPV(k-1)]/[UPVk-UPV(k-1)]|小于阈值A，或者UDCk小于300V，则认为满足过渡切换条件，此时光伏阵列输出功率小于负载功率，系统控制算法进入过渡阶段，双向AC-DC变换器工作在整流模式，提供系统所缺功率，将三相逆变器输出频率f逐渐升到50Hz。其中，A为大于0的常数，根据现场调试情况进行整定。
系统直流母线电压UDC采用闭环控制，但只有光伏阵列输出功率与负载功率相匹配时，才能稳定控制，否则直流母线电压UDC将失调，据此可判断光伏阵列输出功率与负载功率的关系，实现功率补偿或回收。
如图9所示为市电补偿控制器控制流程图。如图所示，用UDCk表示第k个控制周期UDC的大小，T表示控制周期，在每一个控制周期中，市电补偿控制器计算直流母线电压变化率(UDCk-UDC(k-1))/T，若(UDCk-UDC(k-1))/T大于功率回收阈值B，说明光伏阵列当前输出功率大于负载功率，则市电补偿控制器控制双向AC-DC变换器，使其工作在逆变状态，将多余的太阳能转换为与市电同频同相的交流电并入电网，实现功率回收；若(UDCk-UDC(k-1))/T小于功率补偿阈值C，说明光伏阵列当前输出功率不满足负载功率需求，则市电补偿控制器控制双向AC-DC变换器，使其工作在整流状态，将市电转换为幅值为300V左右的直流电，补充负载所缺功率，实现功率补偿。其中，B为大于0的常数，C为小于0的常数，两者根据现场调试情况进行整定。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于水泵系统的光伏市电补偿装置，其特征在于，包括：光伏阵列、第一DC-DC变换器、双向AC-DC变换器、第二DC-DC变换器、三相逆变器、三相交流水泵、起动控制器、MPPT控制器，以及市电补偿控制器，所述第一DC-DC变换器的输入端与所述光伏阵列输出端相连接，所述第一DC-DC变换器的输出端连接到直流母线上，所述双向AC-DC变换器的输入端连接单相交流市电，所述双向AC-DC变换器的输出端连接到直流母线上，所述第二DC-DC变换器的输入端连接到直流母线上，所述第二DC-DC变换器的输出端与所述三相逆变器输入端相连，所述MPPT控制器采集光伏阵列的输出电压和电流，并输出控制信号到第一DC-DC变换器，所述市电补偿控制器采集直流母线电压和三相逆变器输出频率，并输出控制信号到双向AC-DC变换器，其中：
所述光伏阵列将太阳能转换为直流电能给各部件进行供电；所述第一DC-DC变换器完成光伏阵列输出电压的变换，并且所述第一DC-DC变换器在系统起动时工作在输出电压稳定模式，在系统起动完成后工作在MPPT模式；所述第二DC-DC变换器提升直流母线电压，使其满足所述三相逆变器输入要求；
所述三相逆变器将直流电转换为所述三相交流电以驱动三相交流水泵，之后所述三相交流水泵完成扬水功能；所述起动控制器采用变压变频方式控制所述三相交流水泵起动过程；
所述MPPT控制器通过控制所述第一DC-DC变换器，追踪所述光伏阵列最大功率点，使所述光伏阵列输出最大功率；
所述双向AC-DC变换器在光伏阵列输出功率小于负载功率时工作在整流状态，补充负载所缺功率，在光伏阵列输出功率大于负载功率时工作在逆变状态，将多余功率回馈到电网；所述市电补偿控制器根据系统运行数据，控制双向AC-DC变换器功率流动方向。
2.根据权利要求1所述的适用于水泵系统的光伏市电补偿装置，其特征在于，所述系统运行数据包括直流母线电压变化率dUDC/dt、三相逆变器输出频率f。
3.根据权利要求1所述的适用于水泵系统的光伏市电补偿装置，其特征在于，所述三相逆变器在系统起动时，在所述起动控制器的控制下实现变压变频起动，在系统起动完成后，工作在工频模式。
4.一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，包括如下三个阶段：
起动阶段：双向AC-DC变换器不工作，第一DC-DC变换器输出电压给定为300V，第二DC-DC变换器输出电压给定为540V，起动控制器根据光伏阵列输出功率PPV、输出电压UPV的变化信息控制三相逆变器输出频率f和电压Uout；若在阴雨天、夜间的光照强度不足、光伏阵列输出功率不足的条件下，则随着系统的运行，系统将满足过渡切换条件，进入过渡阶段；若在光照充足、光伏阵列输出功率足够的情况下，则随着系统的运行，系统将满足稳定切换条件，进入稳定阶段；
过渡阶段：光伏阵列输出电压由MPPT控制器通过第一DC-DC变换器控制，实现最大功率点追踪，双向AC-DC变换器输出电压稳定在300V，将直流母线电压钳位，第二DC-DC变换器输出电压稳定在540V，双向AC-DC变换器工作在整流模式，三相逆变器输出频率f逐渐升到50Hz后，进入稳定阶段；
稳定阶段：第一DC-DC变换器输入电压由MPPT控制器控制，实现最大功率点追踪，双向AC-DC变换器输出电压给定为300V，将直流母线电压钳位，第二DC-DC变换器输出电压稳定在540V，三相逆变器保持工频输出，市电补偿控制器根据直流母线电压变化率dUDC/dt，判断当前光伏阵列输出功率与负载功率的大小关系，从而控制双向AC-DC变换器功率流动方向，实现功率补偿与回收。
5.根据权利要求4所述的一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，所述三相逆变器输出频率f和电压Uout满足恒压频比关系，f从0开始，每经过一个控制周期增大一个步长Δf。
6.根据权利要求4所述的一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，所述过渡切换条件的具体判断方法为，光伏阵列输出功率PPV对输出电压UPV的导数绝对值|dPPV/dUPV|小于阈值A且三相逆变器输出频率f小于50Hz，或直流母线电压UDC小于300V。
7.根据权利要求4所述的一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，所述稳定切换条件的具体判断方法为，三相逆变器输出频率f等于50Hz。
8.根据权利要求4所述的适用于水泵系统的光伏市电补偿装置控制方法，其特征在于，所述直流母线电压UDC、第二DC-DC变换器输出电压和双向AC-DC变换器输出电压采用闭环控制，根据给定电压与实际电压的差值做PID负反馈调节，实现电压稳定。
9.根据权利要求4所述的一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，所述双向AC-DC变换器功率流动方向，在dUDC/dt小于功率补偿阈值C时，说明光伏阵列当前输出功率不满足负载功率需求，导致直流母线电压闭环失调，UDC下降，则调整为整流状态，将市电转换为幅值为300V的直流电，补充负载所缺功率，实现功率补偿。
10.根据权利要求4所述的一种用于水泵系统的光伏市电补偿的控制方法，其特征在于，所述双向AC-DC变换器功率流动方向，在dUDC/dt大于功率回收阈值B时，说明光伏阵列当前输出功率大于负载功率，导致直流母线电压闭环失调，UDC上升，则调整为逆变状态，将多余的太阳能转换为与市电同频同相的交流电并入电网，实现功率回收。
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