雷增強， 艾矯燕， 劉 剛， 梁 奎

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

基于DSP的光伏推流系統(tǒng)設(shè)計及效果分析

雷增強， 艾矯燕， 劉 剛， 梁 奎

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

為解決水產(chǎn)養(yǎng)殖中溶氧濃度低、分布不均衡及常規(guī)增氧設(shè)備能耗高的問題，設(shè)計了一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)的光伏推流系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F2812 為主控芯片，通過電壓、電流檢測電路對太陽能光伏陣列的輸出功率進行實時跟蹤，實現(xiàn)對蓄電池充放電切換，并采用最大功率點跟蹤(MPPT)方法保證了光伏陣列的最大功率輸出。用該系統(tǒng)對長7 m、寬5 m、深1 m的淺水區(qū)域進行連續(xù)5 d的推流實驗，并與相同條件下無推流時的溶氧濃度空間分布情況進行對比。結(jié)果顯示，無推流情況下，試驗區(qū)域從岸邊到湖中溶氧濃度分布呈現(xiàn)由低到高的梯度分布；推流后的溶氧濃度空間分布趨于均衡，且比無推流時的濃度均值提高1～2 mg/L。研究表明，光伏推流能大大降低能耗，提高水體溶氧濃度，改善水體溶氧分布均衡性，對提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的密度和產(chǎn)量具有現(xiàn)實意義。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；溶氧分布均衡性；光伏推流；最大功率點跟蹤

溶氧含量是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵因子之一，而增氧裝置是水產(chǎn)養(yǎng)殖的常用設(shè)備[1-3]。現(xiàn)有的增氧裝置主要有葉輪式增氧機、水車式增氧機、射流式增氧機和渦流式增氧機等，大都采用常規(guī)電力，功率大，能耗高，且大多是對局部水域增氧[4-5]。水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中由于光照、水草生長等因素的差異，其溶氧濃度分布呈現(xiàn)較大的差異，具有非均衡性。魚類有趨氧的特性，極易聚集到溶氧濃度較高的區(qū)域，這就限制了單位面積的養(yǎng)殖量。目前常用的增氧裝置注重提高溶氧濃度，而業(yè)界對提高水體溶氧空間分布均衡性的研究尚較少。

本研究基于數(shù)字信號處理器(DSP)的小功率淺水光伏推流系統(tǒng)，利用太陽能電池板提供電力，不消耗化石能源。DSP具有低功耗、高精度數(shù)據(jù)采集、快速運算等優(yōu)點[6]。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用MPPT控制，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，增大了光伏發(fā)電的功率輸出，對增加水產(chǎn)養(yǎng)殖水體循環(huán)、提高水體溶氧的濃度、改善水體溶氧空間分布均衡性，具有現(xiàn)實的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

光伏推流系統(tǒng)由太陽能光伏陣列、TMS320F2812DSP主控芯片、檢測電路、驅(qū)動電路、電源切換電路、水泵、蓄電池等部分組成(圖1)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

采用太陽能電池產(chǎn)生的電能作為系統(tǒng)能量來源，實時檢測光伏陣列的輸出電壓和電流，計算輸出功率。當(dāng)光伏陣列的輸出功率大于負(fù)載功率時，光伏陣列同時對負(fù)載供電和對蓄電池充電；當(dāng)光伏陣列輸出功率低于負(fù)載功率時，光伏陣列和蓄電池同時向負(fù)載供電。

為保障系統(tǒng)能在持續(xù)3個陰雨天的情況下每天持續(xù)工作10 h，根據(jù)太陽能電池板與蓄電池的容量計算公式，并適當(dāng)考慮蓄電池和太陽能電池板的耗損，選用賽維LDK250PAFW(B) 型太陽能電池板，2片太陽能電池板串聯(lián)，其單板最大功率250 W，工作電壓30.5 V。推流水泵采用上海昭升電機有限公司的ZQB-48型直流潛水泵，其額定電壓48 V，額定功率180 W。蓄電池選用華富6-CNJ-38(12V38Ah)型，4組串聯(lián)成48 V。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 檢測電路

電流檢測電路通過一個6 mΩ的采樣電阻，經(jīng)運放LM358放大后，通過A/D轉(zhuǎn)換由DSP讀出。電壓檢測電路采用電阻分壓的方式。由于系統(tǒng)工作在室外，一天中的溫差變化較大，需要對蓄電池充電電壓進行溫度補償。采用溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)對蓄電池的溫度檢測。系統(tǒng)中溫度補償是-4 mV/℃，即對于2 V的蓄電池，基準(zhǔn)溫度25℃，溫度每上升1度，電壓補償-4 mV。

2.2 驅(qū)動電路

充放電控制及電源切換使用功率MOS管作開關(guān)元件。系統(tǒng)中選用IRFP150作開關(guān)元件，漏源極最大電壓100 V，導(dǎo)通電阻0.055 Ω，漏極最大電流20 A，能夠滿足該控制器的性能指標(biāo)。DSP發(fā)出PWM控制信號來控制驅(qū)動芯片工作。本系統(tǒng)采用美國IR公司專為驅(qū)動單個MOSFET而設(shè)計的柵極驅(qū)動器，其輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平兼容[7]。驅(qū)動電路原理如圖2所示。

圖2 驅(qū)動電路

驅(qū)動芯片IR2117的外圍電路采用自舉技術(shù)，由二極管MUR1100和電容組成。其原理為：當(dāng)VS被拉低到地時，+15 V電源就會通過自舉二極管MUR1100對自舉電容充電，從而為VB提供一個電源，芯片內(nèi)部的推挽結(jié)構(gòu)使HO端口得到一個10～15 V的驅(qū)動電壓。

2.3 能量切換電路

光伏電池、蓄電池和水泵之間的切換通過兩路DC/DC直流降壓變換電路實現(xiàn)[8]。能量切換電路的詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)DSP測得的光伏電池的輸出功率大于水泵的額定功率時，開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2撥向3，光伏電池以最大功率點給水泵供電的同時也給蓄電池充電；當(dāng)輸出功率小于水泵的額定功率時，開關(guān)S1閉合，開關(guān)S2撥向1端，蓄電池和光伏電池共同給水泵供電。開關(guān)S2的1端、3端均有防反充二極管。

圖3 能量切換電路

系統(tǒng)中DC/DC降壓變換電路為BUCK降壓電路。通過調(diào)節(jié)TMS320LF2812DSP的事件管理模塊(EV)產(chǎn)生的PWM波的占空比大小來實現(xiàn)降壓和最大功率跟蹤[9]。電路由開關(guān)MOS管、續(xù)流二極管、濾波電感和濾波電容組成。續(xù)流二極管選用MUR820，濾波電感200 μH，濾波電容470 μF。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 最大功率跟蹤模塊設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括電壓、電流和溫度的檢測模塊、最大功率跟蹤模塊、三階段充電模塊、顯示模塊、鍵盤模塊等。最大功率跟蹤(MPPT)[10-11]是光伏系統(tǒng)中對光伏組件的輸出功率進行跟蹤，使光伏組件始終工作在最大功率點(圖4)。本系統(tǒng)采用擾動觀察法實現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖4 最大功率跟蹤程序流程圖

最大功率跟蹤是根據(jù)調(diào)節(jié)PWM的占空比d來控制開關(guān)元件的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)[12-14]。設(shè)定初始占空比d和擾動步長Δd，通過實時測得的電壓U(k)和電流I(k)計算當(dāng)前時刻光伏組件的輸出功率P(k)，并與下一時刻的P(k+1)進行比較。若P(k)=P(k+1)，則當(dāng)前時刻光伏組件達到了最大功率輸出；若P(k)P(k+1)，則當(dāng)前時刻光伏組件未達到最大輸出功率，應(yīng)減小占空比，d=d-Δd；再重新計算輸出功率并與上一時刻的進行比較，直至找到最大功率點。

3.2 三階段充電模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用三階段充電模式[15-16]。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用說明，過放點電壓U(a)為42 V，循環(huán)充電電壓U(c)為58.4 V。蓄電池端電壓U(b)為檢測到的蓄電池兩端的電壓值。第一階段，U(b)小于U(a)，以小電流恒流方式給蓄電池充電，直至蓄電池電壓升至過放點電壓；第二階段，U(b)大于U(a)但小于U(c)，以大電流恒流方式給蓄電池充電；第三階段，當(dāng)U(b)大于等于U(c)，以恒壓充電方式充電，當(dāng)充電電流I(b)≤0.38 A一段時間后充電結(jié)束(圖5)。但是，當(dāng)DSP測得的光伏電池的輸出功率大于水泵的額定功率且蓄電池為預(yù)充電狀態(tài)，圖3中的S1斷開以避免水泵損壞；而在恒壓充電后期，當(dāng)檢測到充電電流I(b)<3 A時，開關(guān)S2打空，蓄電池既不充電也不放電，水泵的功率全部由光伏電池提供。水泵不工作時，系統(tǒng)按三階段充電模式充電。

圖5 三階段充電程序流程圖

4 推流效果分析

4.1 試驗區(qū)域及數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過實際運行測試，在蓄電池滿電的情況下，有效日照達到10 h，系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定運行32 h，能夠滿足設(shè)計要求。試驗區(qū)域為一個長200 m、寬100 m 的人工湖，水深約1 m。測量了7 m×5 m大小區(qū)域的溶氧濃度值，將試驗區(qū)域劃分為35個1 m×1 m的網(wǎng)格，每個網(wǎng)格為一個采樣點(圖6)。

圖6 實驗區(qū)域網(wǎng)格劃分

溶氧測量深度為水面下約20 cm。水泵放置在平行湖岸且靠近岸邊的位置，垂直湖岸向湖中推流，水泵出水口在水面下約20 cm。在同一實驗區(qū)域，選取溫度、光照強度等條件差異不大的10 d，其中5 d不推流，另外5 d進行推流，推流時將水泵出水口放置在水下5 cm處，分別測量兩種情況的溶氧濃度平均值，并對比分析。

實驗時間為每天的8:30～10:30，分別測量8:30、9:30、10:30這3個時刻各采樣點的溶氧濃度。為減小實驗誤差，每次測量均在5 min內(nèi)完成。

為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)試驗區(qū)域溶氧濃度分布差異，需要對實驗區(qū)域內(nèi)的35個采樣點進行擬合插值。用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給實驗區(qū)域的溶氧濃度插值[17-20]，以采樣點的坐標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，溶氧濃度值作為網(wǎng)絡(luò)輸出，在MATLAB平臺上調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，得到了400×600個坐標(biāo)點插值結(jié)果。

4.2 溶氧濃度空間分布擬合

分別根據(jù)無推流和有推流時的3個時刻得到的400×600個坐標(biāo)點插值結(jié)果繪制濃度分布圖(圖7、圖8)，通過顏色的變化來表示溶氧濃度值的高低，顏色越深表示溶氧越低，顏色越淺表示溶氧越高。X軸表示湖岸，Y軸垂直湖岸。此外，還根據(jù)插值結(jié)果繪制了溶氧濃度頻率分布直方圖(圖9)。

無推流時，3個時刻的岸邊顏色均較深，離岸邊越遠的地方顏色越淺，溶氧濃度分布呈明顯的梯度分布；有推流情況下，8:30時刻，溶氧濃度空間呈現(xiàn)梯度分布，隨著時間的推移，濃度分布分層現(xiàn)象逐漸減小；到10:30時刻，實驗區(qū)域顏色沒有明顯的差異，不再呈現(xiàn)梯度分布。從圖9可以看出，9:30時刻，推流前后溶氧濃度范圍由3～5.5 mg/L增加到了4.8～5.8 mg/L；10:30時刻，推流前后溶氧濃度范圍由4.2～7.2 mg/L增加到了7.2～8.2mg/L。整個實驗區(qū)域的溶氧濃度，有推流時比無推流時要高出1～2 mg/L，而且推流后溶氧濃度更加集中，分布更加均勻。因此，推流能有效改善溶氧濃度的空間分布均衡性，提高溶氧濃度。

圖7 無推流情況下溶氧濃度分布濃度圖

圖8 推流情況下溶氧濃度分布濃度圖

圖9 無推流和推流情況下溶氧濃度頻率分布直方圖

5 結(jié)論

光伏推流系統(tǒng)通過光伏電池的光電轉(zhuǎn)換，用蓄電池儲存能量，可以確保連續(xù)穩(wěn)定的動力，能有效提高水體中溶氧的分布均衡性，推流后的溶氧濃度比推流前的提高了1～2 mg/L。研究結(jié)果對提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的密度和產(chǎn)量具有現(xiàn)實意義。但是，系統(tǒng)對溶氧空間分布均衡性的改善區(qū)域還比較小，對較大區(qū)域的研究還有待開展。

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[1] 蔣建明,史國棟,趙德安,等.基于Zigbee通信的節(jié)能型混合式機械增氧系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2013,44 (10 ):242-247.

[2] 李海燕,魯敏,施銀桃,等.城市景觀水體的凈化及增氧[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報,2004,17(1):56-60．

[3] 吳晨,王海燕,駱建波,等.太陽能移動式水體增氧裝置的設(shè)計與試驗[J].漁業(yè)現(xiàn)代化,2014,41(4):49-53.

[4] 谷堅,顧海濤,門濤,等.幾種機械增氧方式在池塘養(yǎng)殖中的增氧性能比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011，27(1):148-152.

[5] 張宇雷,倪琦,劉晃.基于間歇非穩(wěn)態(tài)方法的溶氧裝置增氧能力檢測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(11)：145-150.

[6] 徐科軍,陳志輝,傅大豐.TMS320F2812 DSP應(yīng)用技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010:3-10.

[7] 張耕川.基于FPGA的太陽能充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].西安:西安科技大學(xué),2014.

[8] 殷忠寧.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤及能量控制技術(shù)的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

[9] 戴智鵬,單鴻濤,紀(jì)明祥.基于TMS320LF2812單相SPWM波形發(fā)生設(shè)計[J].裝備維修技術(shù),2012 (2):58-60.

[10]周林,武劍,栗秋華,等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù),2008,34(6):1145-1154.

[11]陳興峰,曹志峰,許洪華,等.光伏發(fā)電的最大功率跟蹤算法研究[J].可再生能源,2005,1(1):8-11.

[12]徐鵬威,劉飛,劉邦銀,等.幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術(shù),2007,41(5):3-5.

[13]崔巖,蔡炳煌,李大勇,等.太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學(xué)報,2006,27(6):535-539.

[14]茆美琴,余世杰,蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2005,17(5):1248-1251.

[15]胡恒生,王慧,趙徐成,等.蓄電池充電方法的分析和探討[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2009,12(8):1-4.

[16]孫超,郭勇,陳新.獨立光伏系統(tǒng)中太陽能充電器的研究[J].電力電子技術(shù),2009,43(4):44-46.

[17]FRANKE R.Scattered data interpolation:Tests of some methods[J].Mathematics of computation,1982,38(157):181-200.

[18]李啟權(quán),王昌全,岳天祥,等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤有機質(zhì)空間變異研究方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(1):87-93.

[19]陳飛香,程家昌,胡月明,等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤鉻含量空間預(yù)測[J].地理科學(xué),2013,1(1):69-74.

[20]王銀燕,梁榮華,吳福理,等.基于RBF插值的顱面復(fù)原算法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008(S1):404-406.

Design and effect analysis of photovoltaic push flow system based on DSP

LEI Zengqiang,AI Jiaoyan,LIU Gang,LIANG Kui

(InstituteofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

To solve the problems of low DO concentration,unbalanced DO distribution in water and high energy consumption of conventional aerators in aquaculture,a DSP-based solar push-flow system was designed in this paper.The system uses TMS320F2812 as the main controller,and through tracking the output power of the photovoltaic array by voltage and current detecting circuit,achieves the switch between battery charge and discharge;moreover,maximum power point tracking (MPPT) method was used to assure the maximum power output of PV array.The system was used in a 5-day push flow experiment in a 7 m×5 m shallow water area and the DO concentration spatial distribution was compared with that in none push flow situation.The results showed that,in none push flow situation,the DO concentration presented an obvious gradient distribution from the water shore to center area.While after a certain time of push flow,the DO concentration spatial distribution tended to balanced and the concentration improved.The research shows that PV push flow can reduce energy consumption significantly,increase DO concentration,improve the balance of DO spatial distribution and has practical significance to increase aquaculture density and production.

aquaculture;photovoltaic push flow;distribution of dissolved oxygen balance;MPPT

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.012

2016-06-14

2016-09-17

國家自然科學(xué)基金項目(61563002)；廣西科技計劃主席基金項目(1517-08)

雷增強(1991—)，男，碩士研究生，研究方向：自動控制與檢測裝置。E-mail：leizengq@126.com

艾矯燕(1970—)，女，教授，碩導(dǎo)，研究方向：智能信息處理與應(yīng)用。E-mail：aijy@gxu.edu.cn

S969.321

A

1007-9580(2017)01-063-06