呂忠明 劉峰 林平

摘 要：光伏水泵系統(tǒng)是太陽能電池應(yīng)用的一個重要分支，它的巨大社會和經(jīng)濟效益越來越受到廣泛關(guān)注。光伏水泵系統(tǒng)由太陽能電池陣列、功率跟蹤器、逆變器和電機水泵總成組成。若采用直流水泵電機，可省略逆變器。本文結(jié)合自身工作經(jīng)驗重點針對光伏水泵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了探究。

關(guān)鍵詞：光伏水泵系統(tǒng);太陽能電池;技術(shù)

1引言

在我國，光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用剛起步，市場占有額及市場占有量均較低，應(yīng)用面不廣，采用太陽光伏系統(tǒng)供電提水設(shè)備解決這些無電地區(qū)的人畜飲水和灌溉問題，是最理想的方式之一。一方面，中國西部邊遠地區(qū)太陽能資源豐富;另一方面，光伏提水設(shè)備無污染、無噪聲，可靠性高，維護工作量極小。而其可靠性遠超過風力提水，隨著太陽電池價格的下降，光伏提水應(yīng)用前景更加廣闊。

2光伏水泵系統(tǒng)概述

“光伏水泵系統(tǒng)”也稱之為“太陽能光電水泵系統(tǒng)”，利用太陽能電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，通過控制裝置，驅(qū)動電機而帶動水泵進行提水。光伏水泵系統(tǒng)是集光伏技術(shù)、微機控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及電機、水機、電力電子應(yīng)用為一體的高技術(shù)產(chǎn)品。為使光伏水泵工作在最優(yōu)狀態(tài)，即有用功率最大輸出，光伏水泵的控制單元必須能夠?qū)μ柲茈姵氐闹绷鬏敵龊退眠M行合理控制，使兩者工作狀態(tài)相匹配，進而達到最優(yōu)輸出。

3光伏水泵系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容

3.1???? 最大功率點跟蹤技術(shù)

光伏水泵控制系統(tǒng)分成光伏陣列控制和水泵電機控制兩部分：利用DC/DC 變換器和最大功率追蹤（MPPT）算法來控制光伏陣列，使其始終工作在相應(yīng)的最大功率輸出狀態(tài);水泵電機控制則根據(jù)前級輸出功率和水泵自身的特性，實時調(diào)整其輸出電壓和頻率，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳運行。

MPPT 控制的目的在于，通過跟蹤并使光伏方陣工作在最大功率點上，充分利用太陽能電池的輸出能量。MPPT 模塊包括：1.V/I 采樣模塊，為下位機提供太陽能電池組的電壓、電流實時值，用以判斷最大功率點;2.下位機，根據(jù)太陽能電池組的電壓、電流實測值判斷最大功率點，并控制信號驅(qū)動器的輸出;3.主功率器件，根據(jù)下位機指令，為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供驅(qū)動信號;4.DC/DC 轉(zhuǎn)換，根據(jù)信號驅(qū)動器的輸入占空比，調(diào)整負載阻抗到相應(yīng)值;5.直流供電，由于太陽能電池組的輸出電壓變化范圍較大，因此從 DC/DC 轉(zhuǎn)換器后端采出直流信號，為下位機等控制模塊供電。

擾動觀察法：通過周期性改變負載的大小來改變太陽電池的輸出功率，并通過觀察和比較負載變動前后輸出功率的大小來決定下一步負載變動的方向。這是目前使用較為普遍的一種算法，結(jié)構(gòu)簡單，需要測量的參數(shù)少，但是會在功率最大點附近振蕩，造成能量損失。

3.2???? 脈寬調(diào)制技術(shù)

大功率直流電機的換向電路由驅(qū)動和控制兩部分組成。驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電動機的電樞繞組，并受控于控制電路。直流電壓經(jīng)由換流器轉(zhuǎn)成3相電壓驅(qū)動電機。換流器由6個功率器件分為上臂 / 下臂連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)?？刂破魈峁?PWM 信號決定功率晶體管開關(guān)開啟狀態(tài)以及換流器換相時間。為使電機在負載變動時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，同常在電機內(nèi)部裝有能感應(yīng)磁場強度的霍爾傳感器，提供速度閉環(huán)回路控制。也有通過測量電機反向電動勢實現(xiàn)速度閉環(huán)控制的無霍爾傳感器直流電機控制方式。

3.3???? 微機控制技術(shù)

下位機是整個系統(tǒng)的核心，它能夠?qū)﹄妷汉碗娏鞑蓸訑?shù)據(jù)進行運算， 判斷最大功率點，并輸出控制信號（如 PWM 信號）調(diào)節(jié)主功率器件，實現(xiàn)最大功率點跟蹤的功能。

電壓和電流采樣電路的精度決定了最大功率點判斷的準確性。為避免太陽能電池輸出的交流信號干擾，不僅采樣電路需要采用低通濾波措施，在太陽能電池組的輸出端也需要增加濾波電路。

直流供電電路需要給采樣電路、下位機、主功率器件及其驅(qū)動電路等供電，不同的通路之間盡量隔離，以避免相互干擾。

4主要創(chuàng)新點

4.1???? 針對光伏電池電流 - 電壓非線性輸出的特點，提出一種爬山法和擾動觀察法相結(jié)合的混合算法，以實現(xiàn)太陽能電池實時最大功率點追蹤的目的。

4.2???? 硬件設(shè)計上采用獨立寬冗余輸入的 DC/DC（≥1：2）解決光伏電池組輸出漲落幅度過大的問題。

4.3???? 建立起太陽能電池輸出特性和水泵電機負載特性的數(shù)學模型，研發(fā)出專門的控制策略，實現(xiàn)最大功率點的跟蹤控制。

5具體技術(shù)方案

5.1???? DC/DC 轉(zhuǎn)換

設(shè)計基于 Buck （ 降壓型） 電路的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍72V～144V，輸出直流穩(wěn)壓48V，轉(zhuǎn)換效率不低于87%。

5.2???? 控制及數(shù)據(jù)處理模塊

通過 V/I 采樣模塊，為單片機提供光伏電池組的電壓、電流實時值，用以判斷最大功率點。單片機根據(jù)既定的MPPT 算法，控制主功率器件輸出PWM 信號，調(diào)節(jié)直流電機驅(qū)動器的功率輸出。MPPT 算法通過周期性改變負載的大小來改變太陽電池的輸出功率，并通過觀察和比較負載變動前后輸出功率的大小來決定下一步負載變動的方向。該控制模塊及 MPPT 算法的設(shè)計目標為提高光伏電池組的使用效率10%～30%。

5.3???? 直流電機驅(qū)動器

直流電壓經(jīng)由換流器轉(zhuǎn)成3相電壓驅(qū)動電機。換流器由6個功率器件分為上臂 / 下臂連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)。控制器提供PWM信號決定功率晶體管開關(guān)開啟狀態(tài)以及換流器換相時間。為使電機在負載變動時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，通過測量電機內(nèi)部霍爾傳感器的反饋信號或測量無霍爾傳感器電機的反向電動勢，以實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。直流電機驅(qū)動器功率輸出可調(diào)范圍0～600W。

6結(jié)語

光伏水泵控制系統(tǒng)包括 DC/DC 轉(zhuǎn)換、控制及數(shù)據(jù)處理模塊和直流電機驅(qū)動器等三部分：獨立的寬冗余 DC/DC 為直流電機提供穩(wěn)定輸入，控制及數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)光伏電池的當前特性追蹤最大功率點，通過調(diào)整直流電機驅(qū)動器的輸出，使光伏水泵系統(tǒng)工作在最大功率輸出點。

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