一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)及其控制方法，涉及光伏驅動控制領域。解決了傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)的光伏變頻器結構復雜、控制的成本較高的問題。單級式光伏水泵控制系統(tǒng)的逆變變頻器為一個能量級，結構上取消了傳統(tǒng)光伏水泵變頻器中的直流變化環(huán)節(jié)，利用控制功能實現(xiàn)原直流變換環(huán)節(jié)中的最大功率跟蹤和能量緩沖功能?？刂粕侠妙l率擾動方法，進行光伏輸入到水泵電機輸出能量的條件，從而滿足最大功率輸出和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？刂品椒ㄔ谟趯ο到y(tǒng)頻率f的控制，重點在頻率控制的光伏側最大功率跟蹤方法。頻率f的大小與電機轉速近似呈正比，而電機轉速三次方與負載水泵輸出功率P呈正比，從而調整頻率，可實現(xiàn)傳遞功率控制，從而使光伏部分以最大功率輸出。
【專利說明】一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)及其控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電力電子控制系統(tǒng)，尤其是光伏驅動控制領域。

【背景技術】
[0002]光伏水泵系統(tǒng)，是一種獨立于電網運行的太陽能電力系統(tǒng)，因其具有與日照強度輸出一致,系統(tǒng)安全可靠并且可無人值守的特點,特別適合廣大缺水地區(qū)和城市自然景觀，利用太陽能發(fā)電轉換為水資源的勢能進行應用。光伏水泵系統(tǒng)的運行主要取決于系統(tǒng)控制器的兩方面功能，一方面是對光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能，另一方面是對水泵電機的驅動功能。
[0003]傳統(tǒng)系統(tǒng)是近似與逆變器的設計，電力電子變換第一級采用直流斬波電路環(huán)節(jié)進行光伏側功率輸出控制，通過第二級的變頻器實現(xiàn)對電機的驅動。由于作用機制上包含光伏最大功率點跟蹤控制和電機驅動，控制系統(tǒng)一般歸結為光伏驅動系統(tǒng)。
[0004]傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)的結構及性能如下:
[0005]光伏水泵系統(tǒng)的功能部分主要由太陽能光伏陣列、變頻控制器，三相異步電動機，抽水水泵等四部分組成，常見結構如圖所示。
[0006](I)光伏系統(tǒng):
[0007]光伏水泵系統(tǒng)的能量來源于光伏陣列半導體材料的光伏效應。
[0008]因光半導體材料內部物理特性，太陽能電池表現(xiàn)出的電源效應，既不是恒壓源也不是恒流源，而是非線性直流電源。其輸出功率情況不僅受限外界光環(huán)境，也與負載情況有關的。因此在不同的溫度和光照等環(huán)境條件下，需要外界對負載關系進行調整以使太陽能電池能以最大功率輸出，即最大功率點跟蹤的過程。
[0009](2)三相異步電動機:
[0010]光伏水泵一般應用于無人值守的地區(qū)，基于系統(tǒng)成本和壽命的原因，負載電機一般選用二相異步電機。
[0011]這種類型的電機是一個較為復雜的非線性系統(tǒng)，需要進行一定的轉換使電機的控制更加的靈活，而且在光伏水泵系統(tǒng)的應用中還需要注意的是，由于光伏陣列不能總是提供充分的能量，系統(tǒng)需要對能量的變化具有適應性。
[0012](3)水泵:
[0013]水泵通過機械傳動從負載電機獲得能量，但需要保證一定轉速和穩(wěn)定條件，其泵送能力是與系統(tǒng)頻率呈三次方關系。
[0014](4)光伏變頻器:
[0015]光伏變頻器是，光伏水泵運行的核心控制系統(tǒng)，前面所述的最大功率點跟蹤功能和電機驅動都是由此部分完成，因此控制也就對應了兩級結構，一般的實現(xiàn)如圖2中的虛線框內所示:
[0016]第一級通過直流斬波電路進行占空比控制完成光負載的特性轉換而達到光伏輸出最大功率，一般包括BUCK電路BOOST電路等如附圖4所示；
[0017]第二級通過逆變控制，完成電機驅動，以規(guī)定的轉速和轉矩進行穩(wěn)定輸出，其作用方式與通用變頻器的功率輸出端相同，即附圖3中所示的三相逆變橋。
[0018]傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)的輸出的直流電經過兩級控制后進行穩(wěn)定輸出，存在光伏變頻器結構復雜、控制的成本較高等問題。


【發(fā)明內容】

[0019]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)光伏水泵系統(tǒng)的光伏變頻器結構復雜、控制的成本較高的問題，進而提供了一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)。
[0020]本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是:
[0021]一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)，包括逆變變頻器，所述逆變變頻器具有一級電力電子變換，通過所述逆變變頻器控制由光伏系統(tǒng)輸出的直流電轉化以頻率f以及對應頻率的電壓U輸出的交流電，實現(xiàn)系統(tǒng)光伏收集能量最大程度的傳遞給水泵電機(異步電機)；
[0022]所述逆變變頻器包括輔助電源、霍爾傳感器直流采樣電路、直流緩沖電路、驅動信號發(fā)生電路和三相逆變橋電路，所述驅動信號發(fā)生電路包括DSP (數(shù)字信號處理單元)和驅動電路；
[0023]光伏系統(tǒng)的正負極(正負端子)通過直流緩沖電路連接三相逆變橋電路的直流偵牝輔助電源從主電路中取電用于給霍爾傳感器直流采樣電路、DSP2-5和驅動電路供電；霍爾傳感器直流采樣電路用于采集光伏系統(tǒng)輸出的直流電壓信號和直流電流信號，霍爾傳感器直流采樣電路輸出模擬電信號給DSP (數(shù)字信號處理單元)，經DSP (數(shù)字信號處理單元)處理后輸出三相PWM驅動信號，三相PWM驅動信號經驅動電路轉換為控制三相逆變橋電路中對應六個開關管的開關控制信號，通過控制開關管的周期、導通時間完成對三相交流電的頻率f的控制，實現(xiàn)用于控制水泵電機運行的交流電的輸出。
[0024]上述單級式光伏水泵控制系統(tǒng)的控制方法，所述方法通過調整頻率f實現(xiàn)傳遞功率控制，使光伏部分以最大功率輸出，其具體控制過程為:
[0025]步驟一、利用霍爾傳感器對光伏輸入的電壓Vpv(η)和電流Ipv(η)進行采樣；
[0026]步驟二，對步驟一中的電壓采樣值和電流采樣值進行功率運算求得三相逆變橋電路的直流側的功率P (η)；
[0027]步驟三，判斷步驟二功率P (η)與之前時間采樣點計算功率P(n-l)的大小關系，如果功率不變化則自然進入保持狀態(tài)，保持步驟一到步驟三的循環(huán)，直至功率產生差值再進入步驟四；
[0028]步驟四，根據功率值的變化對擾動頻率進行更新Λ f (η)，即改變擾動量的正負值，正向擾動功率增大則正向擾動，對應功率減小則反向擾動；
[0029]

【權利要求】
1.一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)，包括逆變變頻器(2)，其特征在于:所述逆變變頻器具有一級電力電子變換，通過所述逆變變頻器控制由光伏系統(tǒng)(I)輸出的直流電轉化以頻率f以及對應頻率的電壓U輸出的交流電，實現(xiàn)系統(tǒng)光伏收集能量最大程度的傳遞給水泵電機⑶； 所述逆變變頻器(2)包括輔助電源(2-3)、霍爾傳感器直流采樣電路(2-4)、直流緩沖電路(2-1)、驅動信號發(fā)生電路和三相逆變橋電路(2-2)，所述驅動信號發(fā)生電路包括DSP (2-5)和驅動電路(2-6)； 光伏系統(tǒng)(I)的正負極通過直流緩沖電路(2-1)連接三相逆變橋電路(2-2)的直流偵牝輔助電源(2-3)從主電路中取電用于給霍爾傳感器直流采樣電路(2-4)、DSP(2-5)和驅動電路(2-6)供電；霍爾傳感器直流采樣電路(2-4)用于采集光伏系統(tǒng)(I)輸出的直流電壓信號和直流電流信號，霍爾傳感器直流采樣電路(2-4)輸出模擬電信號給DSP(2-5)，經DSP (2-5)處理后輸出三相PWM驅動信號，三相PWM驅動信號經驅動電路(2_6)轉換為控制三相逆變橋電路(2-2)中對應六個開關管的開關控制信號，通過控制開關管的周期、導通時間完成對三相交流電的頻率f的控制，實現(xiàn)用于控制水泵電機運行的交流電的輸出。
2.一種單級式光伏水泵控制系統(tǒng)的控制方法，所述方法通過調整頻率f實現(xiàn)傳遞功率控制，使光伏部分以最大功率輸出，其特征在于:其具體控制過程為: 步驟一、利用霍爾傳感器對光伏輸入的電壓Vpv(η)和電流Ipv(η)進行采樣； 步驟二，對步驟一中的電壓采樣值和電流采樣值進行功率運算求得三相逆變橋電路(2-2)的直流側的功率 P (η)； 步驟三，判斷步驟二功率P (η)與之前時間采樣點計算功率P (η-1)的大小關系，如果功率不變化則自然進入保持狀態(tài)，保持步驟一到步驟三的循環(huán)，直至功率產生差值再進入步驟四； 步驟四，根據功率值的變化對擾動頻率進行更新△〖(!!)，即改變擾動量的正負值，正向擾動功率增大則正向擾動，對應功率減小則反向擾動；
步驟五、將主控頻率f(n)上加入步驟四中的新Af(n)擾動分量，即f(n)=f (η-1) + Δ f (η)； 步驟六，根據新頻率值f (η)，即對應壓頻控制產生的電壓值Ua。(η)，進行相關驅動PWM信號的的整體頻率及占空比等情況的調整； 步驟七，考慮環(huán)境變化以及計時狀態(tài)，計時到新的采樣時間后，功率大小和時間長度沒達到臨界條件，則返回到步驟一繼續(xù)運行，達到臨界條件，則跳出擾動最大功率循環(huán)，重新進行初始頻率給定，從而使水泵狀態(tài)穩(wěn)定且光伏功率最大輸出。
【文檔編號】F04B49/06GK104079232SQ201410333683
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權日:2014年7月14日
【發(fā)明者】丁寶, 張永明, 趙亮, 劉群 申請人:哈爾濱工業(yè)大學