本文介紹了一種以三科太陽能光伏水泵變頻器為主實現(xiàn)拖動光伏水泵完成CVT（恒定電壓跟蹤）式MPPT(最大功率點跟蹤)控制的方案，經(jīng)多次在實踐收集中所收集的運行數(shù)據(jù)來看，該系統(tǒng)在控制效率方面有不錯好效果。
一、引言：
整個光伏水泵系統(tǒng)的運行原理，是通過太陽能半導體電池來將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，而后在驅(qū)動各類電機聯(lián)動水泵從深井、江、河、湖、塘等水源處抽取水。而在部分中小功率的光伏水泵系統(tǒng)中，則會采用較多的直流無刷電機來驅(qū)動水泵，但在一些較大功率的光伏水泵系統(tǒng)中亦不乏采用交流異步電機作為驅(qū)動。而在以交流異步電機作為驅(qū)動為主的場合中，通常會采用光伏水泵專用變頻控制器展開控制措施。而光伏水泵專用型變頻器進行控制時也是有一定限制的:例如該設備的適用范圍比較窄、并不是一種成型產(chǎn)品，在制造工藝上無法保證穩(wěn)定、而且當設備出現(xiàn)故障時可能會造成維修困難等難題。以上種種都限制了光伏水泵的推廣與應用。因此杭州三科設計生產(chǎn)了一種專門用于光伏水泵的SKI650型太陽能光伏水泵變頻器。
二、構成光伏水泵系統(tǒng)的組合：
光伏水泵系統(tǒng)通常由太陽能光伏陣列(以下簡稱光伏陣列)、水泵變頻控制器和機泵組成, 其結構框圖如圖1所示。
圖1 光伏水泵系統(tǒng)組成結構圖
與我們常見的以交流市電作為電源水泵系統(tǒng)不同的是, 光伏水泵系統(tǒng)是以太陽能光伏陣列輸出的直流電作為系統(tǒng)的電源供給。太陽能光伏陣列的輸出是一種強烈非線性的直流電源, 受日照、環(huán)境溫度等氣象條件影響很大。要想光伏水泵系統(tǒng)在任何日照、環(huán)境溫度等條件下都能發(fā)揮當前光伏陣列輸出功率的最大潛力, 就需要一個能使電源和負載之間達到和諧、高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)的控制器。圖1中的變頻器即是實現(xiàn)該功能的, 主要是實現(xiàn)MPPT(最大功率點跟蹤)、逆變和一些保護功能。機泵為系統(tǒng)的執(zhí)行機構, 包括驅(qū)動電機和水泵, 通過調(diào)節(jié)機泵的轉(zhuǎn)速即可調(diào)整系統(tǒng)負載的大小。
三、系統(tǒng)運行的原理：
太陽能光伏陣列是一種非線性的直流電源，它既非恒流源，也非恒壓源，也不能為負載提供任意大的功率。但在日照一定的前提下，光伏陣列有一個最大輸出功率點，如果系統(tǒng)工作時光伏陣列輸出功率為該點對應的功率值，則系統(tǒng)此時工作在最佳狀態(tài)。圖2給出了不同日照強度S下太陽能光伏陣列的I-V曲線。
圖2中:S為日照強度，單位為W/m2。A、B、C、D、E為對應的日照強度下光伏陣列的最大輸出功率點。
圖2 CVT式MPPT原理示意圖
在CVT式的MPPT中，工程上可以近似認為不同日照強度下的最大輸出功率點(如圖2中的A、B、C、D、E點)逼近一條直線U=U*=const。也就是說只要光伏水泵系統(tǒng)運行過程中光伏陣列一直保持其輸出電壓為U*=const，就可以保證光伏陣列一直具有在當前日照下的最大功率輸出。
采用變頻器拖動光伏水泵以實現(xiàn)CVT式MPPT控制實際上是運用反饋控制原理，在不同的日照強度下，通過改變變頻器的輸出頻率來調(diào)整電機水泵的轉(zhuǎn)速(即負載大小)，從而達到穩(wěn)定光伏陣列輸出電壓的目的。其控制原理如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)控制原理框圖
圖3中:U*為PI調(diào)節(jié)器的給定值，亦為CVT給定指令電壓; Udc為光伏陣列實際輸出電壓，亦為變頻器的直流側電壓; Fset為變頻器頻率給定值; Idc為光伏陣列的輸出電流，亦為變頻器的直流側電流。
圖3中PI調(diào)節(jié)器根據(jù)給定誤差輸出變頻器的頻率給定信號，從而改變水泵驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速，如此也即改變了系統(tǒng)的負載大小。Fset越大，電動機轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)負載越大;反之，F(xiàn)set越小，電動機轉(zhuǎn)速越低，系統(tǒng)負載越小。而系統(tǒng)負載的大小直接影響到變頻器的直流側電流即Idc的大小。負載越大，Idc越大;負載越小，Idc越小。這樣就構成如下所述的系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程:
當檢測到的光伏陣列輸出電壓Udc大于指令電壓U*時，變頻器的頻率給定Fset上升，機泵的轉(zhuǎn)速N也上升，負載增加，光伏陣列的輸出電流Idc增加，光伏陣列輸出電壓Udc下降直到穩(wěn)定在工作點U*; 當光伏陣列輸出電壓Udc小于指令U*時，變頻器的頻率給定Fset下降，機泵的轉(zhuǎn)速N也下降，負載減小，光伏陣列的輸出電流Idc減小，光伏陣列輸出電壓Udc增加直到穩(wěn)定在工作點U*。
四、實際系統(tǒng)設計
該水泵系統(tǒng)實際由一臺杭州三科生產(chǎn)的7.5kW太陽能光伏水泵變頻器、太陽能光伏陣列(開路電壓約700V，功率8kW)、一臺5.5kW水泵(驅(qū)動電機為三相異步電動機)、水位檢測單元和控制板組成。系統(tǒng)結構圖如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)結構框圖
在光伏水泵系統(tǒng)中，我們只能運用太陽能光伏陣列作為整個系統(tǒng)的電源供給。整個三科SKI650光伏水泵變頻器是由直流電源進行直接供能的，并且該型號變頻器能向外提供+24V(最大100mA)的直流控制電源，這就使得直接利用太陽能光伏陣列供電成為可能。另外，該變頻器能提供2路模擬量輸入和2路模擬量輸出以及內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)功能，這極大的方便了系統(tǒng)的設計。
太陽能光伏陣列輸出電壓采樣是利用變頻器內(nèi)部的AD采樣功能來實現(xiàn)的，該信號參與變頻器的內(nèi)部PI調(diào)節(jié)以實現(xiàn)CVT式MPPT控制;同時此信號被送入控制板，參與起停電壓控制。CVT控制方式的一個特點是在不同的時間、地點可能要設置不同的CVT工作點電壓U*，因此需要設定不同的PI調(diào)節(jié)器給定值。PI調(diào)節(jié)器給定值 U*的給定幅值一般需憑借經(jīng)驗作出較為正確的預估(一般為光伏陣列開路電壓的75％)并輔以實測調(diào)整，通過變頻器的操作面板設定。系統(tǒng)工作時對直流側電壓突降很敏感，因此系統(tǒng)要有良好的快速性，否則系統(tǒng)在日照強度快速減弱時(如烏云突然遮擋)，電機降速不及時，光伏陣列提供的功率不夠，其輸出電壓會急劇下降而使系統(tǒng)進入故障停機。系統(tǒng)的快速性可以通過設定PI調(diào)節(jié)的時間常數(shù)和變頻器的加減速時間來實現(xiàn)。
控制板主要是進行變頻器的起停以及水位控制等功能。下面簡要介紹一下控制板的功能。
(1) 起?？刂?
根據(jù)試驗測定，三科SKI650變頻器在運行狀態(tài)下，若其直流側電壓(即光伏陣列的輸出電壓)低于420V，就會發(fā)出欠壓故障報警并停機，但如果是在停機狀態(tài)下直流側電壓下降到420V則不會發(fā)出欠壓故障報警。因此，必須控制變頻器停機時的光伏陣列輸出電壓高于420V欠壓點，以防止變頻器的欠壓故障。另外, 在系統(tǒng)停機時陣列輸出電壓約等于開路電壓, 系統(tǒng)啟動后, 陣列輸出電壓會下降，這可能造成如下過程:變頻器啟動后, 因陣列輸出電壓降低而造成變頻器停機;變頻器停機后, 又因陣列輸出電壓上升而使變頻器重新啟動。為避免系統(tǒng)出現(xiàn)這種頻繁的起停振蕩以及變頻器發(fā)生欠壓故障報警, 系統(tǒng)設置一個如圖5所示啟停電壓滯環(huán)，在光伏陣列輸出電壓高于開機點電壓576V時，變頻器才能啟動, 只有光伏陣列輸出電壓低于停機點電壓480V時變頻器才能停機, 停機后必須等陣列輸出電壓上升到開機點電壓576V后才能使變頻器再次啟動。
圖5 起停電壓控制示意圖
(2) 水位控制功能
水位檢測機構將水井和蓄水池的水位信號通過4路開關觸點信號送入控制板, 根據(jù)不同的水位狀態(tài)控制變頻器的起停。水位的上、下限開關實際構成滯環(huán)控制, 以避免因為水位變化而造成系統(tǒng)頻繁起停振蕩。另外, 水井水位下限開關的安裝位置應高于水泵的進水口以起到打干保護的功能。
5 結束語
作為太陽能光電應用領域中最具特色的光伏水泵系統(tǒng)。通過上述內(nèi)容所介紹的杭州三科SKI650太陽能光伏水泵變頻器在太陽能光伏水泵系統(tǒng)方面的實際應用案例，該系統(tǒng)的組成部分是較為簡單的，這樣可以令變頻器在調(diào)試的過程中減少難度，無需專門的采樣單元和保護單元，能夠達到全自動控制的目標，對于部分處于邊遠干旱或缺少電力供給的地區(qū)來說是一種十分理想的設備。該光伏水泵系統(tǒng)目前已于非洲干旱地區(qū)地區(qū)得到充分的應用，據(jù)非洲客戶反饋的資料來看，該變頻器在使用中運行效率顯著，受到當?shù)乜蛻魪V泛好評。
