0 引言
我國西部偏遠地區(qū)仍有上百萬農牧民無電力供應,，而且該地區(qū)氣候干旱，土地荒漠化,，草原退化情況越來越嚴重,，采用光伏水泵系統(tǒng)合理地開發(fā)地下水資源，對于解決該地區(qū)的飲水和農業(yè)用水問題,，改善生態(tài)環(huán)境,，具有重要意義。而光伏水泵技術的核心是專用變頻器的設計,，如何設計和太陽電池陣列相匹配,，具備太陽電池最大功率點跟蹤及光伏水泵系統(tǒng)特有的各種保護功能的變頻器，是本文重點,。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 光伏水泵系統(tǒng)的結構圖
由圖1可知,，系統(tǒng)利用太陽電池陣列將太陽能直接轉變成電能。經過DC／DC升壓,，和具有TMPPT功能的變頻器后輸出三相交流電壓驅動交流異步電機和水泵負載,，完成向水塔儲水功能。其中主要包括4部分：太陽電池陣列,；具有TMPPT功能的變頻器,；水泵負載；儲水裝置,。
1．2 變頻器主電路及硬件構成
本系統(tǒng)所采用的主電路及硬件控制框圖如圖2所示,。主電路DC／DC部分采用性能優(yōu)越的推挽正激式電路進行升壓；DC／AC部分采用三相橋式逆變電路,。主功率器件采用ASIPM(一體化智能功率模塊)PS12036,，系統(tǒng)控制核心由16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010構成。外圍控制電路包括陣列母線電壓檢測和水位打干檢測電路,。系統(tǒng)首先通過初始設置的工作方式和PI參數(shù)工作，然后由MPPT子程序實時搜索出的電壓值作為內環(huán)CVT的給定,，通過PI調節(jié)得到工作頻率值,，計算出PWM信號的占空比，實現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率跟蹤(TMPPT),，并保持異步電機的V／f比為恒值,。系統(tǒng)將MPPT和逆變器相結合，利用ASIPM模塊自帶的故障檢測功能進行檢測和保護,，結構簡單,，控制方便,。
1．2．1 DC／DC升壓電路簡述
1．2．1．1主電路選擇
對于中小功率的光伏水泵來說，光伏陣列電壓大都是低壓(24v,、36v,、48V)，對于升壓主電路的選擇,，人們一般選擇推挽電路,，因為推挽電路變壓器原邊工作電壓就是直流側輸入電壓，同時驅動不需隔離,，因此比較適合輸入電壓較低的場合,。但是偏磁問題是制約其應用的一大不利因素，功率管的參數(shù)差異和變壓器的繞制工藝都有可能使推挽電路工作在一種不穩(wěn)定狀態(tài),?；谥T多因素的考慮，本系統(tǒng)采用了結構新穎的推挽正激電路,，此電路拓撲不僅克服了偏磁問題,，而且閉環(huán)控制也比較容易(二階系統(tǒng))。
1．2.l.2推挽正激電路簡單分析
推挽正激電路如圖2所示,，由功率管S1及S2,，電容C8和變壓器T組成，變壓器T原邊繞組N1及N2具有相同的匝數(shù),，同名端如圖2所示,。當S1及S2同時關斷的時候，電容C8兩端電壓下正上負,，且等于陣列電壓,，當S1開通，S1,、N2和光伏陣列構成回路,，N2上正下負，同時C8,、N1和S1構成回路,，C8放電，N1下正上負,，此時的工作相當于兩個正激變換器的并聯(lián),。同理，當S2開通S1關斷時,，也相當于兩個正激變換器的并聯(lián),。經過理論分析，推挽正激電路是一個二階系統(tǒng)，因此閉環(huán)控制簡單,，同時輸出濾波電感和電容大大減小,。
1.2.2 dsPIC30F2010簡單介紹
Microchip公司通過在16位單片機內巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F數(shù)字信號控制器(DSC)同時具有單片機(MCU)的控制功能以及數(shù)字信號處理器(DSP)的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力,。因為它具有的DSP功能,，同時具有單片機的體積和價格，所以本系統(tǒng)采用此芯片作為控制器,。此芯片主要適用于電機控制,，如直流無刷電機、單相和三相感應電機及開關磁阻電機,；同時也適用于不間斷電源(UPS),、逆變器、開關電源和功率因數(shù)校正等,。dsPIC30F2010管腳示意如圖3所示,。
1．2.2．1 主要結構
12KB程序存儲器；
512字節(jié)SRAM：
1024字節(jié)EEPROM,；
3個16位定時器,；
4個輸入捕捉通道；
2個輸出比較／標準PWM通道,；
6個電機控制PWM通道,；
6個10位500kspsSA／D轉換器通道。
l 2．2．2 主要特點
A／D采樣速度快且多通道可以同時采樣,；
6個獨立／互補／中心對齊／邊沿對齊的PWM：
2個可編程的死區(qū),；
在噪聲環(huán)境下5V電源可正常工作；
最低工作電壓3V,；
A／D采樣和PWM同期同步,。
2 光伏水泵最大功率點跟蹤(MPPT)設計
2．1 常規(guī)恒定電壓跟蹤(CVT)方式的特點與不足
CVT方式可以近似獲得太陽電池的最大功率輸出，軟件上處理比較簡單,。但實際上日照強度和溫度是時刻變化的,，尤其是在西部地區(qū)，同一天中的不同時段,，溫度和日照強度變化都相當大,，這些都會引起太陽電池陣列最大功率點電壓的偏移，其中尤以溫度的變化影響最大,。在這種情況下,，采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大點。
2．2 TMPPT的原理與實現(xiàn)
為克服CVT方式弊端,，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下,，始終使太陽電池工作在最大功率點處,。由于逆變器采用恒V／f控制，故水泵電機的轉速與其輸入電壓成正比,，因此,，調節(jié)逆變器的輸出電壓，就等于調節(jié)了負載電機的輸出功率,。故本系統(tǒng)采用TMPPT方式使太陽電池盡可能工作在最大功率點處,，為負載提供最大的能量。
由太陽電池陣列的特性曲線(見圖4)可知,，
在最大功率點處,，dP／dv=O，在最大功率點的左側,，當dP／dV>O時,，P呈增加趨勢，dP／dV
圖5為TMPPT型最大功率點跟蹤控制框圖。系統(tǒng)的輸入指令值為0,，反饋值為dP／dV,，假定Z3狀態(tài)為+1，則Usp*指令電壓增加,，經CVT環(huán)節(jié)調整,，系統(tǒng)的輸出電壓V跟蹤Usp*增加，采樣輸出電流I,，經功率運算環(huán)節(jié)和功率微分環(huán)節(jié),，獲得dP／dV值，如dP／dV>0,，則Z1為+1,，Z2為+1，Z3為+l,，Usp*指令電壓繼續(xù)增加,。如dP／dV
3 系統(tǒng)的保護功能設計
1)過流和短路保護功能 由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻,，所以通過檢測母線電流可以實現(xiàn)保護功能,。當檢測電流值超過給定值時，被認為過流或短路,，此時下橋臂IGBT門電路被關斷,，同時輸出故障信號，dsPIC檢測到此信號時封鎖PWM脈沖進一步保護后級電路,。
2)欠壓保護功能 ASIPM檢測下橋臂的控制電源電壓,，如果電源電壓連續(xù)低于給定電壓1OMs，則下橋臂各相IGBT均被關斷,，同時輸出故障信號,，在故障期間，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來信號,。
3)過熱保護功能 ASIPM內置檢測基板溫度的熱敏電阻,，熱敏電阻的阻值被直接輸出，dsPIC通過檢測其阻值可以完成過熱保護功能,。
以上保護是利用了ASIPM自身帶有的功能,，無須外加電路，進一步簡化了硬件電路設計,。系統(tǒng)除了具有上述保護功能外,，還具有光伏水泵系統(tǒng)特有的低頻、日照低,、打干(自動和手動打干)等保護功能,。對于泵類負載,，當轉速低于下限值時，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉化為損耗,，長期低速運行,，會引起發(fā)熱并影響水泵使用壽命，因此,，本系統(tǒng)設計了低頻保護，對水泵來說,，當液面低于水泵進水口時,，水泵處于空載狀態(tài)，若不采取措施,，長時間運行則會損壞潤滑軸承,，而本系統(tǒng)為戶外無人值守工作方式，故系統(tǒng)為了增加檢測可靠性,，采用了自動打干和手動打干兩種識別方式,，其中，自動打干是根據(jù)系統(tǒng)輸出功率和電機工作頻率來進行判別,；手動打干則是通過水位傳感器識別當前水位高低來實現(xiàn)的,。由于低頻、日照低,、打干等功能都是由軟件來完成,，不須增加硬件電路，故系統(tǒng)結構簡單,。
4 結語
本系統(tǒng)DC／DC環(huán)節(jié)采用的推挽正激式電路,，在性能、經濟等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的拓撲結構,，非常適用于光伏水泵系統(tǒng),。DC／AC環(huán)節(jié)采用最新的ASIPM模塊大大簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性,?？刂撇呗陨喜捎肨MPPT最大功率點跟蹤控制方法，提高了系統(tǒng)效率,、簡化了系統(tǒng)結構,，同時本系統(tǒng)還采用了數(shù)字信號控制器(DSC)dsPIC30F2010對于提高系統(tǒng)運行速度，改善系統(tǒng)性能起著重要作用,?？傊谏鲜鼋Y構的光伏水泵控制器,，無論在結構,、功能,、成本和可靠性等方面都具有明顯的優(yōu)越性和市場競爭力。
