一种单级式光伏水泵控制系统及其控制方法
【专利摘要】一种单级式光伏水泵控制系统及其控制方法，涉及光伏驱动控制领域。解决了传统光伏水泵系统的光伏变频器结构复杂、控制的成本较高的问题。单级式光伏水泵控制系统的逆变变频器为一个能量级，结构上取消了传统光伏水泵变频器中的直流变化环节，利用控制功能实现原直流变换环节中的最大功率跟踪和能量缓冲功能。控制上利用频率扰动方法，进行光伏输入到水泵电机输出能量的条件，从而满足最大功率输出和系统的稳定运行。控制方法在于对系统频率f的控制，重点在频率控制的光伏侧最大功率跟踪方法。频率f的大小与电机转速近似呈正比，而电机转速三次方与负载水泵输出功率P呈正比，从而调整频率，可实现传递功率控制，从而使光伏部分以最大功率输出。
【专利说明】一种单级式光伏水泵控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力电子控制系统，尤其是光伏驱动控制领域。
【背景技术】
[0002]光伏水泵系统，是一种独立于电网运行的太阳能电力系统，因其具有与日照强度输出一致,系统安全可靠并且可无人值守的特点,特别适合广大缺水地区和城市自然景观，利用太阳能发电转换为水资源的势能进行应用。光伏水泵系统的运行主要取决于系统控制器的两方面功能，一方面是对光伏系统的最大功率跟踪功能，另一方面是对水泵电机的驱动功能。
[0003]传统系统是近似与逆变器的设计，电力电子变换第一级采用直流斩波电路环节进行光伏侧功率输出控制，通过第二级的变频器实现对电机的驱动。由于作用机制上包含光伏最大功率点跟踪控制和电机驱动，控制系统一般归结为光伏驱动系统。
[0004]传统光伏水泵系统的结构及性能如下:
[0005]光伏水泵系统的功能部分主要由太阳能光伏阵列、变频控制器，三相异步电动机，抽水水泵等四部分组成，常见结构如图所示。
[0006](I)光伏系统:
[0007]光伏水泵系统的能量来源于光伏阵列半导体材料的光伏效应。
[0008]因光半导体材料内部物理特性，太阳能电池表现出的电源效应，既不是恒压源也不是恒流源，而是非线性直流电源。其输出功率情况不仅受限外界光环境，也与负载情况有关的。因此在不同的温度和光照等环境条件下，需要外界对负载关系进行调整以使太阳能电池能以最大功率输出，即最大功率点跟踪的过程。
[0009](2)三相异步电动机:
[0010]光伏水泵一般应用于无人值守的地区，基于系统成本和寿命的原因，负载电机一般选用二相异步电机。
[0011]这种类型的电机是一个较为复杂的非线性系统，需要进行一定的转换使电机的控制更加的灵活，而且在光伏水泵系统的应用中还需要注意的是，由于光伏阵列不能总是提供充分的能量，系统需要对能量的变化具有适应性。
[0012](3)水泵:
[0013]水泵通过机械传动从负载电机获得能量，但需要保证一定转速和稳定条件，其泵送能力是与系统频率呈三次方关系。
[0014](4)光伏变频器:
[0015]光伏变频器是，光伏水泵运行的核心控制系统，前面所述的最大功率点跟踪功能和电机驱动都是由此部分完成，因此控制也就对应了两级结构，一般的实现如图2中的虚线框内所示:
[0016]第一级通过直流斩波电路进行占空比控制完成光负载的特性转换而达到光伏输出最大功率，一般包括BUCK电路BOOST电路等如附图4所示；
[0017]第二级通过逆变控制，完成电机驱动，以规定的转速和转矩进行稳定输出，其作用方式与通用变频器的功率输出端相同，即附图3中所示的三相逆变桥。
[0018]传统光伏水泵系统的输出的直流电经过两级控制后进行稳定输出，存在光伏变频器结构复杂、控制的成本较高等问题。
【发明内容】
[0019]本发明为了解决传统光伏水泵系统的光伏变频器结构复杂、控制的成本较高的问题，进而提供了一种单级式光伏水泵控制系统。
[0020]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0021]一种单级式光伏水泵控制系统，包括逆变变频器，所述逆变变频器具有一级电力电子变换，通过所述逆变变频器控制由光伏系统输出的直流电转化以频率f以及对应频率的电压U输出的交流电，实现系统光伏收集能量最大程度的传递给水泵电机(异步电机)；
[0022]所述逆变变频器包括辅助电源、霍尔传感器直流采样电路、直流缓冲电路、驱动信号发生电路和三相逆变桥电路，所述驱动信号发生电路包括DSP (数字信号处理单元)和驱动电路；
[0023]光伏系统的正负极(正负端子)通过直流缓冲电路连接三相逆变桥电路的直流侦牝辅助电源从主电路中取电用于给霍尔传感器直流采样电路、DSP2-5和驱动电路供电；霍尔传感器直流采样电路用于采集光伏系统输出的直流电压信号和直流电流信号，霍尔传感器直流采样电路输出模拟电信号给DSP (数字信号处理单元)，经DSP (数字信号处理单元)处理后输出三相PWM驱动信号，三相PWM驱动信号经驱动电路转换为控制三相逆变桥电路中对应六个开关管的开关控制信号，通过控制开关管的周期、导通时间完成对三相交流电的频率f的控制，实现用于控制水泵电机运行的交流电的输出。
[0024]上述单级式光伏水泵控制系统的控制方法，所述方法通过调整频率f实现传递功率控制，使光伏部分以最大功率输出，其具体控制过程为:
[0025]步骤一、利用霍尔传感器对光伏输入的电压Vpv(η)和电流Ipv(η)进行采样；
[0026]步骤二，对步骤一中的电压采样值和电流采样值进行功率运算求得三相逆变桥电路的直流侧的功率P (η)；
[0027]步骤三，判断步骤二功率P (η)与之前时间采样点计算功率P(n-l)的大小关系，如果功率不变化则自然进入保持状态，保持步骤一到步骤三的循环，直至功率产生差值再进入步骤四；
[0028]步骤四，根据功率值的变化对扰动频率进行更新Λ f (η)，即改变扰动量的正负值，正向扰动功率增大则正向扰动，对应功率减小则反向扰动；
[0029]
【权利要求】
1.一种单级式光伏水泵控制系统，包括逆变变频器(2)，其特征在于:所述逆变变频器具有一级电力电子变换，通过所述逆变变频器控制由光伏系统(I)输出的直流电转化以频率f以及对应频率的电压U输出的交流电，实现系统光伏收集能量最大程度的传递给水泵电机⑶； 所述逆变变频器(2)包括辅助电源(2-3)、霍尔传感器直流采样电路(2-4)、直流缓冲电路(2-1)、驱动信号发生电路和三相逆变桥电路(2-2)，所述驱动信号发生电路包括DSP (2-5)和驱动电路(2-6)； 光伏系统(I)的正负极通过直流缓冲电路(2-1)连接三相逆变桥电路(2-2)的直流侦牝辅助电源(2-3)从主电路中取电用于给霍尔传感器直流采样电路(2-4)、DSP(2-5)和驱动电路(2-6)供电；霍尔传感器直流采样电路(2-4)用于采集光伏系统(I)输出的直流电压信号和直流电流信号，霍尔传感器直流采样电路(2-4)输出模拟电信号给DSP(2-5)，经DSP (2-5)处理后输出三相PWM驱动信号，三相PWM驱动信号经驱动电路(2_6)转换为控制三相逆变桥电路(2-2)中对应六个开关管的开关控制信号，通过控制开关管的周期、导通时间完成对三相交流电的频率f的控制，实现用于控制水泵电机运行的交流电的输出。
2.一种单级式光伏水泵控制系统的控制方法，所述方法通过调整频率f实现传递功率控制，使光伏部分以最大功率输出，其特征在于:其具体控制过程为: 步骤一、利用霍尔传感器对光伏输入的电压Vpv(η)和电流Ipv(η)进行采样； 步骤二，对步骤一中的电压采样值和电流采样值进行功率运算求得三相逆变桥电路(2-2)的直流侧的功率 P (η)； 步骤三，判断步骤二功率P (η)与之前时间采样点计算功率P (η-1)的大小关系，如果功率不变化则自然进入保持状态，保持步骤一到步骤三的循环，直至功率产生差值再进入步骤四； 步骤四，根据功率值的变化对扰动频率进行更新△〖(!!)，即改变扰动量的正负值，正向扰动功率增大则正向扰动，对应功率减小则反向扰动；
步骤五、将主控频率f(n)上加入步骤四中的新Af(n)扰动分量，即f(n)=f (η-1) + Δ f (η)； 步骤六，根据新频率值f (η)，即对应压频控制产生的电压值Ua。(η)，进行相关驱动PWM信号的的整体频率及占空比等情况的调整； 步骤七，考虑环境变化以及计时状态，计时到新的采样时间后，功率大小和时间长度没达到临界条件，则返回到步骤一继续运行，达到临界条件，则跳出扰动最大功率循环，重新进行初始频率给定，从而使水泵状态稳定且光伏功率最大输出。
【文档编号】F04B49/06GK104079232SQ201410333683
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】丁宝, 张永明, 赵亮, 刘群 申请人:哈尔滨工业大学