一种光伏水泵系统

吕忠明 刘峰 林平

摘 要：光伏水泵系统是太阳能电池应用的一个重要分支，它的巨大社会和经济效益越来越受到广泛关注。光伏水泵系统由太阳能电池阵列、功率跟踪器、逆变器和电机水泵总成组成。若采用直流水泵电机，可省略逆变器。本文结合自身工作经验重点针对光伏水泵系统的关键技术进行了探究。

关键词：光伏水泵系统;太阳能电池;技术

1引言

在我国，光伏水泵系统的应用刚起步，市场占有额及市场占有量均较低，应用面不廣，采用太阳光伏系统供电提水设备解决这些无电地区的人畜饮水和灌溉问题，是最理想的方式之一。一方面，中国西部边远地区太阳能资源丰富;另一方面，光伏提水设备无污染、无噪声，可靠性高，维护工作量极小。而其可靠性远超过风力提水，随着太阳电池价格的下降，光伏提水应用前景更加广阔。

2光伏水泵系统概述

“光伏水泵系统”也称之为“太阳能光电水泵系统”，利用太阳能电池阵列将太阳能直接转变成电能，通过控制装置，驱动电机而带动水泵进行提水。光伏水泵系统是集光伏技术、微机控制技术、现代控制理论以及电机、水机、电力电子应用为一体的高技术产品。为使光伏水泵工作在最优状态，即有用功率最大输出，光伏水泵的控制单元必须能够对太阳能电池的直流输出和水泵进行合理控制，使两者工作状态相匹配，进而达到最优输出。

3光伏水泵系统的主要研究内容

3.1     最大功率点跟踪技术

光伏水泵控制系统分成光伏阵列控制和水泵电机控制两部分：利用DC/DC 变换器和最大功率追踪（MPPT）算法来控制光伏阵列，使其始终工作在相应的最大功率输出状态;水泵电机控制则根据前级输出功率和水泵自身的特性，实时调整其输出电压和频率，实现系统的最佳运行。

MPPT 控制的目的在于，通过跟踪并使光伏方阵工作在最大功率点上，充分利用太阳能电池的输出能量。MPPT 模块包括：1.V/I 采样模块，为下位机提供太阳能电池组的电压、电流实时值，用以判断最大功率点;2.下位机，根据太阳能电池组的电压、电流实测值判断最大功率点，并控制信号驱动器的输出;3.主功率器件，根据下位机指令，为 DC/DC 转换器提供驱动信号;4.DC/DC 转换，根据信号驱动器的输入占空比，调整负载阻抗到相应值;5.直流供电，由于太阳能电池组的输出电压变化范围较大，因此从 DC/DC 转换器后端采出直流信号，为下位机等控制模块供电。

扰动观察法：通过周期性改变负载的大小来改变太阳电池的输出功率，并通过观察和比较负载变动前后输出功率的大小来决定下一步负载变动的方向。这是目前使用较为普遍的一种算法，结构简单，需要测量的参数少，但是会在功率最大点附近振荡，造成能量损失。

3.2     脉宽调制技术

大功率直流电机的换向电路由驱动和控制两部分组成。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。直流电压经由换流器转成3相电压驱动电机。换流器由6个功率器件分为上臂 / 下臂连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制器提供 PWM 信号决定功率晶体管开关开启状态以及换流器换相时间。为使电机在负载变动时转速稳定，同常在电机内部装有能感应磁场强度的霍尔传感器，提供速度闭环回路控制。也有通过测量电机反向电动势实现速度闭环控制的无霍尔传感器直流电机控制方式。

3.3     微机控制技术

下位机是整个系统的核心，它能够对电压和电流采样数据进行运算， 判断最大功率点，并输出控制信号（如 PWM 信号）调节主功率器件，实现最大功率点跟踪的功能。

电压和电流采样电路的精度决定了最大功率点判断的准确性。为避免太阳能电池输出的交流信号干扰，不仅采样电路需要采用低通滤波措施，在太阳能电池组的输出端也需要增加滤波电路。

直流供电电路需要给采样电路、下位机、主功率器件及其驱动电路等供电，不同的通路之间尽量隔离，以避免相互干扰。

4主要创新点

4.1     针对光伏电池电流 - 电压非线性输出的特点，提出一种爬山法和扰动观察法相结合的混合算法，以实现太阳能电池实时最大功率点追踪的目的。

4.2     硬件设计上采用独立宽冗余输入的 DC/DC（≥1：2）解决光伏电池组输出涨落幅度过大的问题。

4.3     建立起太阳能电池输出特性和水泵电机负载特性的数学模型，研发出专门的控制策略，实现最大功率点的跟踪控制。

5具体技术方案

5.1     DC/DC 转换

设计基于 Buck （ 降压型） 电路的 DC/DC 转换器，输入电压范围72V～144V，输出直流稳压48V，转换效率不低于87%。

5.2     控制及数据处理模块

通过 V/I 采样模块，为单片机提供光伏电池组的电压、电流实时值，用以判断最大功率点。单片机根据既定的MPPT 算法，控制主功率器件输出PWM 信号，调节直流电机驱动器的功率输出。MPPT 算法通过周期性改变负载的大小来改变太阳电池的输出功率，并通过观察和比较负载变动前后输出功率的大小来决定下一步负载变动的方向。该控制模块及 MPPT 算法的设计目标为提高光伏电池组的使用效率10%～30%。

5.3     直流电机驱动器

直流电压经由换流器转成3相电压驱动电机。换流器由6个功率器件分为上臂 / 下臂连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制器提供PWM信号决定功率晶体管开关开启状态以及换流器换相时间。为使电机在负载变动时转速稳定，通过测量电机内部霍尔传感器的反馈信号或测量无霍尔传感器电机的反向电动势，以实现速度闭环控制。直流电机驱动器功率输出可调范围0～600W。

6结语

光伏水泵控制系统包括 DC/DC 转换、控制及数据处理模块和直流电机驱动器等三部分：独立的宽冗余 DC/DC 为直流电机提供稳定输入，控制及数据处理模块根据光伏电池的当前特性追踪最大功率点，通过调整直流电机驱动器的输出，使光伏水泵系统工作在最大功率输出点。

参考文献：

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