基于感應電機的戶用光伏水泵調速系統

羅皓澤，蘇建徽，劉洋

（合肥工業大學能源研究所 教育部光伏系統研究中心，安徽 合肥230009）

光伏水泵系統有著全自動、高可靠性和無人值守等優點，非常適合邊遠地區使用［1］。我國的西部偏遠地區氣候干旱，土地沙漠化嚴重，但是光照資源豐富，采用光伏水泵系統合理地利用地下水資源，對解決該地區的生活與農業用水，改善生態環境，有著重要意義。

目前的戶用型光伏水泵大多數采用的是專用型機泵，制造工藝復雜與維護成本高，不利于大規模推廣。本文采用并研制了基于高頻鏈變換的光伏水泵系統，這類系統前級采用升壓變換，使得直流輸入電壓寬泛，在陰雨天氣可使用蓄電池（36 V，48V）進行供電。后級逆變環節可直接使用通用型高效異步電機驅動潛水泵。制造工藝簡單，維護費用低，性價比高，使得此類系統具有很好的應用前景。

1 系統的結構及組成

戶用型光伏水泵系統的結構如圖1所示。其中能量的輸入可以是太陽能電池或者是蓄電池。前級的DC／DC部分采用推挽正激式電路進行升壓，將低壓直流輸入升至高壓350V；后級的逆變部分完成了機泵的變頻驅動以及控制輸入電壓的穩定，在變頻調速的過程中維持U／f不變，保證電機在恒磁通狀況下高效運行。此外光伏水泵系統還具有最大功率跟蹤、打干保護、電機堵轉、故障指示等功能。

圖1 戶用型光伏水泵系統的結構Fig.1 The structure of residential PV pumping system

2 空間矢量PWM調制技術

空間矢量調制技術（SVPWM）是根據逆變器的不同開關模式直接產生的實際磁通去不斷逼近基準磁通圓［2］，與傳統的SPWM調制技術相比具有直流電壓利用率高，轉矩脈動小等特點。圖2為逆變器主電路結構圖，DC／AC部分為全控式逆變橋，電容C為直流高壓側Udc＝350V的濾波電容，其值的選擇與額定功率、光伏陣列有關。

圖2 逆變橋主電路拓撲結構Fig.2 The main circuit of SVPWM inverter

定義每一相橋臂中的上橋臂導通時用“1”表示，下橋臂導通時用“0”表示，那么逆變器的三相橋臂共有8種開關模式。圖3顯示出對應的8個基本電壓空間矢量。其中有6個幅值相等，相位互隔60°的非零矢量和2個零矢量。三相交流異步電機的理想供電為三相對稱的正弦電壓。由于磁通為電壓時間的積分，若控制不同電壓矢量的導通時間，就可以得到盡可能多的多邊形磁通軌跡進而逼近理想的圓形磁通。

圖3 空間電壓矢量的分區及合成Fig.3 The partition and compound of SVPWM

通常將一個圓周分為6個扇區，由圖3可知任何一個空間電壓矢量都可以由其所在扇區邊界的2個非零矢量線性組合而成。假設期望矢量U在Ⅰ扇區，根據伏秒平衡原理及三角正弦合成定理可得：

式中：U為逆變器輸出電壓矢量U的幅值；U1，U2為非零矢量U1，U2的幅值；TS為PWM開關周期；T1，T2為非零矢量U1，U2的作用時間；T0為零矢量的作用時間；｜U1｜＝｜U2｜＝2Udc／3。

實際合成時采用兩個非零矢量一分為二，同時將零矢量插入各個分割點的辦法。這樣既可以降低逆變器的諧波輸出含量，又有效抑制了低速轉矩脈動。

3 最大功率點跟蹤的設計

3.1 CVT式最大功率點跟蹤控制

由于光伏陣列的輸出具有強烈的非線性特征，而且使用的過程中還會受到光照變化、環境溫度、負載因素的影響。根據工程經驗，太陽能電池最大功率點處的電壓為開路電壓的80%附近，為了使得光伏水泵時刻工作在當前光照下最大功率點處附近，可以采用 CVT（constant voltage tracking）的控制方式對光伏陣列實現最大功率點跟蹤，控制框圖如圖4所示。

圖4 CVT式最大功率點跟蹤控制原理圖Fig.4 The MPPT control schematic based on CVT

圖4中，Usp為光伏陣列工作的實際電壓，U＊sp為光伏陣列的指令電壓。將實際的陣列電壓Usp與指令電壓U＊sp進行比較得到誤差電壓Δu，Δu經PI調節器輸出頻率。由于水泵的輸出功率與轉速的3次方成正比，而轉速與輸入電壓成正比，在SVPWM的算法中又保持U／f恒定，因此調節逆變器的輸出頻率就可以調節光伏水泵的輸出功率和輸出轉矩，從而實現了給定電壓的反饋閉環控制。

3.2 基于最優梯度法的TMPPT控制

在實際應用中，由于季節變換、氣溫、光照等因素的變化都會改變太陽能電池的輸出特性，引起最大功率點的電壓偏移，導致CVT法不能很好地跟蹤最大功率點，使得系統有較大的功率損失。TMPPT（true maximal power point track－ing）法其含義是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統無論在日照及溫度條件下，始終保持太陽能電池輸出最大功率。

最優梯度法是一種以梯度法（gradient method）為基礎的多維無約束最優化問題的數值計算方法。它的基本思想是選取目標函數的負梯度方向（對于光伏系統，應選取正梯度方向）作為每步迭代的跟蹤方向，逐步逼近函數的最小值（或最大值）［4］。光伏列陣的P－V 曲線如圖5所示，其可視為一非線性函數，而最大功率跟蹤的目的就是要在P－V特性曲線上求得功率的最大值，因此最優梯度法可以實現TMPPT。最優梯度法的實質是一種變步長的控制方法，即當系統工作點離最大功率點較遠時的搜索步長大，離最大功率點較近時，搜索步長自動變小。所以最優梯度法有較快的收斂速度，并且能減小在最大功率點附近的震蕩。

圖5 最大功率點跟蹤過程Fig.5 The process of MPPT controlling

最優梯度法定義為：若有一歐式空間n維函數f（f∈En）為連續且可一階微分，那么▽f（x）存在并為一n維列向量。現定義一n維行向量g（x）＝▽f（x）T。令gk＝g（x）＝▽f（x）T，那么最優梯度的迭代算法可表示為

其中：ak為步長因子，是一個非負常量。搜索函數的最小值點是沿著正梯度gk的方向搜索。若忽略串聯電阻效應，可得太陽能電池功率與電壓的關系式［5］：

其中，P（U）為連續一次可微的非線性函數，電壓U是函數P的唯一變量。此時gk為

由式（6）可知，光伏系統的迭代算法為

圖5顯示了最大功率點跟蹤控制的過程。在最大功率點跟蹤搜索開始時，其搜索點應在接近光伏陣列開路電壓處，起始搜索方向為右。在最大功率點右側時有dP／dV＜0，功率P的變化趨勢是增加，當dP／dV＞0時，P的變化方向是減小，應反向搜索。在最大功率點處有dP／dV＝0。在最大功率點左側處，當dP／dV＞0時，功率P的變化為增大，dP／dV＜0時，P的變化是減小趨勢。實際運行過程中，根據P－V的變化關系確定最大功率點所在區域，逐步逼近最大功率點。

圖6為基于最優梯度的TMPPT工作原理圖，其工作原理如下：首先減小U＊sp的設定值，經過CVT內環的電壓控制，使得光伏陣列電壓跟蹤指令電壓U＊sp。采樣光伏陣列的輸出電壓與輸出電流，經過功率計算環節和功率微分環節后，確定dP／dV的極性與大小，并根據最優梯度算法，計算出下一時刻的指令電壓U＊sp。如dP／dV＜0，則Z1為－1，Z2為－1，Z3為－1，U＊sp的指令電壓開始不斷減小，使系統工作點逐步靠近最大功率點。當系統搜索到最大功率點左側時，dP／dV的極性發生變化，dP／dV＞0，則Z1為＋1，Z2為＋1，Z3為＋1，U＊sp的值開始增加，進行反向搜索。最終系統工作點在最大功率點附近處有微小的擺動。

圖6 基于最優梯度的TMPPT控制原理圖Fig.6 The schematic of TMPPT controlling based on optimal gradient method

4 實驗結果及結論

根據上述研究，設計了一套額定功率為750 W的戶用光伏水泵系統。整個系統采用高性能數字信號處理器（DSP）dsPIC30F4011進行控制，前級DC／DC部分中控制芯片采用SG3525將低壓直流輸入升壓至高壓350V。DC／AC部分采用智能一體化功率模塊PS21564。圖7a顯示了前級升壓部分MOSFET開關管上漏源極上電壓UDS波形；圖7b示出系統工作在28Hz時逆變器輸出經RC濾波后的波形；圖7c示出系統工作在50Hz時電機輸出相電流波形；圖7d示出水泵系統MPPT啟動時光伏陣列電壓電流波形。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental graphs

由圖7a所示，由于前級DC／DC部分中升壓變壓器的漏感作用，MOSFET開關管的關斷電壓波形有一定的尖峰，開關管關斷時，承受2倍的輸入電壓。圖7b示出控制器輸出相電壓波形為馬鞍波，這是由于系統使用SVPWM調制法，而且采用準優化開關模式，將零矢量U0和U7平均注入到每個PWM周期始末和中間。圖7c示出當控制器拖動機泵運行時，逆變器輸出的相電流波形基本為正弦波，波形畸變也很小。圖7d示出系統在進行最大功率跟蹤的過程中，可快速地跟蹤指令電壓。實驗表明該系統可以驅動通用性水泵高效穩定的運行，控制策略簡單，各項功能均可實現，具有很好的實用價值與應用前景。

［1］袁立強，趙爭鳴，陳昆侖，等.光伏水泵系統的電磁兼容性設計［J］.電工電能新技術，2002，21（3）：25－27.

［2］蘇建徽.光伏水泵系統及其控制的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2003.

［3］鞠洪新，余世杰，蘇建徽，等.基于空間矢量PWM法的光伏水泵變頻控制系統［J］.太陽能學報，2005，26（2）：157－161.

［4］趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2003.

［5］蘇虎成，陳忠，劉晉，等.基于開路電壓、短路電流的最優梯度法的光伏發電系統MPPT控制［J］.電氣開關，2010（1）：17－20.