基于DSP的光伏推流系統設計及效果分析

雷增強， 艾矯燕， 劉 剛， 梁 奎

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

基于DSP的光伏推流系統設計及效果分析

雷增強， 艾矯燕， 劉 剛， 梁 奎

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

為解決水產養殖中溶氧濃度低、分布不均衡及常規增氧設備能耗高的問題，設計了一種基于數字信號處理器(DSP)的光伏推流系統。該系統以TMS320F2812 為主控芯片，通過電壓、電流檢測電路對太陽能光伏陣列的輸出功率進行實時跟蹤，實現對蓄電池充放電切換，并采用最大功率點跟蹤(MPPT)方法保證了光伏陣列的最大功率輸出。用該系統對長7 m、寬5 m、深1 m的淺水區域進行連續5 d的推流實驗，并與相同條件下無推流時的溶氧濃度空間分布情況進行對比。結果顯示，無推流情況下，試驗區域從岸邊到湖中溶氧濃度分布呈現由低到高的梯度分布；推流后的溶氧濃度空間分布趨于均衡，且比無推流時的濃度均值提高1～2 mg/L。研究表明，光伏推流能大大降低能耗，提高水體溶氧濃度，改善水體溶氧分布均衡性，對提高水產養殖的密度和產量具有現實意義。

水產養殖；溶氧分布均衡性；光伏推流；最大功率點跟蹤

溶氧含量是水產養殖的關鍵因子之一，而增氧裝置是水產養殖的常用設備[1-3]?，F有的增氧裝置主要有葉輪式增氧機、水車式增氧機、射流式增氧機和渦流式增氧機等，大都采用常規電力，功率大，能耗高，且大多是對局部水域增氧[4-5]。水產養殖環境中由于光照、水草生長等因素的差異，其溶氧濃度分布呈現較大的差異，具有非均衡性。魚類有趨氧的特性，極易聚集到溶氧濃度較高的區域，這就限制了單位面積的養殖量。目前常用的增氧裝置注重提高溶氧濃度，而業界對提高水體溶氧空間分布均衡性的研究尚較少。

本研究基于數字信號處理器(DSP)的小功率淺水光伏推流系統，利用太陽能電池板提供電力，不消耗化石能源。DSP具有低功耗、高精度數據采集、快速運算等優點[6]。光伏發電系統采用MPPT控制，提高了能量轉換效率，增大了光伏發電的功率輸出，對增加水產養殖水體循環、提高水體溶氧的濃度、改善水體溶氧空間分布均衡性，具有現實的意義。

1 系統總體設計

光伏推流系統由太陽能光伏陣列、TMS320F2812DSP主控芯片、檢測電路、驅動電路、電源切換電路、水泵、蓄電池等部分組成(圖1)。

圖1 系統框架圖

采用太陽能電池產生的電能作為系統能量來源，實時檢測光伏陣列的輸出電壓和電流，計算輸出功率。當光伏陣列的輸出功率大于負載功率時，光伏陣列同時對負載供電和對蓄電池充電；當光伏陣列輸出功率低于負載功率時，光伏陣列和蓄電池同時向負載供電。

為保障系統能在持續3個陰雨天的情況下每天持續工作10 h，根據太陽能電池板與蓄電池的容量計算公式，并適當考慮蓄電池和太陽能電池板的耗損，選用賽維LDK250PAFW(B) 型太陽能電池板，2片太陽能電池板串聯，其單板最大功率250 W，工作電壓30.5 V。推流水泵采用上海昭升電機有限公司的ZQB-48型直流潛水泵，其額定電壓48 V，額定功率180 W。蓄電池選用華富6-CNJ-38(12V38Ah)型，4組串聯成48 V。

2 系統硬件電路設計

2.1 檢測電路

電流檢測電路通過一個6 mΩ的采樣電阻，經運放LM358放大后，通過A/D轉換由DSP讀出。電壓檢測電路采用電阻分壓的方式。由于系統工作在室外，一天中的溫差變化較大，需要對蓄電池充電電壓進行溫度補償。采用溫度傳感器DS18B20實現對蓄電池的溫度檢測。系統中溫度補償是-4 mV/℃，即對于2 V的蓄電池，基準溫度25℃，溫度每上升1度，電壓補償-4 mV。

2.2 驅動電路

充放電控制及電源切換使用功率MOS管作開關元件。系統中選用IRFP150作開關元件，漏源極最大電壓100 V，導通電阻0.055 Ω，漏極最大電流20 A，能夠滿足該控制器的性能指標。DSP發出PWM控制信號來控制驅動芯片工作。本系統采用美國IR公司專為驅動單個MOSFET而設計的柵極驅動器，其輸入與標準的CMOS電平兼容[7]。驅動電路原理如圖2所示。

圖2 驅動電路

驅動芯片IR2117的外圍電路采用自舉技術，由二極管MUR1100和電容組成。其原理為：當VS被拉低到地時，+15 V電源就會通過自舉二極管MUR1100對自舉電容充電，從而為VB提供一個電源，芯片內部的推挽結構使HO端口得到一個10～15 V的驅動電壓。

2.3 能量切換電路

光伏電池、蓄電池和水泵之間的切換通過兩路DC/DC直流降壓變換電路實現[8]。能量切換電路的詳細結構如圖3所示。當DSP測得的光伏電池的輸出功率大于水泵的額定功率時，開關S1閉合，開關S2撥向3，光伏電池以最大功率點給水泵供電的同時也給蓄電池充電；當輸出功率小于水泵的額定功率時，開關S1閉合，開關S2撥向1端，蓄電池和光伏電池共同給水泵供電。開關S2的1端、3端均有防反充二極管。

圖3 能量切換電路

系統中DC/DC降壓變換電路為BUCK降壓電路。通過調節TMS320LF2812DSP的事件管理模塊(EV)產生的PWM波的占空比大小來實現降壓和最大功率跟蹤[9]。電路由開關MOS管、續流二極管、濾波電感和濾波電容組成。續流二極管選用MUR820，濾波電感200 μH，濾波電容470 μF。

3 系統軟件設計

3.1 最大功率跟蹤模塊設計

系統軟件設計采用模塊化結構設計，包括電壓、電流和溫度的檢測模塊、最大功率跟蹤模塊、三階段充電模塊、顯示模塊、鍵盤模塊等。最大功率跟蹤(MPPT)[10-11]是光伏系統中對光伏組件的輸出功率進行跟蹤，使光伏組件始終工作在最大功率點(圖4)。本系統采用擾動觀察法實現最大功率跟蹤。

圖4 最大功率跟蹤程序流程圖

最大功率跟蹤是根據調節PWM的占空比d來控制開關元件的導通時間來實現[12-14]。設定初始占空比d和擾動步長Δd，通過實時測得的電壓U(k)和電流I(k)計算當前時刻光伏組件的輸出功率P(k)，并與下一時刻的P(k+1)進行比較。若P(k)=P(k+1)，則當前時刻光伏組件達到了最大功率輸出；若P(k)P(k+1)，則當前時刻光伏組件未達到最大輸出功率，應減小占空比，d=d-Δd；再重新計算輸出功率并與上一時刻的進行比較，直至找到最大功率點。

3.2 三階段充電模塊設計

系統采用三階段充電模式[15-16]。根據鉛酸蓄電池的使用說明，過放點電壓U(a)為42 V，循環充電電壓U(c)為58.4 V。蓄電池端電壓U(b)為檢測到的蓄電池兩端的電壓值。第一階段，U(b)小于U(a)，以小電流恒流方式給蓄電池充電，直至蓄電池電壓升至過放點電壓；第二階段，U(b)大于U(a)但小于U(c)，以大電流恒流方式給蓄電池充電；第三階段，當U(b)大于等于U(c)，以恒壓充電方式充電，當充電電流I(b)≤0.38 A一段時間后充電結束(圖5)。但是，當DSP測得的光伏電池的輸出功率大于水泵的額定功率且蓄電池為預充電狀態，圖3中的S1斷開以避免水泵損壞；而在恒壓充電后期，當檢測到充電電流I(b)<3 A時，開關S2打空，蓄電池既不充電也不放電，水泵的功率全部由光伏電池提供。水泵不工作時，系統按三階段充電模式充電。

圖5 三階段充電程序流程圖

4 推流效果分析

4.1 試驗區域及數據處理

經過實際運行測試，在蓄電池滿電的情況下，有效日照達到10 h，系統可連續穩定運行32 h，能夠滿足設計要求。試驗區域為一個長200 m、寬100 m 的人工湖，水深約1 m。測量了7 m×5 m大小區域的溶氧濃度值，將試驗區域劃分為35個1 m×1 m的網格，每個網格為一個采樣點(圖6)。

圖6 實驗區域網格劃分

溶氧測量深度為水面下約20 cm。水泵放置在平行湖岸且靠近岸邊的位置，垂直湖岸向湖中推流，水泵出水口在水面下約20 cm。在同一實驗區域，選取溫度、光照強度等條件差異不大的10 d，其中5 d不推流，另外5 d進行推流，推流時將水泵出水口放置在水下5 cm處，分別測量兩種情況的溶氧濃度平均值，并對比分析。

實驗時間為每天的8:30～10:30，分別測量8:30、9:30、10:30這3個時刻各采樣點的溶氧濃度。為減小實驗誤差，每次測量均在5 min內完成。

為了更準確地體現試驗區域溶氧濃度分布差異，需要對實驗區域內的35個采樣點進行擬合插值。用RBF神經網絡給實驗區域的溶氧濃度插值[17-20]，以采樣點的坐標作為網絡輸入，溶氧濃度值作為網絡輸出，在MATLAB平臺上調用神經網絡工具箱，得到了400×600個坐標點插值結果。

4.2 溶氧濃度空間分布擬合

分別根據無推流和有推流時的3個時刻得到的400×600個坐標點插值結果繪制濃度分布圖(圖7、圖8)，通過顏色的變化來表示溶氧濃度值的高低，顏色越深表示溶氧越低，顏色越淺表示溶氧越高。X軸表示湖岸，Y軸垂直湖岸。此外，還根據插值結果繪制了溶氧濃度頻率分布直方圖(圖9)。

無推流時，3個時刻的岸邊顏色均較深，離岸邊越遠的地方顏色越淺，溶氧濃度分布呈明顯的梯度分布；有推流情況下，8:30時刻，溶氧濃度空間呈現梯度分布，隨著時間的推移，濃度分布分層現象逐漸減小；到10:30時刻，實驗區域顏色沒有明顯的差異，不再呈現梯度分布。從圖9可以看出，9:30時刻，推流前后溶氧濃度范圍由3～5.5 mg/L增加到了4.8～5.8 mg/L；10:30時刻，推流前后溶氧濃度范圍由4.2～7.2 mg/L增加到了7.2～8.2mg/L。整個實驗區域的溶氧濃度，有推流時比無推流時要高出1～2 mg/L，而且推流后溶氧濃度更加集中，分布更加均勻。因此，推流能有效改善溶氧濃度的空間分布均衡性，提高溶氧濃度。

圖7 無推流情況下溶氧濃度分布濃度圖

圖8 推流情況下溶氧濃度分布濃度圖

圖9 無推流和推流情況下溶氧濃度頻率分布直方圖

5 結論

光伏推流系統通過光伏電池的光電轉換，用蓄電池儲存能量，可以確保連續穩定的動力，能有效提高水體中溶氧的分布均衡性，推流后的溶氧濃度比推流前的提高了1～2 mg/L。研究結果對提高水產養殖的密度和產量具有現實意義。但是，系統對溶氧空間分布均衡性的改善區域還比較小，對較大區域的研究還有待開展。

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[1] 蔣建明,史國棟,趙德安,等.基于Zigbee通信的節能型混合式機械增氧系統[J].農業機械學報,2013,44 (10 ):242-247.

[2] 李海燕,魯敏,施銀桃,等.城市景觀水體的凈化及增氧[J].武漢科技學院學報,2004,17(1):56-60．

[3] 吳晨,王海燕,駱建波,等.太陽能移動式水體增氧裝置的設計與試驗[J].漁業現代化,2014,41(4):49-53.

[4] 谷堅,顧海濤,門濤,等.幾種機械增氧方式在池塘養殖中的增氧性能比較[J].農業工程學報,2011，27(1):148-152.

[5] 張宇雷,倪琦,劉晃.基于間歇非穩態方法的溶氧裝置增氧能力檢測[J].農業工程學報，2010，26(11)：145-150.

[6] 徐科軍,陳志輝,傅大豐.TMS320F2812 DSP應用技術[M].北京:科學出版社,2010:3-10.

[7] 張耕川.基于FPGA的太陽能充電系統的研究與設計[D].西安:西安科技大學,2014.

[8] 殷忠寧.獨立光伏發電系統最大功率跟蹤及能量控制技術的研究[D].重慶:重慶大學,2012.

[9] 戴智鵬,單鴻濤,紀明祥.基于TMS320LF2812單相SPWM波形發生設計[J].裝備維修技術,2012 (2):58-60.

[10]周林,武劍,栗秋華,等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術,2008,34(6):1145-1154.

[11]陳興峰,曹志峰,許洪華,等.光伏發電的最大功率跟蹤算法研究[J].可再生能源,2005,1(1):8-11.

[12]徐鵬威,劉飛,劉邦銀,等.幾種光伏系統MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術,2007,41(5):3-5.

[13]崔巖,蔡炳煌,李大勇,等.太陽能光伏系統MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學報,2006,27(6):535-539.

[14]茆美琴,余世杰,蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統仿真學報,2005,17(5):1248-1251.

[15]胡恒生,王慧,趙徐成,等.蓄電池充電方法的分析和探討[J].電源技術應用,2009,12(8):1-4.

[16]孫超,郭勇,陳新.獨立光伏系統中太陽能充電器的研究[J].電力電子技術,2009,43(4):44-46.

[17]FRANKE R.Scattered data interpolation:Tests of some methods[J].Mathematics of computation,1982,38(157):181-200.

[18]李啟權,王昌全,岳天祥,等.基于RBF神經網絡的土壤有機質空間變異研究方法[J].農業工程學報,2010,26(1):87-93.

[19]陳飛香,程家昌,胡月明,等.基于RBF神經網絡的土壤鉻含量空間預測[J].地理科學,2013,1(1):69-74.

[20]王銀燕,梁榮華,吳福理,等.基于RBF插值的顱面復原算法[J].系統仿真學報,2008(S1):404-406.

Design and effect analysis of photovoltaic push flow system based on DSP

LEI Zengqiang,AI Jiaoyan,LIU Gang,LIANG Kui

(InstituteofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

To solve the problems of low DO concentration,unbalanced DO distribution in water and high energy consumption of conventional aerators in aquaculture,a DSP-based solar push-flow system was designed in this paper.The system uses TMS320F2812 as the main controller,and through tracking the output power of the photovoltaic array by voltage and current detecting circuit,achieves the switch between battery charge and discharge;moreover,maximum power point tracking (MPPT) method was used to assure the maximum power output of PV array.The system was used in a 5-day push flow experiment in a 7 m×5 m shallow water area and the DO concentration spatial distribution was compared with that in none push flow situation.The results showed that,in none push flow situation,the DO concentration presented an obvious gradient distribution from the water shore to center area.While after a certain time of push flow,the DO concentration spatial distribution tended to balanced and the concentration improved.The research shows that PV push flow can reduce energy consumption significantly,increase DO concentration,improve the balance of DO spatial distribution and has practical significance to increase aquaculture density and production.

aquaculture;photovoltaic push flow;distribution of dissolved oxygen balance;MPPT

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.012

2016-06-14

2016-09-17

國家自然科學基金項目(61563002)；廣西科技計劃主席基金項目(1517-08)

雷增強(1991—)，男，碩士研究生，研究方向：自動控制與檢測裝置。E-mail：leizengq@126.com

艾矯燕(1970—)，女，教授，碩導，研究方向：智能信息處理與應用。E-mail：aijy@gxu.edu.cn

S969.321

A

1007-9580(2017)01-063-06