光伏水泵提水系統(tǒng)功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)*

徐 斌, 王志新, 包龍新, 秦 華

(1. 上海交通大學(xué) 電氣工程系,上海 200240； 2. 上海禧龍科技股份有限公司,上海 201517;3. 上海華程電梯技術(shù)有限公司,上海 201111)

0 引 言

光伏水泵提水系統(tǒng)是一種以太陽能作為能源的新能源提水系統(tǒng)。由于不需要電網(wǎng)供電或者內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，十分適合干旱缺水地區(qū)以及缺電無電地區(qū)，如我國西北地區(qū)、云南高原地區(qū)[1-2]。此外西亞、中東、北非等地區(qū)也因?yàn)楦珊瞪儆辍⑻柲苜Y源豐富的環(huán)境特征，可以使光伏水泵提水系統(tǒng)發(fā)揮出最大的作用。另外，像電網(wǎng)不可靠但以農(nóng)業(yè)為主、灌溉需求大的印度農(nóng)村地區(qū)，也非常適合光伏水泵提水系統(tǒng)的應(yīng)用。

盡管光伏水泵提水系統(tǒng)具有資源充足、低碳環(huán)保、建設(shè)成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是由于太陽能資源的不可控制性及不可預(yù)測性，光伏水泵提水系統(tǒng)難以長時(shí)間連續(xù)高效的運(yùn)行。即便采用帶蓄電池的交流光伏水泵提水系統(tǒng)，由于蓄電池價(jià)格昂貴、壽命短、安裝在室外還需要考慮蓄電池的防護(hù)問題以及為了使蓄電池有電可充,需要改變光伏陣列和水泵的功率配比而增加光伏陣列投資等問題，注定使得帶蓄電池的交流光伏水泵提水系統(tǒng)難以得到廣泛應(yīng)用。因此，為了實(shí)現(xiàn)光伏水泵提水系統(tǒng)24 h連續(xù)高效運(yùn)行，使用三相市電代替蓄電池，形成光伏-市電聯(lián)合供電的提水系統(tǒng)。由于三相市電經(jīng)過整流后的平均電壓超過500 V，遠(yuǎn)高于直流光伏水泵提水系統(tǒng)常用的24、48 V輸出電壓，因此只適合交流光伏水泵提水系統(tǒng)[3]。

1 現(xiàn)有功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案的局限

文獻(xiàn)[4]提出了一種針對一般負(fù)載的功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案，使用單相市電進(jìn)行功率補(bǔ)償，負(fù)載可為交流負(fù)載或直流負(fù)載，光伏-市電聯(lián)合供電原理圖如圖1所示。

圖1 光伏-市電聯(lián)合供電原理圖

文獻(xiàn)[5]提出了一種針對交流負(fù)載的功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案，使用單相市電進(jìn)行功率補(bǔ)償，功率平衡方案結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 功率平衡方案結(jié)構(gòu)圖

由圖1、圖2可以看出，現(xiàn)有的功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)一般采用兩級結(jié)構(gòu)。對于交流負(fù)載，第一級為直流變壓模塊，第二級為逆變模塊，通過380 V直流母線相連。即使去掉功率補(bǔ)償模塊，即圖1中的PFC、圖2中的整流電路以及LLC諧振半橋變換器，第一級中連接光伏電池的DC-DC電路仍然存在，總體仍為兩級結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4-5]提出的功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案只適用于前端電路為兩級結(jié)構(gòu)的負(fù)載。但是由于兩級結(jié)構(gòu)成本較高、效率相對較低，所以現(xiàn)有的交流光伏水泵提水系統(tǒng)控制器一般不采用兩級結(jié)構(gòu)，而是采用單級結(jié)構(gòu)[6]，交流光伏水泵提水系統(tǒng)控制器示意圖如圖3所示。

圖3 交流光伏水泵提水系統(tǒng)控制器示意圖

由圖3可以看出，現(xiàn)有的交流光伏水泵提水系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)中已經(jīng)沒有類似于圖1、圖2中的直流母線。因此，文獻(xiàn)[4-5]提出的功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案并不適用于現(xiàn)有的交流光伏水泵提水系統(tǒng)。此外，現(xiàn)有的交流光伏水泵提水系統(tǒng)采用三相交流離心泵，不同于文獻(xiàn)[4-5]中的單相220 V交流負(fù)載，更凸顯了現(xiàn)有功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)方案的局限性。

2 功率補(bǔ)償控制器原理及控制策略

2. 1 負(fù)載分析

要設(shè)計(jì)交流光伏水泵提水系統(tǒng)專用的功率補(bǔ)償控制器，必須對水泵負(fù)載進(jìn)行具體分析，而離心泵是最為常用的水泵[7]。離心泵的功率由式(1)決定[8]:

(1)

式中：Pp——離心泵功率；

ρ——介質(zhì)密度；

g——重力加速度；

Q——流量；

H——揚(yáng)程；

ηp——離心泵的效率。

當(dāng)液體的黏度很小(如清水)且離心泵的效率恒定時(shí)，離心泵的流量、揚(yáng)程、功率和轉(zhuǎn)速滿足：

(2)

又因?yàn)?/p>

(3)

代入式(2)中，有:

(4)

因此離心泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平方成正比，即離心泵負(fù)載屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載本身不會(huì)突變，只會(huì)根據(jù)光伏水泵提水系統(tǒng)輸入功率的變化而變化。因此，在進(jìn)行功率補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，只需要著重考慮輸入功率的變化，不需要考慮負(fù)載的變化。

2. 2 功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)原理

考慮到離心泵負(fù)載屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)輸入功率恒定時(shí)，離心泵的轉(zhuǎn)速將始終保持恒定。因此，使用三相不可控整流電路將三相市電接入到光伏陣列連接的直流母線上，保持功率補(bǔ)償時(shí)輸入功率恒定，功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

圖4 功率補(bǔ)償器設(shè)計(jì)原理圖

采用三相不可控整流電路，一方面不需要控制電路，降低了制造成本，也簡化了控制策略；另一方面在進(jìn)行功率補(bǔ)償時(shí)保持輸入電壓即輸入直流母線電壓恒定，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體的工作原理如下。

光伏陣列通過PV+、PV-接口直連直流母線；三相市電通過三相不可控整流電路變換成直流電輸出到直流母線上。直流母線連接三相逆變電路將直流電變換成三相交流電輸出到U、V、W輸出接口，接上三相交流水泵即可工作。

根據(jù)圖4，為了實(shí)現(xiàn)光伏優(yōu)先、市電補(bǔ)充的工作模式，當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率足夠時(shí)，必須使光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓即PV+、PV-端口的輸入電壓不低于三相市電經(jīng)過三相不可控整流電路整流之后的電壓。當(dāng)光電池溫度保持不變時(shí)，光伏陣列的開路電壓只是略微降低，主要是輸出電流降低了。因此只要預(yù)先配置好光伏陣列模塊的串并聯(lián)數(shù)量，就可以使光伏陣列的輸出電壓不低于三相不可控電路整流之后的電壓。

當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率足夠時(shí)，直流母線電壓較高，此時(shí)三相不可控整流電路的輸出電壓低于直流母線，因此光伏陣列優(yōu)先供電，三相電不供電。此時(shí)三相逆變電路可對光伏陣列進(jìn)行MPPT控制[9]，以提高光伏陣列的效率。

當(dāng)光伏陣列的最大輸出功率不夠時(shí)，直流母線電壓較低，三相市電接入，將直流母線電壓抬升到三相市電整流之后的電壓。由于光伏陣列可看作是電流源，因此光伏陣列的輸出仍然優(yōu)先，根據(jù)U-I曲線輸出相應(yīng)的電流。此時(shí)三相市電作為補(bǔ)充能源向水泵供電。由于光伏陣列的輸出電壓恒定，因此對光伏陣列進(jìn)行恒壓控制。

2. 3 控制策略

使用霍爾傳感器對三相不可控整流電路的輸出電流進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)光伏陣列輸入功率足夠時(shí)，三相不可控整流電路輸出電流為零，此時(shí)對光伏陣列進(jìn)行MPPT控制，控制算法如圖5所示。

圖5 MPPT控制算法

使用ADC對光伏陣列的輸入電壓U和輸入電流I進(jìn)行采樣，然后使用MPPT控制算法中的擾動(dòng)觀察法(Perturbation and Observation，P&O)計(jì)算得到當(dāng)前采樣周期的參考電壓Uref，將下一個(gè)采樣周期的光伏陣列輸入電壓U和參考電壓Uref相減，得到電壓差ΔU，再通過PID調(diào)節(jié)器得到給定頻率信號f，即三相逆變電路的輸出頻率[10]。

當(dāng)光伏陣列輸入功率不夠時(shí)，三相不可控整流電路輸出電流大于零，此時(shí)對光伏陣列進(jìn)行恒壓控制。

2. 4 硬件設(shè)計(jì)

功率補(bǔ)償控制器的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

圖6 硬件設(shè)計(jì)框圖

在圖6中，使用HNC-661霍爾電流傳感器進(jìn)行電流采樣，使用采樣電阻和運(yùn)放進(jìn)行電壓采樣[11]。核心功率電路三相逆變電路采用FAIRCHILD公司的FSBB3智能功率模塊，芯片內(nèi)部不僅封裝了6個(gè)高性能IGBT模塊，還封裝了驅(qū)動(dòng)電路以及過壓過流保護(hù)電路，既便于控制，又具有極佳的可靠性，十分適合光伏水泵提水系統(tǒng)24 h連續(xù)運(yùn)行。此外，采用TMS320LF2406A芯片作為控制芯片，通過ADC采樣電壓電流信號，根據(jù)光伏陣列輸入功率的變化選擇MPPT控制算法或恒壓控制算法，輸出相應(yīng)的PWM控制信號到FSBB3智能功率模塊。

3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)提出的光伏水泵提水系統(tǒng)功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)方案，在MATLAB/Simulink環(huán)境中搭建了相應(yīng)的仿真模型[12]，仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型

圖7中，光伏陣列模型選用MATLAB內(nèi)置的PV Array模塊，型號為1Soltech公司的1STH-230-P模塊，在1 000 W/m2的輻照強(qiáng)度和25 ℃的光電池溫度下，最大功率為228.735 W，最大功率點(diǎn)的輸出電壓為29.9 V，最大功率點(diǎn)的輸出電流為7.65 A。將18個(gè)該模塊按照2×9(2為并聯(lián)數(shù)量、9為串聯(lián)數(shù)量)組成光伏陣列，在1 000 W/m2的輻照強(qiáng)度和25 ℃的光電池溫度下，最大功率約為4 117.23 W。三相不可控整流電路[13]和三相逆變電路[14-16]均采用通用橋模塊，開關(guān)管分別設(shè)為電力二極管和IGBT。負(fù)載為額定功率4 kW的異步電機(jī)，控制算法為MPPT控制和恒壓控制。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：初始輻照強(qiáng)度設(shè)置為1 250 W/m2，0.5 s時(shí)降低到1 000 W/m2；1.5 s時(shí)降低到800 W/m2；2.5 s時(shí)降低到600 W/m2；光電池溫度設(shè)置為恒定25 ℃；三相逆變電路頻率設(shè)定為恒定50 Hz；仿真時(shí)間設(shè)為3.5 s。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 光伏陣列輸出功率

圖9 三相市電補(bǔ)償功率

圖10 異步電機(jī)機(jī)械角速度

由仿真結(jié)果可知，在0.5 s之前，光伏陣列輸出功率足夠，進(jìn)行MPPT控制；0.5 s之后，光伏陣列輸出功率不夠，進(jìn)行恒壓控制。除了在仿真時(shí)間為0.5 s時(shí)，由于控制算法從MPPT控制切換到恒壓控制，系統(tǒng)發(fā)生振蕩導(dǎo)致異步電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)小幅降低。其余時(shí)刻當(dāng)光伏陣列的輸出功率變化時(shí)，三相市電立刻對功率缺口進(jìn)行補(bǔ)償，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速始終保持穩(wěn)定。因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了提出的光伏水泵提水系統(tǒng)功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)是有效的。

4 試驗(yàn)測試

根據(jù)本文提出的功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)方案，在試驗(yàn)室搭建了相應(yīng)的測試平臺。試驗(yàn)測試所用的直流電源為1臺額定功率為18 kW、輸出電壓為0～600 V直流電壓、輸出電流為0～30 A直流電的可控直流電源；試驗(yàn)所用的三相電為三相市電。功率補(bǔ)償控制器額定功率為5 kW，所帶的負(fù)載是三相電阻負(fù)載。在純直流供電、純交流供電、交直流同時(shí)供電3種工作模式下對功率補(bǔ)償控制器進(jìn)行了測試。

4. 1 純交流供電

功率補(bǔ)償控制器只接入三相市電，不接入直流電。負(fù)載柜設(shè)置為額定負(fù)載5 kW，對功率補(bǔ)償控制器的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 純交流供電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4. 2 純直流供電

功率補(bǔ)償控制器只接直流電，不接入三相市電。負(fù)載柜設(shè)置為額定負(fù)載5 kW，調(diào)節(jié)直流電源的輸入電壓和輸入電流，對功率補(bǔ)償控制器的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測量，純直流供電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 純直流供電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4. 3 交直流同時(shí)供電

功率補(bǔ)償控制器同時(shí)接入直流電、三相市電。三相電阻負(fù)載設(shè)置為額定負(fù)載5 kW，調(diào)節(jié)直流電源的輸入電壓和輸入電流，對功率補(bǔ)償控制器的輸出電壓和輸出電流進(jìn)行測量，以及測量三相市電的輸入線電壓和輸入相電流，交直流同時(shí)供電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 交直流同時(shí)供電試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3中，輸入線電壓是指輸入的三相線電壓有效值的平均值，輸入相電流的值是指輸入的三相電流有效值的平均值，輸出線電壓是指輸出的三相線電壓有效值的平均值，輸出相電流是指輸出的三相相電流有效值的平均值，效率是指交流輸出功率和交直流總輸入功率的比值。

4. 4 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)輸入只有直流電源時(shí)，功率補(bǔ)償控制器正常工作，此時(shí)功率補(bǔ)償控制器的工作效率較高，均超過了90%。

當(dāng)輸入只有三相市電時(shí)，功率補(bǔ)償控制器正常工作，此時(shí)功率補(bǔ)償控制器的工作效率相比純直流供電時(shí)的工作效率略低，為81.05%。

當(dāng)輸入同時(shí)有直流電源和三相市電時(shí)，當(dāng)直流電源輸出功率不足時(shí)，三相市電對功率缺口進(jìn)行補(bǔ)償，且隨著直流電源的輸出功率逐漸降低，三相市電的輸出功率逐漸上升，實(shí)現(xiàn)了功率補(bǔ)償控制器的基本功能，即光伏優(yōu)先、市電補(bǔ)充的工作方式，此時(shí)功率補(bǔ)償控制器的工作效率較高，超過92.9%。但隨著市電補(bǔ)償功率的增加，效率逐漸降低。交流、直流同時(shí)供電功率如圖11所示。

圖11 交流、直流同時(shí)供電功率圖

由試驗(yàn)結(jié)果可得，本文提出的光伏水泵提水系統(tǒng)功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)方案是可行的。

5 結(jié) 語

本文提出了一種通過三相不可控整流電路將三相市電直接接入到光伏陣列輸入直流母線的功率補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)方案。當(dāng)光伏陣列輸出功率不足時(shí)，采用恒壓控制，三相市電自動(dòng)對功率進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)光伏陣列輸出功率充足時(shí)，采用MPPT控制，由光伏陣列單獨(dú)供電。通過光伏優(yōu)先、市電補(bǔ)充的工作模式，實(shí)現(xiàn)了光伏水泵提水系統(tǒng)的24 h連續(xù)高效運(yùn)行。

此外，該設(shè)計(jì)方案只需要在現(xiàn)有的交流光伏水泵提水系統(tǒng)控制器的基礎(chǔ)上添加一個(gè)三相不可控整流模塊，不需要重新設(shè)計(jì)制造PCB，只需要對控制器的外殼進(jìn)行稍加修改，改進(jìn)成本很低，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

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