基于數(shù)字信號控制器(DSC)光伏水泵變頻器的研究

2 光伏水泵最大功率點跟蹤(MPPT)設計
2．1 常規(guī)恒定電壓跟蹤(CVT)方式的特點與不足
CVT方式可以近似獲得太陽電池的最大功率輸出，軟件上處理比較簡單。但實際上日照強度和溫度是時刻變化的，尤其是在西部地區(qū)，同一天中的不同時段，溫度和日照強度變化都相當大，這些都會引起太陽電池陣列最大功率點電壓的偏移，其中尤以溫度的變化影響最大。在這種情況下，采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大點。

2．2 TMPPT的原理與實現(xiàn)
為克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下，始終使太陽電池工作在最大功率點處。由于逆變器采用恒V／f控制，故水泵電機的轉(zhuǎn)速與其輸入電壓成正比，因此，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就等于調(diào)節(jié)了負載電機的輸出功率。故本系統(tǒng)采用TMPPT方式使太陽電池盡可能工作在最大功率點處，為負載提供最大的能量。

由太陽電池陣列的特性曲線(見圖4)可知，

在最大功率點處，dP／dv=O，在最大功率點的左側(cè)，當dP／dV>O時，P呈增加趨勢，dP／dVO時，P呈減少趨勢；但在最大功率點的右側(cè)，當dP／dv>O時，P呈減少趨勢，dP／d vO時，P呈增加趨勢。據(jù)此可在實際運行時根據(jù)P-V的變化關(guān)系確定最大功率點。

圖5為TMPPT型最大功率點跟蹤控制框圖。系統(tǒng)的輸入指令值為0，反饋值為dP／dV，假定Z3狀態(tài)為+1，則Usp*指令電壓增加，經(jīng)CVT環(huán)節(jié)調(diào)整，系統(tǒng)的輸出電壓V跟蹤Usp*增加，采樣輸出電流I，經(jīng)功率運算環(huán)節(jié)和功率微分環(huán)節(jié)，獲得dP／dV值，如dP／dV>0，則Z1為+1，Z2為+1，Z3為+l，Usp*指令電壓繼續(xù)增加。如dP／dVO，則Z1為-l，Z2為-1，Z3為-1，Usp*指令電壓開始減小。穩(wěn)定工作時，系統(tǒng)在最大功率點附近擺動，如果擺動幅度越小，則精度越高。在具體工作時，為了防止搜索方向的誤判斷，軟件中設置了搜索限幅值，使系統(tǒng)的工作可靠性進一步提高。由于本系統(tǒng)中采用的ASIPM模塊帶有電流檢測功能，故在硬件設計上可以省去電流檢測電路，節(jié)約了成本，并進一步優(yōu)化了外圍電路。

3 系統(tǒng)的保護功能設計

1)過流和短路保護功能 由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻，所以通過檢測母線電流可以實現(xiàn)保護功能。當檢測電流值超過給定值時，被認為過流或短路，此時下橋臂IGBT門電路被關(guān)斷，同時輸出故障信號，dsPIC檢測到此信號時封鎖PWM脈沖進一步保護后級電路。

2)欠壓保護功能 ASIPM檢測下橋臂的控制電源電壓，如果電源電壓連續(xù)低于給定電壓1OMs，則下橋臂各相IGBT均被關(guān)斷，同時輸出故障信號，在故障期間，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來信號。

3)過熱保護功能 ASIPM內(nèi)置檢測基板溫度的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值被直接輸出，dsPIC通過檢測其阻值可以完成過熱保護功能。

以上保護是利用了ASIPM自身帶有的功能，無須外加電路，進一步簡化了硬件電路設計。系統(tǒng)除了具有上述保護功能外，還具有光伏水泵系統(tǒng)特有的低頻、日照低、打干(自動和手動打干)等保護功能。對于泵類負載，當轉(zhuǎn)速低于下限值時，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為損耗，長期低速運行，會引起發(fā)熱并影響水泵使用壽命，因此，本系統(tǒng)設計了低頻保護，對水泵來說，當液面低于水泵進水口時，水泵處于空載狀態(tài)，若不采取措施，長時間運行則會損壞潤滑軸承，而本系統(tǒng)為戶外無人值守工作方式，故系統(tǒng)為了增加檢測可靠性，采用了自動打干和手動打干兩種識別方式，其中，自動打干是根據(jù)系統(tǒng)輸出功率和電機工作頻率來進行判別；手動打干則是通過水位傳感器識別當前水位高低來實現(xiàn)的。由于低頻、日照低、打干等功能都是由軟件來完成，不須增加硬件電路，故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

4 結(jié)語
本系統(tǒng)DC／DC環(huán)節(jié)采用的推挽正激式電路，在性能、經(jīng)濟等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，非常適用于光伏水泵系統(tǒng)。DC／AC環(huán)節(jié)采用最新的ASIPM模塊大大簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性?？刂撇呗陨喜捎肨MPPT最大功率點跟蹤控制方法，提高了系統(tǒng)效率、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時本系統(tǒng)還采用了數(shù)字信號控制器(DSC)dsPIC30F2010對于提高系統(tǒng)運行速度，改善系統(tǒng)性能起著重要作用?？傊?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/基于">基于上述結(jié)構(gòu)的光伏水泵控制器，無論在結(jié)構(gòu)、功能、成本和可靠性等方面都具有明顯的優(yōu)越性和市場競爭力。