1 引言
“光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”，其基本原理是利用半导体太阳能电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类马达带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。在一些中小功率的光伏水泵系统中，多采用直流无刷电动机作为驱动马达，但在一些较大功率的光伏水泵系统中亦不乏采用交流异步电动机作为驱动马达。在交流异步电动机作为驱动马达的场合，通常采用光伏水泵专用变频控制器进行控制。在利用光伏水泵专用型变频控制器时存在以下一些限制:用途比较单一、不是一种成型产品，制造工艺得不到保证、维修不方便等。这些限制都不利于光伏水泵的推广应用。为此，我们设计了一种以通用变频器代替光伏水泵专用变频控制器的光伏水泵控制系统。
2 光伏水泵系统的组成
光伏水泵系统通常由太阳能光伏阵列(以下简称光伏阵列)、水泵变频控制器和机泵组成, 其结构框图如图1所示。
图1 光伏水泵系统组成结构图
与我们常见的以交流市电作为电源水泵系统不同的是, 光伏水泵系统是以太阳能光伏阵列输出的直流电作为系统的电源供给。太阳能光伏阵列的输出是一种强烈非线性的直流电源, 受日照、环境温度等气象条件影响很大。要想光伏水泵系统在任何日照、环境温度等条件下都能发挥当前光伏阵列输出功率的最大潜力, 就需要一个能使电源和负载之间达到和谐、高效、稳定的工作状态的控制器。图1中的变频器即是实现该功能的, 主要是实现mppt(最大功率点跟踪)、逆变和一些保护功能。机泵为系统的执行机构, 包括驱动电机和水泵, 通过调节机泵的转速即可调整系统负载的大小。
3 系统的工作原理
太阳能光伏阵列是一种非线性的直流电源，它既非恒流源，也非恒压源，也不能为负载提供任意大的功率。但在日照一定的前提下，光伏阵列有一个最大输出功率点，如果系统工作时光伏阵列输出功率为该点对应的功率值，则系统此时工作在最佳状态。图2给出了不同日照强度s下太阳能光伏阵列的i-v曲线。
图2中:s为日照强度，单位为w/m2。a、b、c、d、e为对应的日照强度下光伏阵列的最大输出功率点。
图2 cvt式mppt原理示意图
在cvt式的mppt中，工程上可以近似认为不同日照强度下的最大输出功率点(如图2中的a、b、c、d、e点)逼近一条直线u=u*=const。也就是说只要光伏水泵系统运行过程中光伏阵列一直保持其输出电压为u*=const，就可以保证光伏阵列一直具有在当前日照下的最大功率输出。
采用变频器拖动光伏水泵以实现cvt式mppt控制实际上是运用反馈控制原理，在不同的日照强度下，通过改变变频器的输出频率来调整电机水泵的转速(即负载大小)，从而达到稳定光伏阵列输出电压的目的。其控制原理如图3所示。
图3 系统控制原理框图
图3中:u*为pi调节器的给定值，亦为cvt给定指令电压; udc为光伏阵列实际输出电压，亦为变频器的直流侧电压; fset为变频器频率给定值; idc为光伏阵列的输出电流，亦为变频器的直流侧电流。
图3中pi调节器根据给定误差输出变频器的频率给定信号，从而改变水泵驱动电动机的转速，如此也即改变了系统的负载大小。fset越大，电动机转速越高，系统负载越大;反之，fset越小，电动机转速越低，系统负载越小。而系统负载的大小直接影响到变频器的直流侧电流即idc的大小。负载越大，idc越大;负载越小，idc越小。这样就构成如下所述的系统调节过程:
当检测到的光伏阵列输出电压udc大于指令电压u*时，变频器的频率给定fset上升，机泵的转速n也上升，负载增加，光伏阵列的输出电流idc增加，光伏阵列输出电压udc下降直到稳定在工作点u*; 当光伏阵列输出电压udc小于指令u*时，变频器的频率给定fset下降，机泵的转速n也下降，负载减小，光伏阵列的输出电流idc减小，光伏阵列输出电压udc增加直到稳定在工作点u*。
4 实际系统设计
实际系统是由一台西门子micromaster440 7.5kw通用型变频器、太阳能光伏阵列(开路电压约700v，功率8kw)、一台5.5kw水泵(驱动电机为三相异步电动机)、水位检测单元和控制板组成。系统结构图如图4所示。
图4 系统结构框图
在光伏水泵系统中，我们只能运用太阳能光伏阵列作为整个系统的电源供给。西门子mm440变频器可由直流电源直接供电，并且该型号变频器能向外提供+24v(最大100ma)的直流控制电源，这就使得直接利用太阳能光伏阵列供电成为可能。另外，该变频器能提供2路模拟量输入和2路模拟量输出以及内部的pid调节功能，这极大的方便了系统的设计。
太阳能光伏阵列输出电压采样是利用变频器内部的ad采样功能来实现的，该信号参与变频器的内部pi调节以实现cvt式mppt控制;同时此信号被送入控制板，参与起停电压控制。cvt控制方式的一个特点是在不同的时间、地点可能要设置不同的cvt工作点电压u*，因此需要设定不同的pi调节器给定值。pi调节器给定值 u*的给定幅值一般需凭借经验作出较为正确的预估(一般为光伏阵列开路电压的75％)并辅以实测调整，通过变频器的操作面板设定。系统工作时对直流侧电压突降很敏感，因此系统要有良好的快速性，否则系统在日照强度快速减弱时(如乌云突然遮挡)，电机降速不及时，光伏阵列提供的功率不够，其输出电压会急剧下降而使系统进入故障停机。系统的快速性可以通过设定pi调节的时间常数和变频器的加减速时间来实现。
控制板主要是进行变频器的起停以及水位控制等功能。下面简要介绍一下控制板的功能。
(1) 起停控制
根据试验测定，西门子mm440变频器在运行状态下，若其直流侧电压(即光伏阵列的输出电压)低于420v，就会发出欠压故障报警并停机，但如果是在停机状态下直流侧电压下降到420v则不会发出欠压故障报警。因此，必须控制变频器停机时的光伏阵列输出电压高于420v欠压点，以防止变频器的欠压故障。另外, 在系统停机时阵列输出电压约等于开路电压, 系统启动后, 阵列输出电压会下降，这可能造成如下过程:变频器启动后, 因阵列输出电压降低而造成变频器停机;变频器停机后, 又因阵列输出电压上升而使变频器重新启动。为避免系统出现这种频繁的起停振荡以及变频器发生欠压故障报警, 系统设置一个如图5所示启停电压滞环，在光伏阵列输出电压高于开机点电压576v时，变频器才能启动, 只有光伏阵列输出电压低于停机点电压480v时变频器才能停机, 停机后必须等阵列输出电压上升到开机点电压576v后才能使变频器再次启动。
图5 起停电压控制示意图
(2) 水位控制功能
水位检测机构将水井和蓄水池的水位信号通过4路开关触点信号送入控制板, 根据不同的水位状态控制变频器的起停。水位的上、下限开关实际构成滞环控制, 以避免因为水位变化而造成系统频繁起停振荡。另外, 水井水位下限开关的安装位置应高于水泵的进水口以起到打干保护的功能。
5 结束语
光伏水泵系统是目前太阳能光电应用中最具特色的应用领域之一。本文所探讨的系统是一种通用变频器在太阳能光伏水泵系统方面的应用，该系统组成简单，调试方便，无需专门的采样单元和保护单元(均由变频器内部功能来实现)，可以实现全自动控制，十分适合于一些边远干旱、缺电地区的使用。该系统已成功地在西藏某地得到应用，效果理想。
参考文献
[1] 苏建徽. 光伏水泵系统及其控制的研究. 肥工业大学博士毕业论文，2003.
[2] 京特·莱纳著,余世杰,何慧若译. 太阳能的光伏利用. 合肥工业大学出版社，1990.
[3] siemens公司.micromaster440 0.12kw-250kw标准变频器使用大全. 2002,8.
作者简介
张志刚(1976-) 男 合肥工业大学能源研究所在读硕士生，所学专业为电力电子与电力传动。
