基于MPPT的直流无刷电机光伏水泵控制系统

基于MPPT的直流无刷电机光伏水泵控制系统
陈国荣;张京玲;王天雷;高骏
【摘要】设计和实现了具有改进的频率扰动MPPT算法直流无刷电机的光伏水泵控制系统.改进的频率扰动MPPT算法把固定电压法、变步长与扰动观察法相结合,把电机驱动和MPPT算法合并为一体,实现最大功率点跟踪(Maxi Power Point Tracking,MPPT).介绍了系统硬件和软件的设计,最后实验证明该系统能有效快速响应光照强度变化,实现光伏水泵系统在最大功率点稳定运行.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)002
【总页数】3页(P90-92)
【关键词】光伏水泵;最大功率跟踪;直流无刷电机
【作者】陈国荣;张京玲;王天雷;高骏
【作者单位】广东瑞荣泵业有限公司,广东江门 529000;五邑大学信息工程学院,广东江门 529000;五邑大学信息工程学院,广东江门 529000;广东瑞荣泵业有限公司,广东江门 529000
【正文语种】中文
【中图分类】TM33
光伏水泵是可再生能源的一种美妙的应用，它实现了农作物需水量和日照提供能量之间的和谐配合，节省常规能源、无污染且可以为边远地区居民带来健康和经济利益[1]。

光伏水泵系统控制的核心技术是最大功率点跟踪技术。

为能充分利用太阳
能，提高光伏阵列效率，根据基于直流无刷电机的光伏水泵的特点，把固定电压法、变步长与扰动观察法相结合[2]，得到有效的改进的频率扰动MPPT算法。

并且使用这种改进的频率扰动MPPT算法设计和实现了一套基于直流无刷电机的光伏水
泵控制系统。

1.1 光伏水泵控制系统系统框图
从公式（1）中可知水泵的功率是与转速呈三次方关系，改变带动水泵的电机的转速也就可以改变光伏电池阵列的等效负载，调节电机的转速使光伏电池输出最大功率点（MPP），因此可以把电机驱动和MPPT算法合并为一体进行设计和实现。

其中：N为水泵的功率，n为水泵的转速[3]。

本文基于直流无刷电机的光伏水泵控制系统由四大模块组成。

图1为基于直流无
刷电机的光伏水泵控制系统框图。

1.2 具有MPPT智能控制模块
具有MPPT智能控制模块选用Microchip公司推出的16位数字信号控制芯片dsPIC33FJ32MC204构成。

对太阳能电池输出电压和电流的检测，采用改进的频率扰动MPPT算法改变输出PWM信号占空比改变电机转速，来完成MPPT功能。

除了完成MPPT功能以外还完成水井和水池水位的检测、电机过压、欠压保护和
过流、超功率保护以及按键和显示功能。

图2为具有MPPT智能控制模块框图。

1.3 电机驱动模块
电机驱动模块由IPM智能功率模块和反电势检测电路两部分构成。

反电势检测电
路采用比较器LM339芯片检测反电势的过零点，完成无位置传感器直流无刷电机的转子位置检测。

检测出来的检测反电势的过零点信息输入给核心控制芯片dsPIC，再通过软件控制输出PWM信号给IPM智能功率模块驱动直流无刷电机。

IPM智能功率模块采用PS21564[4]。

PS21564集成了组成电子换相器的几乎所有的硬件，输入核心控制芯片dsPIC给的六路PWM信号，输出接直流无刷电机的U、V、W
三相驱动线。

改进的频率扰动MPPT算法首先利用固定电压法，算出最大功率参考点。

最大功率参考点电压URF计算公式如下：
其中：Uoc为电池开路电压。

然后在以最大功率参考点电压URF来进行分段，并且在扰动观察法的基础上采用变步长算法，来改善驱动电机频率信号搜索速度和搜索范围。

具体做法是当工作点位于最大功率参考点URF左侧较远（URF-（U(i)）＞1/4 URF）时，电压以一个较大的步长（1/8 URF，1/4 URF）的扰动频率量增加电压；当工作点位于最大功率点附近时由于此时功率较大，则提供一个较小的步长（1/32 URF，1/16 URF）扰动频率量；反之当工作点位于最大功率参考点右侧较远（（U(i)-URF）＞1/4 URF）时，电压以一个较大步长（1/8 URF，1/4 URF）的扰动频率量减小电压，从而实现太阳能最大功率点的跟踪。

图4所示为复合频率扰动MPPT算法的流程图。

试验采用太阳能电池阵列的峰值功率为1.2 kW，MPP电压130 V、电流9.2 A；水泵额定功率750W，额定电压110 V，额定转速3 100 r/min，流量/扬程
2(m3/h)/100m。

为了验证这种改进的频率扰动MPPT复合算法的控制效果，做了比较实验：①没有MPPT的控制系统；②采用扰动观察MPPT的控制系统；③采用改进的频率扰动MPPT复合算法的控制系统。

从图4可以看出，没有MPPT控制系统在光照较弱或者光照突然降低时，由于没有蓄电池对直流电压起支撑作用，导致水泵欠压保护。

因此不能有效地利用太阳能资源，特别是在弱光的环境下。

从图5中可以看出，采用扰动观察MPPT控制系统具有通用性好、在光照强度较稳定的情况下能保证系统最大功率跟踪等优点；其缺点是在光照强度快速变化时，
系统跟踪较迟缓，而且系统可能选择错误的调速方向，导致系统频繁停止与启动[5]。

从图6中可以看出，采用改进的频率扰动MPPT复合算法的控制系统可以快速响应光照强度变化，实现光伏水泵系统在最大功率点稳定运行。

本文设计和实现了具有改进的频率扰动MPPT算法直流无刷电机的光伏水泵控制
系统，能有效快速响应光照强度变化，实现光伏水泵系统在最大功率点稳定运行。

【相关文献】
［1］M.Abdolzadeh，M.Ameri.Improving the effectiveness of a photovoltaic water pumping system by spraying water over the frontofphotovoltaic cells［J］.Solid State
Elec⁃tronics.2009（34）：91-96.
［2］张京玲，王天雷，吕秋霞.具有最大功率跟踪控制的太阳能LED路灯智能控制系统［J］.光电子技术，2014，34（1）：33-35.
［3］赵亮.光伏水泵的MPPT及弱光环境优化控制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014. ［4］朱亦丹.BLDC光伏水泵系统的dsPIC控制研究［D］.合肥：合肥工业大学，2010.
［5］徐政，何少强，李友春.独立太阳能扬水系统的最大功率点跟踪方法［J］.太阳能学报，2008，29（2）：193-197.。