光伏水泵系统

光伏水泵系统

具有MPPT控制策略的光伏水泵系统(stand-alone photovoltaic pumping system with MPPP)的主要目标是在不同的光照和温度条件下，最大限度的提高系统的输出功率，仁解决光伏阵列与异步电机水泵这两个具有非线性性质电源和负载之间的配合问题，采用了一种简化的MPPT控制策略使整个系统上作在高输出功率点附近。本节中介绍了系统的电路构成、控制器结构以及控制策略实现力一式。其中，控制器的核心芯片为MC68HC908G32微处理器。

1.光伏水泵系统构成

从电路角度来看，该光伏水泵系统的基本结构可以分为四部分:光伏阵列、最大功率点跟踪器、电力电子逆变器和电机水泵。其中，光伏阵列是由众多的光伏电池串并联构成，其作用是直接将太阳能转换为直流形式的电能。该系统中采用的是单晶硅光伏电池，其伏安特性必须加以调节和控制才能被优化使用:最大功率点跟踪器是整个系统的核心，它的作用就是使整个系统始终上作在最佳工作点上，在不同太阳光照条件下，使太阳能尽量多的转化为电能，使电源和负载之间能达到和谐、高效和稳定的工作状态;电力电子逆变器是最大功率点跟踪器的功率执行单元，它根据最大功率点跟踪器的控制信号，发出不同频率的PWM电压波形，带动电机水泵工作，同时又具有相应的保护功能;电机水泵是该系统的最终执行单元，完成稳定、可靠的出水。该系统中的电机水泵是根据用户对扬程和出水量的要求，兼顾光伏阵列的电压和功率等级的要求而设计的。其中，异步电机是根据变频调速条件下而设计的高效异步电机，在前面第7章有详细的描述。具有MPPT功能的光伏水泵系统控制器是此系统中的重要环节，通常它是指最大功率点跟踪器和电力电了逆变器的总和。

2.光伏水泵系统主电路结构

(1)光伏水泵系统的主要参数和功能

2001年6月，在新疆和田地区奥村成功地安装5kw,.光伏水泵系统.根据对当地的地理、水文和人口分布情况的考查.该系统的卞要性能指标。

根据该系统的主要性能参数指标的设定，设计和选取合适的光伏阵列、电力电子

逆变器以及电机水泵。

(2)光伏阵列电路设计

在光伏水泵系统中，光伏阵列电路的设计很重要，因为光伏电池的很多特性制约了系统其他部分的设计，如它的温度和伏安特性是整个系统设计中始终要考虑的重要环节。同时，光伏电池电路的设计也受系统其他部分的制约，如相关控制器件的参数和逆变器容量等。光伏阵列电路的设计包括:光伏电池型号的选择(额定参数的选择)，整个光伏阵列的功率和电压等级设计.光伏阵列连接组合电路设计。

该系统采用单晶硅光伏电池，光伏阵列的设计流程可以简单描述如下:

①根据项目的性能要求，包括水泵扬程、出水策和输出时间的要求，估算出水泵的每天平均输出功率。

②根据光伏水泵系统的“机泵系统效率”和水泵平均功率.计算出光伏阵列的输出功率等纷

③根据系统的光伏阵列输出电压等级要求和所选单个光伏电池的电几等级。确定光伏阵列的串联关系。

④根据光伏阵列功率、电压等级和串联关系.得到光伏阵列的串并联优化方案吃该光伏水泵系统的光伏阵例。

3.光伏水泵系统控制器与控制策略

(1)、光伏水泵系统MPPT控制器构成

该光伏水泵系统的MPPT控制器以及与系统各部分连接图。其中MPPT控制器由电压传感器、电流传感器、微处理器控制单元(MCU) , PWM控制器和主t毯路构成，MCU采用了Mc68HC908GP32芯片。

(2)、光伏水泵系统控制策略的设计

在该光伏水泵系统中，核心控制策略采用厂最大功率点跟踪控制的一阶差分算法。其中，电压、电流传感可以监测光伏阵列的输出电压、电流以及功率情况，根

据三者的状态以及类似于10. 1节公式(10.1)的判据来进行一阶差分最大功率点跟踪

控制。值得注意的是.该算法是将光伏阵列的输出功率提高到最大，这与电机水泵输

出功率最大稍有区别。造成该区别有几个原因：首先控制器和主电路造成一定的功率损耗;其次，电机水泵负载也具有较强的作线性，典型的光伏水泵输入功率与水泵流量的关系。举例来说.在早上光照不足的时候，电机水泵的输人在一定功率以下时，由于水泵扬程的限制，水泵无法将水扬到地面、可以认为其输出功率为零，此时光

伏阵列的最大功率输出并不具有实用意义;另外，电机水泵的工作状态的调整是一个过渡过程，如果光伏阵列最大功率输出调整的过渡过程与电机水泵工作状态调整的过渡过程配合不好的时候，会大大降低系统的稳定性。一个频繁启动的光伏水泵系统，较难做到输出水量的最大化。在该光伏水泵系统中，将上述因素进行了综合考虑，在核心控制策略之外，采用了多项调整措施，基本保证了在电机水泵工作时，其输出水量的最大化。例如在启动电机和水泵之前对光伏阵列的输出功率进行预估，如果无法达到提水至地面的要求，则不启动电机水泵。