太阳能光伏水泵控制系统研究

太阳能光伏水泵控制系统研究
摘要：光伏水泵技术的最大优点是不消耗燃料和其他有机能源，无污染，有利
于环境保护和节约能源，太阳能电池使用寿命长，维修费用低，这一技术在生活
供水和干旱地区灌溉方面有广阔的应用前景。

本文针对太阳能光伏水泵控制系统
进行了分析。

关键词：光伏水泵；优化控制
1光伏水泵原理
光伏水泵系统是一个比较典型的“光能、机、电一体化”系统，它涉及太阳能的采集、变
换及电力电子、电机、水机、计算机控制等多个学科的最新技术，并且对节约能源有很大的
意义，因此已被许多国家列为优先发展的高新技术和进一步发展的方向，中东、非洲有不少
国家更是期望依藉太阳能水泵及省水微灌、现代化农业等新技术在地下水资源比较充裕的干
旱地区把家园改造为绿洲。

光伏水泵系统的基本工作原理是利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，然后通过控
制器驱动电机带动光伏水泵运行。

光伏水泵系统可广泛用于无电地区的人畜用水、农业灌溉
以及边防、海岛哨所等高度分散点的用水。

2当前光伏水泵控制方式
由于太阳能电池是一个非线性直流电源，其输出电压、电流不但取决于本身的性能参数，还与日照强度、工作温度及负载特性等因素有关，因此，必须考虑系统各部件之间的匹配，
以使系统的效率最高，运行更可靠、稳定。

目前太阳能光伏水泵控制系统多采用最大功率点跟踪技术优化太阳能电池与负载之间的
匹配。

图1为最大功率跟踪型的蓄电池充电控制器结构示意。

主电路采用BUCK软开关型结构，单片机实现PWM调制变换器占空比，改变充电电流，寻优太阳能电池阵列输出最大功率。

此类控制器在充分利用太阳能电池阵列输出能量的同时，使充电电流成为脉冲电流，减小了
蓄电池的极化，主电路软开关结构使得开关管实现ZVS关断、ZCS开通，提高了充电效率。

供水需求改变时功率输出也不能改变，不能够根据泵的实际运行工况来输出功率，造成
太阳能电池功率的浪费，因此需要开发智能控制模块使光伏水泵系统太阳能电池最大输出功
率与负载之间达到最佳匹配，根据供水的需求来调整输出功率，同时兼顾泵及电机相关控制，从而使水泵始终运行在最大效率点。

3光伏水泵控制方式发展趋势
太阳能电池是利用半导体材料的光伏效应制成的。

所谓光伏效应是指半导体材料吸收光
能后产生电动势的现象，即当光照射到PN结构上，产生电子-空穴对。

在半导体内部结附近
生成的载流子，由于受到内建电场的吸引，电子流入N区，而空穴流入P区，结果使得N区
储存过剩的电子，P区则存在过剩的空穴，这些过剩的空穴和电子在PN结附近形成与内建电场相反的光生电场。

光生电场除了抵消势垒电场的作用外，还使得P区带正电，N区带负电，这样在N区和P区之间的薄层就产生电动势。

这种“由光生电”的效应称为“光伏效应”。

太阳能电池的基本特性和二极管类似，可用简单的PN结来说明，图2为太阳能电池的
单元模型和工作原理，图3为太阳电池单元等效电路。

电池单元是光电转换的最小单元，一
般不单独作为电源使用，将太阳能电池单元进行串联、并联并封装后就成为太阳电池组件，
功率为几瓦、几十瓦、几百瓦，众多太阳能电池组件再进行串联、并联后形成太阳电池阵列，构成“太阳能电机”。

目前所用的太阳电池都为硅太阳电池，包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池，它们可
以串并联，并且可以作为太阳能蓄电池。

由于光伏阵列的输出伏-安特性曲线具有强烈的非线性，而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，所以，如果要使光伏水泵系统工作在比较理想的工况，就需要用控制器去调节、控制整个系统。

而整个控制环节最主要还是对电机的控制。

电
机的控制运行不仅要求具有良好的稳态特性，而且要求具有良好的动态特性，所以锁相环的相位跟踪还要具有良好的动态性能，即要能实现快速的相位跟踪，否则就会影响系统的加减速性能，或在突加负载条件下，电子换相误差过大，造成电机失步。

电子换相逆变电源的输出分别为U、V、W三相，每相输出都有两种状态，在上桥臂开关管导通时，输出为高电位“1”，在下桥臂开关管导通时，输出为低电位“0”，因此，输出的不同组合有8种状态，也称为8种电压矢量，其中有2种为零电压矢量，即“000”和“111”。

施加在无刷直流电动机定子绕组上的电压矢量会产生磁场，它与转子磁场相互间的作用力矩即为电磁转矩，在电磁转矩的作用下，电机转子旋转。

为保证在旋转过程中电机转子能够获得稳定的最大转矩，电压矢量必须随转子旋转位置的不同而变化，因此，对应于不同的电机转子位置，应该有不同的电压矢量与其对应，并能够及时地切换电压矢量状态，保证能够在电机高速旋转中使电机转子产生最大转矩。

电子换相方式可以分为两类，第一类为有传感器方式，该方式是采用转子位置传感器直接测量电机转子位置以确定电压矢量的切换，这在控制上无疑是最方便的，它要求位置传感器的安装必须准确可靠。

该电子换相方式的特点是控制简单，电机起动力矩较大。

第二类为无位置传感器方式，即电子换相时刻的确定与控制无需位置传感器信号检测，而是通过识别电机定子U、V、W三相动力线上反映的旋转电势来确定电压矢量的换相时刻。

该方式的特点是系统坚固可靠，制造安装方便。

对于光伏水泵系统，由于电机的负载为水泵，它的负载力矩与转速平方成正比，转速越低，负载阻力矩越小。

因此，水泵电机所需要的起动力矩很小，只要克服摩擦力矩即可。

所以，无位置传感器换相方式的特点非常适合于光伏水泵系统对电机驱动控制的要求。

而对于机泵最高转速限制、电机过载电流限制、机泵空载电流设定、机泵停机低速限制设定、停机再启动延时时间设定、故障停机次数限值设定等相关控制，都要进行智能控制，对流量改变时功率也要随之改变的控制，从而使得太阳能蓄电池、电机、水泵能够达到最佳匹配，而目前很少有这方面的研究报道。

因此，研制开发智能控制模块系统，使光伏水泵系统整体一直处于高效运行状态，这是光伏水泵系统今后的发展趋势。

参考文献：
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