光伏水泵变频

户用光伏水泵变频驱动电源的研制PAGEPAGE12户用光伏水泵变频驱动电源的研制专业：自动化班级学号：5060318姓名：2008年6月16日1.发展光伏水泵系统的背景和意义1.1研究背景科技的发展使得人类的生活日益获得改善，但也因过度的开发使得地球上的资源日渐匾乏，自然界的生态环境也遭到严重的破坏，能源危机、绿色环保与可再生能源的开发利用，已是二十一世纪及未来人类永续生存的重要课题。随着不可再生资源的不断消耗和因此而带来的环境问题日益突出，越来越多的国家认识到，一个能够可持续发展的社会应该是一个既能满足当今社会的需要，又不损坏子孙后代的环境权益和生活质量的社会。因此，节约能源，提高能源利用率，尽可能地采用清洁能源代替高含碳量的矿物燃料，是世界能源建设应该遵循的原则。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费的76%煤炭消费己成为我国环境污染的主要来源。大力开发利用取之不尽而又无污染的太阳能、风能、地热能和海洋能等可再生能源和新能源己势在必行。正因如此太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源而备受人们的青睐。人们对太阳能的应用主要是以下3个方面:光热转换、光电转换和光化学转换。其中又以光电转换，既太阳能光伏发电的应用最为广泛。1.2研究意义光伏水泵系统亦称“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，可以用作牧区、草原、边防哨所等缺电、无电地区的人畜饮用水，也可用于草原、牧场或其它农作物的灌溉用水。在发达国家也逐渐被用于花园、别墅、草地及宿营地等的供水设施，己逐步成为文明时尚的产品【1】。光伏水泵系统最大的特点是不消耗地球上的现有资源，而是利用取之不尽的太阳能资源，无污染，有利于保护环境和生态平衡。太阳能电池使用寿命长，维修费用低，这一技术在我国西部缺水少电的偏远地区有着广泛的应用前景。由于缺水，我国西部和西北地区土地沙漠化日趋严重，生态环境日益恶化，有关资料显示，这些地区正以每年2500平方公里的速度被沙漠化，更为严重的是有些地区甚至连饮用水都无法解决，直接导致那里的人民不得不举家东迁，这种现状严重阻碍了农村经济和社会的发展。然而，相关的水资源显示，在我国西部地区蕴藏着丰富的地下水资源。如果能将这些地区的地下水资源合理的开发利用，必将给这些地区带来巨大的经济和生态效益，为西部地区发展新农村战略提供一条有效的途径。提取地下水资源的关键在于动力。众所周知，西部地区居民居住分散，远离电网，交通十分不便。一般的村庄不超过50户人家，特别在新疆的南疆地区，许多地方一个村庄甚至只有几户或十几户人家。而且村村之间相距几十到几百公里，平均距离电网为70公里，距离国道50公里。而这些地区对电的需求仅仅是照明，提取地下水进行生活、灌溉等等。在这些地区，每架设1公里35KV电网需要投资8万元，而村与村的距离在几十公里和上百公里是十分常见的，电网的利用率十分低下，这种小负荷长距离的输电方式显然是不经济的，国家很难为了满足几户人家而投入巨额资金用于兴建电网【2】【3】。因此这些地区的用电方法必须采取其他的方案，到目前为止，太阳能发电是解决这一矛盾的最经济、有效的一种方案。2.光伏水泵系统特性与配置2.1光伏水泵系统构成【4】由于直接祸合式的光伏水泵系统对太阳电池的利用率较低，实际系统较少采用。后两种祸合方式的光伏水泵系统的工作原理可以表示为图。光伏水泵系统工作原理简图由图可以看出光伏水泵系统主要包括以下几个部分:1.光伏阵列(太阳电池阵列):光伏阵列是有众多的太阳电池串、并联构成，容量可以任意匹配，组件可以由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其他类型的太阳电池组成。一般来说，光伏阵列由于多为半导体器件组成，其电源特性具有强烈的非线性。2.DC/DC环节:这是由于太阳电池阵列具有强烈的非线性，为保证阵列在任何条件下都能提供相应的最大功率，必须引入的一个环节，在太阳能光伏技术中称它为最大功率点跟踪。3.DC/AC环节:这是一个为表达方便而采用的替代用语。在交流异步电机或同步电机中，它是变频逆变器，但在直流无刷电机中，它是专用的驱动控制器。4.驱动电机:在不同系统中使用的驱动电机不同，可供选择的有普通直流电机，直流永磁无刷电机，异步电机等，他们各有优点，如直流电机效率高，容量一般比较低，异步电机结构简单，技术成熟等。5.水泵:对于光伏水泵系统而言，水泵的选型同样至关重要。在功率不大的系统中，用户要求扬程高流量小的情况下，宜选容积式正位移水泵，在其他情况下可以选择离心式或轴流式水泵。本文研究的光伏水泵系统采用的是离心式水泵。6.储水装置:水塔及储水设施将水泵提取出来的地下水存起来，以备需时所用。在冬季寒冷地区，宜采用防冻储水设备，引水管道最好采用抗低温材料并做防冻处理。2.2太阳电池的特性太阳电池是利用光伏效应将太阳辐射的光能转换成电能的装置。目前，用于光伏系统的太阳电池材料主要分成三种:单晶硅、多晶硅和非晶硅，其中以单晶硅和多晶硅最为普遍。太阳电池作为一种直流电源有其自身的特性，为了更好的应用太阳电池，我们必须了解太阳电池的这些特性。2.2.1太阳电池的I-V特性曲线和P-V特性曲线【1】【5】太阳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结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成载流子，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”。太阳电池阵列的IN特性和P-V特性是系统分析最重要的技术数据之一，图描绘了太阳电池的IN特性和P-V特性曲线。图中，实线为太阳电池的IN特性曲线，虚线为太阳电池的P-V特性曲线。太阳电池的几个重要的技术参数如表所示。由图可以看出，太阳电池具有强烈的非线性。在大部分的区间里，太阳电池的输出电流随电压的变化不大;而一旦输出电压超过某个值，其输出电流就会随着电压的上升而急剧降低。太阳电池的P-V特性类似于一条开口向下的抛物线，该曲线的顶点为当前日照强度下的最大功率输出点。太阳电池的功率是在以下条件下定义的:当日照强度S=IOOOW/m2，太阳电池温度T=250C，大气质量AM=1.5时，太阳电池输出的最大功率便定义为它的额定功率，它对应于图中的Pm点。太阳电池的额定功率的单位为“峰瓦”，记作“Wp"。太阳电池的I-V特性和P-V特性曲线示例图太阳电池的技术参数:2.2.2影响太阳电池输出特性的因素【1】影响太阳电池特性的因素很多，其中最主要的是温度和日照强度。下面简单介绍以下这两个因素对太阳电池的影响。1)温度我们可以从太阳电池的基本原理和构造得出结论:日照强度和电池结温是影响太阳电池输出的最重要的参数，温度上升将使太阳电池开路电压下降，短路电流则轻微上升，总体效果会造成太阳电池的输出功率下降。2)日照强度日照强度也极大的影响太阳电池阵列的输出电流，图给出了不同日照强度下典型的IN和P-V特性曲线，这可以作为系统设计的参考依据。从图中可以看出，随着日照强度的增大，开路电压个短路电流都有一定程度的增加，最大功率也相应的增加。不同日照强度下的I-V和P-V特性曲线3.光伏水泵系统中的SVPWM控制技术随着电气传动系统及其对控制性能要求的不断提高，人们对PWM技术进行了大量的研究，从最初的追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，PWM技术得到了不断的创新和完善【6】。在异步电机驱动的光伏水泵系统中，为了最大限度地利用光伏阵列能量，我们采用了空间电压矢量PWM控制技术。空间电压矢量法是利用磁通正弦原理的一种PWM方法，与常规PWM相比具有谐波分量小、转矩脉动低、直流电压利用率高、控制方法简单等特点，并更易于数字化实现。3.1磁通正弦基本原理【7】磁通正弦PWM技术又叫空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)。自上世纪80年代，德国的WvanderBroeck教授等提出了空间电压矢量策略以来，这种新型的PWM调制技术就受到了广泛的重视，并在电机调速方面获得了大量的应用。空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)将逆变器和电机看成一个整体，从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即磁通正弦。用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通，从而达到较高的控制性能。电机的理想供电电压为三相正弦，其表达式如式:其中Ud为直流母线电压，w为角频率，Ua,Ub,Uc分别为三相定子绕组的相电压。3.2SVPWM产生原理【8】【9】【10】SVPWM实际上是对应于逆变器功率器件一种特殊的触发顺序和脉冲宽度组合，这种开关顺序和脉冲宽度的组合将在定子线圈中产生三相互差120°电角度、波形失真较小的正弦电流。实践和理论都可以证明，与直接的正弦脉宽调制技术相比，SVPWM在输出电压和电机电流中都将产生较小的谐波【11】。PWM逆变电路简化图三相电压型逆变电路简化图如图所示。其中同一桥臂上的上下两个开关元件是互补的，定义三个开关函数Sa、Sb、Sc.分别代表左、中、右三个桥臂开关元件的开关状态。图3-1中的逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态，既VT6,VT1、VT2导通，VT1,VT2,VT3导通，VT2,VT3,VT4导通，VT3,VT4,VT5导通，VT4,VTS,VT6导通，VTS,VT6,VT1导通，以及VT1,VT3,VTS导通和VT4,VT6,VT2导通。这8种工作状态按照ABC相序依次排列时可以定义为下表所表示的矢量顺序。其中包括6个幅值相等、相位相差60“非零矢量和2个零矢量。矢量及开关状态表(U0-U7表示八种矢量序号)┌──┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐│状态│UO│U1│U2│U3│U4│US│U6│U7│├──┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┤│Sa│0│1│1│0│0│0│1│1│├──┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┤│Sb│0│0│1│]│1│0│0│1│├──┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┼─┤│Sc│0│0│0│0│1│1│1│1│└──┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘根据三相电压型逆变电路的开关函数描述的数学模型，可以推导出逆变器的相电压表达式为:根据相电压表达式和开关状态表，可以推出用开关状态来表示相电压和线电压的矩阵表达式:用开关状态来表示线电压的输出:用开关状态来表示线电压的输出:(式中UabUbcUac表示线电压)根据两公式便可以计算出相电压和线电压，如表所示。由表可以计算出由8个不同开关状态组成的电压矢量的表达式为:除两个零矢量以外，其余六个非零空间电压矢量的模都为2Ud/3,在空间上相位相差60°，如果这六个矢量按照一定的顺序作用，就可以形成一个正六边形。因此当k依次取值时便组成了一个正六边形。经过推导，便得到了表3-2中的矢量序号。直观分析见下图。空间电压矢量图4.户用光伏水泵变频驱动电源的软硬件设计4.1系统硬件框图户用光伏变频驱动电源系统硬件设计主要包括DC/DC升压电路变换器设计和DC/AC变频逆变器设计两大部分。系统硬件总体结构框图如图所示。主电路DC-DC部分采用推挽电路；DC-AC部分采用三相桥式逆变电路，主功率器件采用DIP-IPM(双列直插智能功率模块)PS21564；控制芯片采用微芯公司生产的16位数字信号控制器dsPIC30F2010。外围检测电路包括阵列母线电压检测电路、直流高压检测电路、过流保护检测电路和水位打干检测电路等。系统硬件总体结构框图DC/DC变换器的设计：户用光伏水泵直流变换模块；户用光伏水泵的直流变换模块的拓扑选择；推挽变换器的基本工作原理、推挽变换器的参数设计和推挽变换器控制电路的设计；驱动电路设计；功率MOS管并联及相关电路布局；DC/AC变换器的硬件设计。DC/AC变换器的硬件设计：电压型SVPWM光伏水泵变频逆变器的基本拓扑结构；DIP-IPM(双列直插--智能功率模块)；基于高性能数字信号控制器dsPIC30F2010的控制系统。4.2系统的控制结构光伏水泵变频驱动电源一般采用速度开环变压变频控制方式，其控制框图如下。本系统采用空间电压矢量脉宽调制技术实现变压变频控制方式，通过系统中预先设定的最大功率点电压和直流母线反馈电压进行比较，经过PI调节之后得到系统的输出频率，经过VlF曲线得到电压值，再由PWM波形发生器产生SVPWM触发脉冲，这样就可以通过改变功率器件IGBT的占空比实现对输出电压的控制，而通过控制逆变桥的工作周期来控制输出频率。在整个控制系统中，主要包括频率斜坡函数发生器、VlF函数发生器、电压限制调节器、低频阻抗电压补偿、PI调节控制器等控制环节。上图中的控制部分主要由数字化来实现，其控制核心有DSG数字信号控制器来完成。光伏水泵变频逆变器系统控制结构圈4.3系统的软件设计在户用光伏水泵变频驱动电源的控制中，软件设计实现以下的功能:l)实现系统从1HZ到目标频率缓慢启动；2)采样光伏阵列电压，经过计算处理，得出输出频率的增量；3)通过SVPWM中断，计算出变频逆变器输出脉宽，实现变频驱动和太阳电池阵列的最大功率跟踪；4)实现各种监控和软件保护功能:系统软件由主程序和中断服务程序及保护子程序组成，系统主程序设计：系统主程序采用模块化设计，一些参数的初始化、频率的给定、一些参数的初始化、频率的给定、有利于系统的功能扩展。主程序主要完成系统开关量的检测、VlF曲线计算、工作方式的选开关量的检测、VIF曲线计算、工作方式的选择等。4.4高精度及高分辨率的控制算法4.4.1SVPWM波形生成【12】【13】【14】SVPWM中断程序模块的主要任务是完成正弦SVPWM脉宽的实时计算，同时给系统一个时基设定和完成电压、电流和其他模拟端子的数据采样。由前面的叙述可知，SVPWM波形是由dsPIC30F2010的专门PWM口发出的。中断程序的入口参数为直流电压值Ua输出相电压U，和输出频率f，直流电压Ua和输出相电压U，主要参与脉宽的计算，从而改变了占空比也即调节了输出电压。而输出频率f主要决定输出SVPWM的周期。通常情况下，通用变频器的载波频率是固定不变的，即采用异步调制技术。本系统按照电压空间矢量调制技术和信号优化异步调制技术的原理，选择的载波频率为9KHZ左右，由前面叙的优化异步调制的原理，我们希望所得载波比N不仅是整数，而且还是3的倍数，从而优化输出波形。4.4.1频率变化输出的加减速实现【15】【16】当水泵在启动和停机过程中，或者太阳电池电压在不断变化过程中，变频器将得到一个阶跃频率给定值，这样将会对系统产生过大冲击，频率斜坡函数发生器的作用就是把阶跃信号值转变为斜坡信号值，使系统的电压、电流、频率和电机转速都能稳定的上升和下降。斜率的大小由频率加减速时间决定，本系统针对光伏水泵设计了一种参数，时间可以精确到0.01秒，调频的分辨率达到0.0赫兹，这主要通过优化的异步信号调制技术和DSC高速处理能力实现的。频率斜坡函数的软件实现如图所示，在此过程中，为了使输出频率