光伏水泵變頻

戶用光伏水泵變頻驅(qū)動電源的研制PAGEPAGE12戶用光伏水泵變頻驅(qū)動電源的研制專業(yè)：自動化班級學號：5060318姓名：2008年6月16日1.發(fā)展光伏水泵系統(tǒng)的背景和意義1.1研究背景科技的發(fā)展使得人類的生活日益獲得改善，但也因過度的開發(fā)使得地球上的資源日漸匾乏，自然界的生態(tài)環(huán)境也遭到嚴重的破壞，能源危機、綠色環(huán)保與可再生能源的開發(fā)利用，已是二十一世紀及未來人類永續(xù)生存的重要課題。隨著不可再生資源的不斷消耗和因此而帶來的環(huán)境問題日益突出，越來越多的國家認識到，一個能夠可持續(xù)發(fā)展的社會應(yīng)該是一個既能滿足當今社會的需要，又不損壞子孫后代的環(huán)境權(quán)益和生活質(zhì)量的社會。因此，節(jié)約能源，提高能源利用率，盡可能地采用清潔能源代替高含碳量的礦物燃料，是世界能源建設(shè)應(yīng)該遵循的原則。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，煤炭約占商品能源消費的76%煤炭消費己成為我國環(huán)境污染的主要來源。大力開發(fā)利用取之不盡而又無污染的太陽能、風能、地熱能和海洋能等可再生能源和新能源己勢在必行。正因如此太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源而備受人們的青睞。人們對太陽能的應(yīng)用主要是以下3個方面:光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學轉(zhuǎn)換。其中又以光電轉(zhuǎn)換，既太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用最為廣泛。1.2研究意義光伏水泵系統(tǒng)亦稱“太陽能光電水泵系統(tǒng)”，其基本原理是利用半導體太陽電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動各類馬達帶動水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水，可以用作牧區(qū)、草原、邊防哨所等缺電、無電地區(qū)的人畜飲用水，也可用于草原、牧場或其它農(nóng)作物的灌溉用水。在發(fā)達國家也逐漸被用于花園、別墅、草地及宿營地等的供水設(shè)施，己逐步成為文明時尚的產(chǎn)品【1】。光伏水泵系統(tǒng)最大的特點是不消耗地球上的現(xiàn)有資源，而是利用取之不盡的太陽能資源，無污染，有利于保護環(huán)境和生態(tài)平衡。太陽能電池使用壽命長，維修費用低，這一技術(shù)在我國西部缺水少電的偏遠地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用前景。由于缺水，我國西部和西北地區(qū)土地沙漠化日趨嚴重，生態(tài)環(huán)境日益惡化，有關(guān)資料顯示，這些地區(qū)正以每年2500平方公里的速度被沙漠化，更為嚴重的是有些地區(qū)甚至連飲用水都無法解決，直接導致那里的人民不得不舉家東遷，這種現(xiàn)狀嚴重阻礙了農(nóng)村經(jīng)濟和社會的發(fā)展。然而，相關(guān)的水資源顯示，在我國西部地區(qū)蘊藏著豐富的地下水資源。如果能將這些地區(qū)的地下水資源合理的開發(fā)利用，必將給這些地區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟和生態(tài)效益，為西部地區(qū)發(fā)展新農(nóng)村戰(zhàn)略提供一條有效的途徑。提取地下水資源的關(guān)鍵在于動力。眾所周知，西部地區(qū)居民居住分散，遠離電網(wǎng)，交通十分不便。一般的村莊不超過50戶人家，特別在新疆的南疆地區(qū)，許多地方一個村莊甚至只有幾戶或十幾戶人家。而且村村之間相距幾十到幾百公里，平均距離電網(wǎng)為70公里，距離國道50公里。而這些地區(qū)對電的需求僅僅是照明，提取地下水進行生活、灌溉等等。在這些地區(qū)，每架設(shè)1公里35KV電網(wǎng)需要投資8萬元，而村與村的距離在幾十公里和上百公里是十分常見的，電網(wǎng)的利用率十分低下，這種小負荷長距離的輸電方式顯然是不經(jīng)濟的，國家很難為了滿足幾戶人家而投入巨額資金用于興建電網(wǎng)【2】【3】。因此這些地區(qū)的用電方法必須采取其他的方案，到目前為止，太陽能發(fā)電是解決這一矛盾的最經(jīng)濟、有效的一種方案。2.光伏水泵系統(tǒng)特性與配置2.1光伏水泵系統(tǒng)構(gòu)成【4】由于直接禍合式的光伏水泵系統(tǒng)對太陽電池的利用率較低，實際系統(tǒng)較少采用。后兩種禍合方式的光伏水泵系統(tǒng)的工作原理可以表示為圖。光伏水泵系統(tǒng)工作原理簡圖由圖可以看出光伏水泵系統(tǒng)主要包括以下幾個部分:1.光伏陣列(太陽電池陣列):光伏陣列是有眾多的太陽電池串、并聯(lián)構(gòu)成，容量可以任意匹配，組件可以由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其他類型的太陽電池組成。一般來說，光伏陣列由于多為半導體器件組成，其電源特性具有強烈的非線性。2.DC/DC環(huán)節(jié):這是由于太陽電池陣列具有強烈的非線性，為保證陣列在任何條件下都能提供相應(yīng)的最大功率，必須引入的一個環(huán)節(jié)，在太陽能光伏技術(shù)中稱它為最大功率點跟蹤。3.DC/AC環(huán)節(jié):這是一個為表達方便而采用的替代用語。在交流異步電機或同步電機中，它是變頻逆變器，但在直流無刷電機中，它是專用的驅(qū)動控制器。4.驅(qū)動電機:在不同系統(tǒng)中使用的驅(qū)動電機不同，可供選擇的有普通直流電機，直流永磁無刷電機，異步電機等，他們各有優(yōu)點，如直流電機效率高，容量一般比較低，異步電機結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟等。5.水泵:對于光伏水泵系統(tǒng)而言，水泵的選型同樣至關(guān)重要。在功率不大的系統(tǒng)中，用戶要求揚程高流量小的情況下，宜選容積式正位移水泵，在其他情況下可以選擇離心式或軸流式水泵。本文研究的光伏水泵系統(tǒng)采用的是離心式水泵。6.儲水裝置:水塔及儲水設(shè)施將水泵提取出來的地下水存起來，以備需時所用。在冬季寒冷地區(qū)，宜采用防凍儲水設(shè)備，引水管道最好采用抗低溫材料并做防凍處理。2.2太陽電池的特性太陽電池是利用光伏效應(yīng)將太陽輻射的光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。目前，用于光伏系統(tǒng)的太陽電池材料主要分成三種:單晶硅、多晶硅和非晶硅，其中以單晶硅和多晶硅最為普遍。太陽電池作為一種直流電源有其自身的特性，為了更好的應(yīng)用太陽電池，我們必須了解太陽電池的這些特性。2.2.1太陽電池的I-V特性曲線和P-V特性曲線【1】【5】太陽電池是利用半導體材料的光伏效應(yīng)制成的。所謂光伏效應(yīng)是指半導體材料吸收光能后產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。即當光照射到PN結(jié)上時，產(chǎn)生電子一空穴對，在半導體內(nèi)部結(jié)附近生成載流子，由于受到內(nèi)建電場的吸引，電子流入N區(qū)，而空穴流入P區(qū)，結(jié)果使得N區(qū)儲存過剩的電子，P區(qū)則存在過剩的空穴。這些過剩的空穴和電子在PN結(jié)附近形成與內(nèi)建電場相反的光生電場。光生電場除了抵消勢壘電場的作用外，還使得P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，這樣在N區(qū)和P區(qū)之間的薄層就產(chǎn)生電動勢。這種“由光生電”的效應(yīng)稱為“光伏效應(yīng)”。太陽電池陣列的IN特性和P-V特性是系統(tǒng)分析最重要的技術(shù)數(shù)據(jù)之一，圖描繪了太陽電池的IN特性和P-V特性曲線。圖中，實線為太陽電池的IN特性曲線，虛線為太陽電池的P-V特性曲線。太陽電池的幾個重要的技術(shù)參數(shù)如表所示。由圖可以看出，太陽電池具有強烈的非線性。在大部分的區(qū)間里，太陽電池的輸出電流隨電壓的變化不大;而一旦輸出電壓超過某個值，其輸出電流就會隨著電壓的上升而急劇降低。太陽電池的P-V特性類似于一條開口向下的拋物線，該曲線的頂點為當前日照強度下的最大功率輸出點。太陽電池的功率是在以下條件下定義的:當日照強度S=IOOOW/m2，太陽電池溫度T=250C，大氣質(zhì)量AM=1.5時，太陽電池輸出的最大功率便定義為它的額定功率，它對應(yīng)于圖中的Pm點。太陽電池的額定功率的單位為“峰瓦”，記作“Wp"。太陽電池的I-V特性和P-V特性曲線示例圖太陽電池的技術(shù)參數(shù):2.2.2影響太陽電池輸出特性的因素【1】影響太陽電池特性的因素很多，其中最主要的是溫度和日照強度。下面簡單介紹以下這兩個因素對太陽電池的影響。1)溫度我們可以從太陽電池的基本原理和構(gòu)造得出結(jié)論:日照強度和電池結(jié)溫是影響太陽電池輸出的最重要的參數(shù)，溫度上升將使太陽電池開路電壓下降，短路電流則輕微上升，總體效果會造成太陽電池的輸出功率下降。2)日照強度日照強度也極大的影響太陽電池陣列的輸出電流，圖給出了不同日照強度下典型的IN和P-V特性曲線，這可以作為系統(tǒng)設(shè)計的參考依據(jù)。從圖中可以看出，隨著日照強度的增大，開路電壓個短路電流都有一定程度的增加，最大功率也相應(yīng)的增加。不同日照強度下的I-V和P-V特性曲線3.光伏水泵系統(tǒng)中的SVPWM控制技術(shù)隨著電氣傳動系統(tǒng)及其對控制性能要求的不斷提高，人們對PWM技術(shù)進行了大量的研究，從最初的追求電壓波形正弦，到電流波形正弦，再到磁通正弦，PWM技術(shù)得到了不斷的創(chuàng)新和完善【6】。在異步電機驅(qū)動的光伏水泵系統(tǒng)中，為了最大限度地利用光伏陣列能量，我們采用了空間電壓矢量PWM控制技術(shù)。空間電壓矢量法是利用磁通正弦原理的一種PWM方法，與常規(guī)PWM相比具有諧波分量小、轉(zhuǎn)矩脈動低、直流電壓利用率高、控制方法簡單等特點，并更易于數(shù)字化實現(xiàn)。3.1磁通正弦基本原理【7】磁通正弦PWM技術(shù)又叫空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)。自上世紀80年代，德國的WvanderBroeck教授等提出了空間電壓矢量策略以來，這種新型的PWM調(diào)制技術(shù)就受到了廣泛的重視，并在電機調(diào)速方面獲得了大量的應(yīng)用?？臻g電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)將逆變器和電機看成一個整體，從電機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，即磁通正弦。用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通，從而達到較高的控制性能。電機的理想供電電壓為三相正弦，其表達式如式:其中Ud為直流母線電壓，w為角頻率，Ua,Ub,Uc分別為三相定子繞組的相電壓。3.2SVPWM產(chǎn)生原理【8】【9】【10】SVPWM實際上是對應(yīng)于逆變器功率器件一種特殊的觸發(fā)順序和脈沖寬度組合，這種開關(guān)順序和脈沖寬度的組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差120°電角度、波形失真較小的正弦電流。實踐和理論都可以證明，與直接的正弦脈寬調(diào)制技術(shù)相比，SVPWM在輸出電壓和電機電流中都將產(chǎn)生較小的諧波【11】。PWM逆變電路簡化圖三相電壓型逆變電路簡化圖如圖所示。其中同一橋臂上的上下兩個開關(guān)元件是互補的，定義三個開關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc.分別代表左、中、右三個橋臂開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)。圖3-1中的逆變器采用180°導通型，功率開關(guān)器件共有8種工作狀態(tài)，既VT6,VT1、VT2導通，VT1,VT2,VT3導通，VT2,VT3,VT4導通，VT3,VT4,VT5導通，VT4,VTS,VT6導通，VTS,VT6,VT1導通，以及VT1,VT3,VTS導通和VT4,VT6,VT2導通。這8種工作狀態(tài)按照ABC相序依次排列時可以定義為下表所表示的矢量順序。其中包括6個幅值相等、相位相差60“非零矢量和2個零矢量。矢量及開關(guān)狀態(tài)表(U0-U7表示八種矢量序號)┌──┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐│狀態(tài)│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│└──┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘根據(jù)三相電壓型逆變電路的開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學模型，可以推導出逆變器的相電壓表達式為:根據(jù)相電壓表達式和開關(guān)狀態(tài)表，可以推出用開關(guān)狀態(tài)來表示相電壓和線電壓的矩陣表達式:用開關(guān)狀態(tài)來表示線電壓的輸出:用開關(guān)狀態(tài)來表示線電壓的輸出:(式中UabUbcUac表示線電壓)根據(jù)兩公式便可以計算出相電壓和線電壓，如表所示。由表可以計算出由8個不同開關(guān)狀態(tài)組成的電壓矢量的表達式為:除兩個零矢量以外，其余六個非零空間電壓矢量的模都為2Ud/3,在空間上相位相差60°，如果這六個矢量按照一定的順序作用，就可以形成一個正六邊形。因此當k依次取值時便組成了一個正六邊形。經(jīng)過推導，便得到了表3-2中的矢量序號。直觀分析見下圖。空間電壓矢量圖4.戶用光伏水泵變頻驅(qū)動電源的軟硬件設(shè)計4.1系統(tǒng)硬件框圖戶用光伏變頻驅(qū)動電源系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括DC/DC升壓電路變換器設(shè)計和DC/AC變頻逆變器設(shè)計兩大部分。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。主電路DC-DC部分采用推挽電路；DC-AC部分采用三相橋式逆變電路，主功率器件采用DIP-IPM(雙列直插智能功率模塊)PS21564；控制芯片采用微芯公司生產(chǎn)的16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010。外圍檢測電路包括陣列母線電壓檢測電路、直流高壓檢測電路、過流保護檢測電路和水位打干檢測電路等。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖DC/DC變換器的設(shè)計：戶用光伏水泵直流變換模塊；戶用光伏水泵的直流變換模塊的拓撲選擇；推挽變換器的基本工作原理、推挽變換器的參數(shù)設(shè)計和推挽變換器控制電路的設(shè)計；驅(qū)動電路設(shè)計；功率MOS管并聯(lián)及相關(guān)電路布局；DC/AC變換器的硬件設(shè)計。DC/AC變換器的硬件設(shè)計：電壓型SVPWM光伏水泵變頻逆變器的基本拓撲結(jié)構(gòu)；DIP-IPM(雙列直插--智能功率模塊)；基于高性能數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010的控制系統(tǒng)。4.2系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)光伏水泵變頻驅(qū)動電源一般采用速度開環(huán)變壓變頻控制方式，其控制框圖如下。本系統(tǒng)采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)變壓變頻控制方式，通過系統(tǒng)中預先設(shè)定的最大功率點電壓和直流母線反饋電壓進行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)之后得到系統(tǒng)的輸出頻率，經(jīng)過VlF曲線得到電壓值，再由PWM波形發(fā)生器產(chǎn)生SVPWM觸發(fā)脈沖，這樣就可以通過改變功率器件IGBT的占空比實現(xiàn)對輸出電壓的控制，而通過控制逆變橋的工作周期來控制輸出頻率。在整個控制系統(tǒng)中，主要包括頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器、VlF函數(shù)發(fā)生器、電壓限制調(diào)節(jié)器、低頻阻抗電壓補償、PI調(diào)節(jié)控制器等控制環(huán)節(jié)。上圖中的控制部分主要由數(shù)字化來實現(xiàn)，其控制核心有DSG數(shù)字信號控制器來完成。光伏水泵變頻逆變器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圈4.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計在戶用光伏水泵變頻驅(qū)動電源的控制中，軟件設(shè)計實現(xiàn)以下的功能:l)實現(xiàn)系統(tǒng)從1HZ到目標頻率緩慢啟動；2)采樣光伏陣列電壓，經(jīng)過計算處理，得出輸出頻率的增量；3)通過SVPWM中斷，計算出變頻逆變器輸出脈寬，實現(xiàn)變頻驅(qū)動和太陽電池陣列的最大功率跟蹤；4)實現(xiàn)各種監(jiān)控和軟件保護功能:系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務(wù)程序及保護子程序組成，系統(tǒng)主程序設(shè)計：系統(tǒng)主程序采用模塊化設(shè)計，一些參數(shù)的初始化、頻率的給定、一些參數(shù)的初始化、頻率的給定、有利于系統(tǒng)的功能擴展。主程序主要完成系統(tǒng)開關(guān)量的檢測、VlF曲線計算、工作方式的選開關(guān)量的檢測、VIF曲線計算、工作方式的選擇等。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中斷程序模塊的主要任務(wù)是完成正弦SVPWM脈寬的實時計算，同時給系統(tǒng)一個時基設(shè)定和完成電壓、電流和其他模擬端子的數(shù)據(jù)采樣。由前面的敘述可知，SVPWM波形是由dsPIC30F2010的專門PWM口發(fā)出的。中斷程序的入口參數(shù)為直流電壓值Ua輸出相電壓U，和輸出頻率f，直流電壓Ua和輸出相電壓U，主要參與脈寬的計算，從而改變了占空比也即調(diào)節(jié)了輸出電壓。而輸出頻率f主要決定輸出SVPWM的周期。通常情況下，通用變頻器的載波頻率是固定不變的，即采用異步調(diào)制技術(shù)。本系統(tǒng)按照電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)和信號優(yōu)化異步調(diào)制技術(shù)的原理，選擇的載波頻率為9KHZ左右，由前面敘的優(yōu)化異步調(diào)制的原理，我們希望所得載波比N不僅是整數(shù)，而且還是3的倍數(shù)，從而優(yōu)化輸出波形。4.4.1頻率變化輸出的加減速實現(xiàn)【15】【16】當水泵在啟動和停機過程中，或者太陽電池電壓在不斷變化過程中，變頻器將得到一個階躍頻率給定值，這樣將會對系統(tǒng)產(chǎn)生過大沖擊，頻率斜坡函數(shù)發(fā)生器的作用就是把階躍信號值轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘栔?，使系統(tǒng)的電壓、電流、頻率和電機轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)定的上升和下降。斜率的大小由頻率加減速時間決定，本系統(tǒng)針對光伏水泵設(shè)計了一種參數(shù)，時間可以精確到0.01秒，調(diào)頻的分辨率達到0.0赫茲，這主要通過優(yōu)化的異步信號調(diào)制技術(shù)和DSC高速處理能力實現(xiàn)的。頻率斜坡函數(shù)的軟件實現(xiàn)如圖所示，在此過程中，為了使輸出頻率