通用变频器在光伏水泵系统中的应用

　　引言
 

　　“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能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。在一些中小功率的光伏水泵系统中，多采用直流无刷电动机作为驱动马达，但在一些较大功率的光伏水泵系统中亦不乏采用交流异步电动机作为驱动马达。在交流异步电动机作为驱动马达的场合，通常采用光伏水泵专用变频控制器进行控制。
 

　　光伏水泵系统的组成
 

　　光伏水泵系统通常由太阳能光伏阵列(以下简称光伏阵列)、水泵变频控制器和机泵组成， 其结构框图如图1所示。
 

　　与我们常见的以交流市电作为电源水泵系统不同的是，光伏水泵系统是以太阳能光伏阵列输出的直流电作为系统的电源供给。太阳能光伏阵列的输出是一种强烈非线性的直流电源，受日照、环境温度等气象条件影响很大。要想光伏水泵系统在任何日照、环境温度等条件下都能发挥当前光伏阵列输出功率的潜力，就需要一个能使电源和负载之间达到和谐、高效、稳定的工作状态的控制器。图1中的变频器即是实现该功能的，主要是实现MPPT(功率点跟踪)、逆变和一些保护功能。机泵为系统的执行机构，包括驱动电机和水泵，通过调节机泵的转速即可调整系统负载的大小。
 

　　系统的工作原理
 

　　太阳能光伏阵列是一种非线性的直流电源，它既非恒流源，也非恒压源，也不能为负载提供任意大的功率。但在日照一定的前提下，光伏阵列有一个输出功率点，如果系统工作时光伏阵列输出功率为该点对应的功率值，则系统此时工作在状态。图2给出了不同日照强度s下太阳能光伏阵列的i-v曲线。
 

　　图2中：s为日照强度，单位为w/m2。a、b、c、d、e为对应的日照强度下光伏阵列的输出功率点。
 

　　在CVT式的MPPT中，工程上可以近似认为不同日照强度下的输出功率点(如图2中的a、b、c、d、e点)逼近一条直线u=u*=const。也就是说只要光伏水泵系统运行过程中光伏阵列一直保持其输出电压为u*=const，就可以保证光伏阵列一直具有在当前日照下的功率输出。
 

　　采用变频器拖动光伏水泵以实现CVT式MPPT控制实际上是运用反馈控制原理，在不同的日照强度下，通过改变变频器的输出频率来调整电机水泵的转速(即负载大小)，从而达到稳定光伏阵列输出电压的目的。其控制原理如图3所示。
 

　　图3中：u*为pi调节器的给定值，亦为CVT给定指令电压; udc为光伏阵列实际输出电压，亦为变频器的直流侧电压;fset为变频器频率给定值; idc为光伏阵列的输出电流，亦为变频器的直流侧电流。
 

　　图3中pi调节器根据给定误差输出变频器的频率给定信号，从而改变水泵驱动电动机的转速，如此也即改变了系统的负载大小。fset越大，电动机转速越高，系统负载越大;反之，fset越小，电动机转速越低，系统负载越小。而系统负载的大小直接影响到变频器的直流侧电流即idc的大小。负载越大，idc越大;负载越小，idc越小。这样就构成如下所述的系统调节过程：当检测到的光伏阵列输出电压udc大于指令电压u*时，变频器的频率给定fset上升，机泵的转速n也上升，负载增加，光伏阵列的输出电流idc增加，光伏阵列输出电压udc下降直到稳定在工作点u*;当光伏阵列输出电压udc小于指令u*时，变频器的频率给定fset下降，机泵的转速n也下降，负载减小，光伏阵列的输出电流idc减小，光伏阵列输出电压udc增加直到稳定在工作点u*。
 

　　普传PI500-S光伏水泵专用变频器
 

　　普传科技PI500-S系列光伏水泵专业变频器采用高精度快速MPPT算法，将光伏阵列输出通过功率点追踪，驱动水泵电机，以满足各种扬水应用需求。光伏水泵专用变频器除了支持光伏列阵直流输入外，还支持交流输入。当光伏阵列输出无法驱动电机或者无输出时，还接受电网交流输入或者其他交流电机供电，以满足各种应急需求。
 

　　光伏水泵专用变频器提供保护，提高电机及水泵使用寿命。系统结构图如图4所示。
 

产品特点：
 

　　1：内置高精度光伏阵列规律点跟踪MPPT算法干运行状态监测，处理，达到控制；
 

　　2：蓄水池水位控制；水位检测机构将水井和蓄水池的水位信号通过开关触点信号送入控制板，根据不同的水位状态控制变频器的起停。
 

　　3：兼容直流/交流两种输入；2种电流输入保证系统工作的正常运行；
 

　　4：LED显示实时系统状态与参数；实时控制系统的运行状态，方便操作；
 

　　5：基于RS485的实时远程监控系统；
 

　　6：快速安装设计，无需额外维护；
 

　　7：内置保护及诊断机制。
 

　　结束语
 

　　光伏水泵系统是目前太阳能光电应用中特色的应用领域之一。本文所探讨的系统是一种通用变频器在太阳能光伏水泵系统方面的应用，该系统组成简单，调试方便，无需专门的采样单元和保护单元(均由变频器内部功能来实现)，可以实现全自动控制，十分适合于一些边远干旱、缺电地区的使用。该系统已成功地在西藏某地得到应用，效果理想。