通用變頻器的研制

1　引言

　　交流電動(dòng)機(jī)具有可靠、簡(jiǎn)單、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。然而，目前市場(chǎng)上所售的多為普通通用變頻器，若直接把其用于光伏水泵系統(tǒng)中，不能很好地實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能，同時(shí)也不具備太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤功能，造成太陽能電池容量和通用變頻器內(nèi)部資源的巨大浪費(fèi)。本文在充分利用通用變頻器內(nèi)部資源的基礎(chǔ)上，對(duì)普通通用變頻器進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了具有光伏水泵系統(tǒng)控制功能的通用變頻器。實(shí)驗(yàn)表明，改進(jìn)后的即通用變頻器即可以實(shí)現(xiàn)普通通用變頻器的通用功能，又能實(shí)現(xiàn)光伏水泵系統(tǒng)控制功能，同時(shí)降低了光伏水泵使用成本和維護(hù)費(fèi)用。

2　系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　變頻器系統(tǒng)的硬件電路一般分為兩大模塊:功率主電路和控制電路[1]。根據(jù)系統(tǒng)要求，綜合考慮各種方案并結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用了如圖1所示的基本結(jié)構(gòu)。

　　圖1　具有光伏水泵控制功能的通用變頻系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

　　從圖1可以看出，系統(tǒng)有四部分組成，分別是:光伏陣列、主電路模塊、控制電路模塊和水泵。與通用變頻器結(jié)構(gòu)相比，主電路模塊結(jié)構(gòu)區(qū)別在于輸入電源有兩種——交流電源和光伏陣列輸出的直流電源;控制電路模塊采用tms320lf2406a dsp數(shù)字信號(hào)處理器，和一般通用變頻器控制電路類似。在外圍控制電路上，除了pwm信號(hào)驅(qū)動(dòng)，電壓、電流等模擬信號(hào)采樣電路外，增加了直流母線電流檢測(cè)。在光伏水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)中，為了防止水位下降，引起光伏水泵系統(tǒng)“機(jī)–泵總成”部件干磨擦而遭致?lián)p壞，因此，具有光伏水泵控制功能的通用變頻系統(tǒng)除了具有一般通用變頻器保護(hù)功能外，還需要水位打干檢測(cè)保護(hù)功能。常用檢測(cè)方法有水位傳感器識(shí)別和自動(dòng)識(shí)別[2]，本文根據(jù)通用變頻器具有輸出電流采樣功能，采用了自動(dòng)識(shí)別水位過低而避免打干。

　　3　光伏水泵控制功能在通用變頻器中的實(shí)現(xiàn)

　　通用變頻器突出特點(diǎn)是功能齊全、通用性好，為了方便構(gòu)成閉環(huán)控制，現(xiàn)代的通用變頻器都內(nèi)置了pi數(shù)字調(diào)節(jié)器，利用通用變頻器內(nèi)置的pi數(shù)字調(diào)節(jié)器，可以方便的實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　把光伏陣列引出線接在系統(tǒng)直流輸入端，如圖1所示連接，系統(tǒng)直流母線電壓即是光伏陣列輸出端電壓。對(duì)于光伏水泵系統(tǒng)，因水泵電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，因此，光伏陣列的輸出負(fù)荷匹配可以直接通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，即憑借pwm控制技術(shù)就可以直接調(diào)整太陽電池陣列的輸出功率，使光伏陣列的輸出功率始終跟蹤當(dāng)前日照和環(huán)境溫度下的最大值。

　　3.1　光伏陣列特性

　　在光伏水泵系統(tǒng)中，把太陽能光伏陣列輸出的直流電作為系統(tǒng)電源供給。太陽能光伏陣列電源有別于普通的直流電源，它具有較強(qiáng)的非線性特征，輸出最大功率受日照和環(huán)境溫度等氣象條件影響比較大。圖2給出了不同日照強(qiáng)度下，太陽能光伏陣列的i-v特性曲線和p-v特性曲線。圖2中s為日照強(qiáng)度，單位為瓦特每平米(w/ m2)。從光伏陣列的特性曲線可以看出光伏陣列既非恒壓源又非恒流源，而且不能給負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。光伏陣列特性決定了應(yīng)用光伏陣列時(shí)的特殊控制要求——最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　圖2　不同日照強(qiáng)度下的i-v和p-v特性曲線　3.2　cvt方式最大功率點(diǎn)跟蹤

　　恒壓跟蹤cvt(constant voltage tracking)方式可以近似獲得光伏陣列的最大功率輸出。雖然在實(shí)際應(yīng)用中由于溫度和日照強(qiáng)度變化較大，引起太陽能光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓偏移，導(dǎo)致 cvt方式不能很好的跟蹤最大功率點(diǎn)，但因其在軟件上處理比較簡(jiǎn)單，且很多通用變頻器通過簡(jiǎn)單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)cvt方式功能，因此在無真正最大功率點(diǎn)跟蹤 tmppt(true maximal power point tracking)方式時(shí)cvt也是一種較好選擇。其控制原理如圖3所示。

　　圖3　cvt方式跟蹤控制原理圖

　　其中，usp*為太陽電池陣列工作的指令電壓;控制系統(tǒng)的反饋電壓usp為通用變頻器直流母線電壓，同時(shí)也是光伏陣列端電壓。當(dāng)使能內(nèi)置pi調(diào)節(jié)器控制器時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)直流母線電壓即光伏陣列的輸出電壓usp的負(fù)反饋控制，當(dāng)usp>usp*時(shí)，誤差信號(hào)經(jīng)pi調(diào)節(jié)器后使得v/f函數(shù)發(fā)生器的入口電壓參數(shù)v增大，經(jīng)v/f函數(shù)發(fā)生器運(yùn)算后，svpwm變換器的另一入口頻率參數(shù)f增大，通過脈寬調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出電壓和頻率都增大，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，水泵輸出功率增大，使得和水泵匹配的光伏陣列的輸出功率增大，輸出電流增大，由光伏陣列的u-i特性曲線知，光伏陣列輸出電壓 usp減小，直到usp=usp;當(dāng)usp

　　3.3　tmppt 方式最大功率點(diǎn)跟蹤

　　tmppt方式的最大功率點(diǎn)跟蹤能夠?qū)崿F(xiàn)真正的最大功率點(diǎn)跟蹤。當(dāng)最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓變化較大時(shí)，在不需要任何調(diào)節(jié)的情況下，可以保證系統(tǒng)的日揚(yáng)水量最大。tmppt方式最大功率點(diǎn)跟蹤最常用的是通過功率對(duì)電壓的微分負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)，該方法原理雖然簡(jiǎn)單，但是由于數(shù)據(jù)處理中用到了除法，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。因此，根據(jù)tmppt跟蹤原理[4][5]，分析最大功率點(diǎn)左右兩側(cè)功率變化特點(diǎn)，本文采用了一種比較簡(jiǎn)單的方法，利用功率變化變化量來判斷，即dp的變化來判斷。對(duì)于具有光伏水泵控制功能的通用變頻器，其tmppt控制原理如圖4所示。

　　圖4　dp方式實(shí)現(xiàn)的tmppt跟蹤控制原理

　　由圖2光伏陣列的p-v特性曲線可知，當(dāng)指令電壓usp*在最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，增大指令電壓usp*，功率增加，減小指令電壓usp*，功率減小;當(dāng)指令電壓usp*在最大功率點(diǎn)的右側(cè)時(shí)，增大指令電壓usp*，功率減小,減小指令電壓usp*，功率增加;因此首先通過給指令電壓usp*一個(gè)擾動(dòng)量，根據(jù)dp符號(hào)判斷usp*當(dāng)前的位置，即在最大功率點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，然后再按照功率增加的方向，調(diào)節(jié)指令電壓usp*的值。圖4是dp變化搜索最大功率點(diǎn)的控制原理圖。由圖2 p-v特性曲線可以看出，光伏陣列在開路電壓最大處，輸出功率為0，為了防止cvt調(diào)節(jié)時(shí)電流沖擊，搜索從最大功率點(diǎn)右側(cè)開始，z3初始化為-1。從圖4 可以看出，系統(tǒng)跟蹤控制過程是為:系統(tǒng)開始從最大功率點(diǎn)的右側(cè)搜索，功率從0開始增加，則dp >0,得到z1的值為+1，z2 的值取決于z1z3的積，由z3初始值為-1知z2為-1，比較后z3為 -1，指令電壓繼續(xù)減小，因usp*在最大功率點(diǎn)的右側(cè)，所以u(píng)sp*減小，功率增大，dp >0，指令電壓usp*按上述規(guī)律不斷調(diào)整;當(dāng)usp*到達(dá)最大功率點(diǎn)的左側(cè)時(shí)，功率減小，dp0，z1取 -1，此時(shí)z2的值為+1，z3的值為+1，指令電壓usp*開始增加，系統(tǒng)往回搜最大功率點(diǎn)。最后系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行。同dp/dv道理相同，在 dp值跟蹤時(shí)，也采用滯環(huán)比較的方式。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　圖5　cvt起動(dòng)運(yùn)行時(shí)光伏陣列輸出電壓電流波形

　　圖6　tmppt起動(dòng)運(yùn)行時(shí)光伏陣列輸出電壓電流波形

　　根據(jù)已有變頻器資源平臺(tái)，按照上述的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了一臺(tái)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。圖5是cvt 方式跟蹤控制的起動(dòng)運(yùn)行的光伏陣列輸出電壓電流波形，實(shí)驗(yàn)條件是日照強(qiáng)度為672w/m2，太陽能陣列開路電壓uoc=368v，指令電壓 usp*=276v。圖6是tmppt方式跟蹤控制的起動(dòng)運(yùn)行的光伏陣列輸出電壓電流波形，實(shí)驗(yàn)條件是日照強(qiáng)度為690w/m2，太陽能陣列開路電壓 uoc=363v，搜索起始電壓udc=350v。