戶用光伏水泵變頻驅動電源的研制PAGEPAGE12戶用光伏水泵變頻驅動電源的研制專業：自動化班級學號：5060318姓名：2008年6月16日1.發展光伏水泵系統的背景和意義1.1研究背景科技的發展使得人類的生活日益獲得改善，但也因過度的開發使得地球上的資源日漸匾乏，自然界的生態環境也遭到嚴重的破壞，能源危機、綠色環保與可再生能源的開發利用，已是二十一世紀及未來人類永續生存的重要課題。隨著不可再生資源的不斷消耗和因此而帶來的環境問題日益突出，越來越多的國家認識到，一個能夠可持續發展的社會應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境權益和生活質量的社會。因此，節約能源，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，是世界能源建設應該遵循的原則。我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，煤炭約占商品能源消費的76%煤炭消費己成為我國環境污染的主要來源。大力開發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。人們對太陽能的應用主要是以下3個方面:光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。其中又以光電轉換，既太陽能光伏發電的應用最為廣泛。1.2研究意義光伏水泵系統亦稱“太陽能光電水泵系統”，其基本原理是利用半導體太陽電池將太陽能直接轉換為電能，然后驅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、草原、邊防哨所等缺電、無電地區的人畜飲用水，也可用于草原、牧場或其它農作物的灌溉用水。在發達國家也逐漸被用于花園、別墅、草地及宿營地等的供水設施，己逐步成為文明時尚的產品【1】。光伏水泵系統最大的特點是不消耗地球上的現有資源，而是利用取之不盡的太陽能資源，無污染，有利于保護環境和生態平衡。太陽能電池使用壽命長，維修費用低，這一技術在我國西部缺水少電的偏遠地區有著廣泛的應用前景。由于缺水，我國西部和西北地區土地沙漠化日趨嚴重，生態環境日益惡化，有關資料顯示，這些地區正以每年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，這種現狀嚴重阻礙了農村經濟和社會的發展。然而，相關的水資源顯示，在我國西部地區蘊藏著豐富的地下水資源。如果能將這些地區的地下水資源合理的開發利用，必將給這些地區帶來巨大的經濟和生態效益，為西部地區發展新農村戰略提供一條有效的途徑。提取地下水資源的關鍵在于動力。眾所周知，西部地區居民居住分散，遠離電網，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，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，平均距離電網為70公里，距離國道50公里。而這些地區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，每架設1公里35KV電網需要投資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【2】【3】。因此這些地區的用電方法必須采取其他的方案，到目前為止，太陽能發電是解決這一矛盾的最經濟、有效的一種方案。2.光伏水泵系統特性與配置2.1光伏水泵系統構成【4】由于直接禍合式的光伏水泵系統對太陽電池的利用率較低，實際系統較少采用。后兩種禍合方式的光伏水泵系統的工作原理可以表示為圖。光伏水泵系統工作原理簡圖由圖可以看出光伏水泵系統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、并聯構成，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環節: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的最大功率，必須引入的一個環節，在太陽能光伏技術中稱它為最大功率點跟蹤。3.DC/AC環節: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，它是專用的驅動控制器。4.驅動電機:在不同系統中使用的驅動電機不同，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，他們各有優點，如直流電機效率高，容量一般比較低，異步電機結構簡單，技術成熟等。5.水泵:對于光伏水泵系統而言，水泵的選型同樣至關重要。在功率不大的系統中，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采用的是離心式水泵。6.儲水裝置:水塔及儲水設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，宜采用防凍儲水設備，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將太陽輻射的光能轉換成電能的裝置。目前，用于光伏系統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制成的。所謂光伏效應是指半導體材料吸收光能后產生電動勢的現象。即當光照射到PN結上時，產生電子一空穴對，在半導體內部結附近生成載流子，由于受到內建電場的吸引，電子流入N區，而空穴流入P區，結果使得N區儲存過剩的電子，P區則存在過剩的空穴。這些過剩的空穴和電子在PN結附近形成與內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區帶正電，N區帶負電，這樣在N區和P區之間的薄層就產生電動勢。這種“由光生電”的效應稱為“光伏效應”。太陽電池陣列的IN特性和P-V特性是系統分析最重要的技術數據之一，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參數如表所示。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參數: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造得出結論:日照強度和電池結溫是影響太陽電池輸出的最重要的參數，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，這可以作為系統設計的參考依據。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.光伏水泵系統中的SVPWM控制技術隨著電氣傳動系統及其對控制性能要求的不斷提高，人們對PWM技術進行了大量的研究，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技術得到了不斷的創新和完善【6】。在異步電機驅動的光伏水泵系統中，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。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PWM相比具有諧波分量小、轉矩脈動低、直流電壓利用率高、控制方法簡單等特點，并更易于數字化實現。3.1磁通正弦基本原理【7】磁通正弦PWM技術又叫空間電壓矢量脈寬調制技術(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調制技術就受到了廣泛的重視，并在電機調速方面獲得了大量的應用。空間電壓矢量脈寬調制技術(SVPWM)將逆變器和電機看成一個整體，從電機的角度出發，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模式產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產生原理【8】【9】【10】SVPWM實際上是對應于逆變器功率器件一種特殊的觸發順序和脈沖寬度組合，這種開關順序和脈沖寬度的組合將在定子線圈中產生三相互差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制技術相比，SVPWM在輸出電壓和電機電流中都將產生較小的諧波【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元件是互補的，定義三個開關函數Sa、Sb、Sc.分別代表左、中、右三個橋臂開關元件的開關狀態。圖3-1中的逆變器采用180°導通型，功率開關器件共有8種工作狀態，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。矢量及開關狀態表(U0-U7表示八種矢量序號)┌──┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐│狀態│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│└──┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘根據三相電壓型逆變電路的開關函數描述的數學模型，可以推導出逆變器的相電壓表達式為:根據相電壓表達式和開關狀態表，可以推出用開關狀態來表示相電壓和線電壓的矩陣表達式:用開關狀態來表示線電壓的輸出:用開關狀態來表示線電壓的輸出:(式中UabUbcUac表示線電壓)根據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個不同開關狀態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動電源的軟硬件設計4.1系統硬件框圖戶用光伏變頻驅動電源系統硬件設計主要包括DC/DC升壓電路變換器設計和DC/AC變頻逆變器設計兩大部分。系統硬件總體結構框圖如圖所示。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的16位數字信號控制器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。系統硬件總體結構框圖DC/DC變換器的設計：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、推挽變換器的參數設計和推挽變換器控制電路的設計；驅動電路設計；功率MOS管并聯及相關電路布局；DC/AC變換器的硬件設計。DC/AC變換器的硬件設計：電壓型SVPWM光伏水泵變頻逆變器的基本拓撲結構；DIP-IPM(雙列直插--智能功率模塊)；基于高性能數字信號控制器dsPIC30F2010的控制系統。4.2系統的控制結構光伏水泵變頻驅動電源一般采用速度開環變壓變頻控制方式，其控制框圖如下。本系統采用空間電壓矢量脈寬調制技術實現變壓變頻控制方式，通過系統中預先設定的最大功率點電壓和直流母線反饋電壓進行比較，經過PI調節之后得到系統的輸出頻率，經過VlF曲線得到電壓值，再由PWM波形發生器產生SVPWM觸發脈沖，這樣就可以通過改變功率器件IGBT的占空比實現對輸出電壓的控制，而通過控制逆變橋的工作周期來控制輸出頻率。在整個控制系統中，主要包括頻率斜坡函數發生器、VlF函數發生器、電壓限制調節器、低頻阻抗電壓補償、PI調節控制器等控制環節。上圖中的控制部分主要由數字化來實現，其控制核心有DSG數字信號控制器來完成。光伏水泵變頻逆變器系統控制結構圈4.3系統的軟件設計在戶用光伏水泵變頻驅動電源的控制中，軟件設計實現以下的功能:l)實現系統從1HZ到目標頻率緩慢啟動；2)采樣光伏陣列電壓，經過計算處理，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，實現變頻驅動和太陽電池陣列的最大功率跟蹤；4)實現各種監控和軟件保護功能:系統軟件由主程序和中斷服務程序及保護子程序組成，系統主程序設計：系統主程序采用模塊化設計，一些參數的初始化、頻率的給定、一些參數的初始化、頻率的給定、有利于系統的功能擴展。主程序主要完成系統開關量的檢測、VlF曲線計算、工作方式的選開關量的檢測、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是完成正弦SVPWM脈寬的實時計算，同時給系統一個時基設定和完成電壓、電流和其他模擬端子的數據采樣。由前面的敘述可知，SVPWM波形是由dsPIC30F2010的專門PWM口發出的。中斷程序的入口參數為直流電壓值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節了輸出電壓。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，即采用異步調制技術。本系統按照電壓空間矢量調制技術和信號優化異步調制技術的原理，選擇的載波頻率為9KHZ左右，由前面敘的優化異步調制的原理，我們希望所得載波比N不僅是整數，而且還是3的倍數，從而優化輸出波形。4.4.1頻率變化輸出的加減速實現【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，這樣將會對系統產生過大沖擊，頻率斜坡函數發生器的作用就是把階躍信號值轉變為斜坡信號值，使系統的電壓、電流、頻率和電機轉速都能穩定的上升和下降。斜率的大小由頻率加減速時間決定，本系統針對光伏水泵設計了一種參數，時間可以精確到0.01秒，調頻的分辨率達到0.0赫茲，這主要通過優化的異步信號調制技術和DSC高速處理能力實現的。頻率斜坡函數的軟件實現如圖所示，在此過程中，為了使輸出頻率