三科变频器在光伏水泵供水系统中的应用

本文介绍了一种以三科太阳能光伏水泵变频器为主实现拖动光伏水泵完成CVT（恒定电压跟踪）式MPPT(最大功率点跟踪)控制的方案，经多次在实践收集中所收集的运行数据来看，该系统在控制效率方面有不错好效果。 

一、引言：

整个光伏水泵系统的运行原理，是通过太阳能半导体电池来将太阳能直接转化为电能，而后在驱动各类电机联动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源处抽取水。而在部分中小功率的光伏水泵系统中，则会采用较多的直流无刷电机来驱动水泵，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机作为驱动。而在以交流异步电机作为驱动为主的场合中，通常会采用光伏水泵专用变频控制器展开控制措施。而光伏水泵专用型变频器进行控制时也是有一定限制的:例如该设备的适用范围比较窄、并不是一种成型产品，在制造工艺上无法保证稳定、而且当设备出现故障时可能会造成维修困难等难题。以上种种都限制了光伏水泵的推广与应用。因此三科设计生产了一种专门用于光伏水泵的SKI650型太阳能光伏水泵变频器。

二、构成光伏水泵系统的组合：

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。

图1  光伏水泵系统组成结构图

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最大潜力, 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(最大功率点跟踪)、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。

三、系统运行的原理：

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，光伏阵列有一个最大输出功率点，如果系统工作时光伏阵列输出功率为该点对应的功率值，则系统此时工作在最佳状态。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最大输出功率点。

图2   CVT式MPPT原理示意图

在CVT式的MPPT中，工程上可以近似认为不同日照强度下的最大输出功率点(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最大功率输出。

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   系统控制原理框图

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*。

四、实际系统设计

该水泵系统实际由一台杭州三科生产的7.5kW太阳能光伏水泵变频器、太阳能光伏阵列(开路电压约700V，功率8kW)、一台5.5kW水泵(驱动电机为三相异步电动机)、水位检测单元和控制板组成。系统结构图如图4所示。

图4   系统结构框图

在光伏水泵系统中，我们只能运用太阳能光伏阵列作为整个系统的电源供给。整个三科SKI650光伏水泵变频器是由直流电源进行直接供能的，并且该型号变频器能向外提供+24V(最大100mA)的直流控制电源，这就使得直接利用太阳能光伏阵列供电成为可能。另外，该变频器能提供2路模拟量输入和2路模拟量输出以及内部的PID调节功能，这极大的方便了系统的设计。

太阳能光伏阵列输出电压采样是利用变频器内部的AD采样功能来实现的，该信号参与变频器的内部PI调节以实现CVT式MPPT控制;同时此信号被送入控制板，参与起停电压控制。CVT控制方式的一个特点是在不同的时间、地点可能要设置不同的CVT工作点电压U*，因此需要设定不同的PI调节器给定值。PI调节器给定值 U*的给定幅值一般需凭借经验作出较为正确的预估(一般为光伏阵列开路电压的75％)并辅以实测调整，通过变频器的操作面板设定。系统工作时对直流侧电压突降很敏感，因此系统要有良好的快速性，否则系统在日照强度快速减弱时(如乌云突然遮挡)，电机降速不及时，光伏阵列提供的功率不够，其输出电压会急剧下降而使系统进入故障停机。系统的快速性可以通过设定PI调节的时间常数和变频器的加减速时间来实现。

控制板主要是进行变频器的起停以及水位控制等功能。下面简要介绍一下控制板的功能。

(1) 起停控制

根据试验测定，三科SKI650变频器在运行状态下，若其直流侧电压(即光伏阵列的输出电压)低于420V，就会发出欠压故障报警并停机，但如果是在停机状态下直流侧电压下降到420V则不会发出欠压故障报警。因此，必须控制变频器停机时的光伏阵列输出电压高于420V欠压点，以防止变频器的欠压故障。另外, 在系统停机时阵列输出电压约等于开路电压, 系统启动后, 阵列输出电压会下降，这可能造成如下过程:变频器启动后, 因阵列输出电压降低而造成变频器停机;变频器停机后, 又因阵列输出电压上升而使变频器重新启动。为避免系统出现这种频繁的起停振荡以及变频器发生欠压故障报警, 系统设置一个如图5所示启停电压滞环，在光伏阵列输出电压高于开机点电压576V时，变频器才能启动, 只有光伏阵列输出电压低于停机点电压480V时变频器才能停机, 停机后必须等阵列输出电压上升到开机点电压576V后才能使变频器再次启动。

图5   起停电压控制示意图

(2) 水位控制功能

水位检测机构将水井和蓄水池的水位信号通过4路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。水位的上、下限开关实际构成滞环控制, 以避免因为水位变化而造成系统频繁起停振荡。另外, 水井水位下限开关的安装位置应高于水泵的进水口以起到打干保护的功能。

5  结束语

作为太阳能光电应用领域中最具特色的光伏水泵系统。通过上述内容所介绍的杭州三科SKI650太阳能光伏水泵变频器在太阳能光伏水泵系统方面的实际应用案例，该系统的组成部分是较为简单的，这样可以令变频器在调试的过程中减少难度，无需专门的采样单元和保护单元，能够达到全自动控制的目标，对于部分处于边远干旱或缺少电力供给的地区来说是一种十分理想的设备。该光伏水泵系统目前已于非洲干旱地区地区得到充分的应用，据非洲客户反馈的资料来看，该变频器在使用中运行效率显著，受到当地客户广泛好评。