引言
“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(dǎo)體太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動各類馬達(dá)帶動水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水。在一些中小功率的光伏水泵系統(tǒng)中，多采用直流無刷電動機作為驅(qū)動馬達(dá)，但在一些較大功率的光伏水泵系統(tǒng)中亦不乏采用交流異步電動機作為驅(qū)動馬達(dá)。在交流異步電動機作為驅(qū)動馬達(dá)的場合，通常采用光伏水泵專用變頻控制器進(jìn)行控制。
光伏水泵系統(tǒng)的組成
光伏水泵系統(tǒng)通常由太陽能光伏陣列(以下簡稱光伏陣列)、水泵變頻控制器和機泵組成， 其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
與我們常見的以交流市電作為電源水泵系統(tǒng)不同的是，光伏水泵系統(tǒng)是以太陽能光伏陣列輸出的直流電作為系統(tǒng)的電源供給。太陽能光伏陣列的輸出是一種強烈非線性的直流電源，受日照、環(huán)境溫度等氣象條件影響很大。要想光伏水泵系統(tǒng)在任何日照、環(huán)境溫度等條件下都能發(fā)揮當(dāng)前光伏陣列輸出功率的潛力，就需要一個能使電源和負(fù)載之間達(dá)到和諧、高效、穩(wěn)定的工作狀態(tài)的控制器。圖1中的變頻器即是實現(xiàn)該功能的，主要是實現(xiàn)MPPT(功率點跟蹤)、逆變和一些保護(hù)功能。機泵為系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，包括驅(qū)動電機和水泵，通過調(diào)節(jié)機泵的轉(zhuǎn)速即可調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載的大小。
系統(tǒng)的工作原理
太陽能光伏陣列是一種非線性的直流電源，它既非恒流源，也非恒壓源，也不能為負(fù)載提供任意大的功率。但在日照一定的前提下，光伏陣列有一個輸出功率點，如果系統(tǒng)工作時光伏陣列輸出功率為該點對應(yīng)的功率值，則系統(tǒng)此時工作在狀態(tài)。圖2給出了不同日照強度s下太陽能光伏陣列的i-v曲線。
圖2中：s為日照強度，單位為w/m2。a、b、c、d、e為對應(yīng)的日照強度下光伏陣列的輸出功率點。
在CVT式的MPPT中，工程上可以近似認(rèn)為不同日照強度下的輸出功率點(如圖2中的a、b、c、d、e點)逼近一條直線u=u*=const。也就是說只要光伏水泵系統(tǒng)運行過程中光伏陣列一直保持其輸出電壓為u*=const，就可以保證光伏陣列一直具有在當(dāng)前日照下的功率輸出。
采用變頻器拖動光伏水泵以實現(xiàn)CVT式MPPT控制實際上是運用反饋控制原理，在不同的日照強度下，通過改變變頻器的輸出頻率來調(diào)整電機水泵的轉(zhuǎn)速(即負(fù)載大小)，從而達(dá)到穩(wěn)定光伏陣列輸出電壓的目的。其控制原理如圖3所示。
圖3中：u*為pi調(diào)節(jié)器的給定值，亦為CVT給定指令電壓; udc為光伏陣列實際輸出電壓，亦為變頻器的直流側(cè)電壓;fset為變頻器頻率給定值; idc為光伏陣列的輸出電流，亦為變頻器的直流側(cè)電流。
圖3中pi調(diào)節(jié)器根據(jù)給定誤差輸出變頻器的頻率給定信號，從而改變水泵驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)速，如此也即改變了系統(tǒng)的負(fù)載大小。fset越大，電動機轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)負(fù)載越大;反之，fset越小，電動機轉(zhuǎn)速越低，系統(tǒng)負(fù)載越小。而系統(tǒng)負(fù)載的大小直接影響到變頻器的直流側(cè)電流即idc的大小。負(fù)載越大，idc越大;負(fù)載越小，idc越小。這樣就構(gòu)成如下所述的系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程：當(dāng)檢測到的光伏陣列輸出電壓udc大于指令電壓u*時，變頻器的頻率給定fset上升，機泵的轉(zhuǎn)速n也上升，負(fù)載增加，光伏陣列的輸出電流idc增加，光伏陣列輸出電壓udc下降直到穩(wěn)定在工作點u*;當(dāng)光伏陣列輸出電壓udc小于指令u*時，變頻器的頻率給定fset下降，機泵的轉(zhuǎn)速n也下降，負(fù)載減小，光伏陣列的輸出電流idc減小，光伏陣列輸出電壓udc增加直到穩(wěn)定在工作點u*。
普傳PI500-S光伏水泵專用變頻器
普傳科技PI500-S系列光伏水泵專業(yè)變頻器采用高精度快速MPPT算法，將光伏陣列輸出通過功率點追蹤，驅(qū)動水泵電機，以滿足各種揚水應(yīng)用需求。光伏水泵專用變頻器除了支持光伏列陣直流輸入外，還支持交流輸入。當(dāng)光伏陣列輸出無法驅(qū)動電機或者無輸出時，還接受電網(wǎng)交流輸入或者其他交流電機供電，以滿足各種應(yīng)急需求。
光伏水泵專用變頻器提供保護(hù)，提高電機及水泵使用壽命。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
產(chǎn)品特點：
1：內(nèi)置高精度光伏陣列規(guī)律點跟蹤MPPT算法干運行狀態(tài)監(jiān)測，處理，達(dá)到控制；
2：蓄水池水位控制；水位檢測機構(gòu)將水井和蓄水池的水位信號通過開關(guān)觸點信號送入控制板，根據(jù)不同的水位狀態(tài)控制變頻器的起停。
3：兼容直流/交流兩種輸入；2種電流輸入保證系統(tǒng)工作的正常運行；
4：LED顯示實時系統(tǒng)狀態(tài)與參數(shù)；實時控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，方便操作；
5：基于RS485的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；
6：快速安裝設(shè)計，無需額外維護(hù)；
7：內(nèi)置保護(hù)及診斷機制。
結(jié)束語
光伏水泵系統(tǒng)是目前太陽能光電應(yīng)用中特色的應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文所探討的系統(tǒng)是一種通用變頻器在太陽能光伏水泵系統(tǒng)方面的應(yīng)用，該系統(tǒng)組成簡單，調(diào)試方便，無需專門的采樣單元和保護(hù)單元(均由變頻器內(nèi)部功能來實現(xiàn))，可以實現(xiàn)全自動控制，十分適合于一些邊遠(yuǎn)干旱、缺電地區(qū)的使用。該系統(tǒng)已成功地在西藏某地得到應(yīng)用，效果理想。
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