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通用變頻器在光伏水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用
閱讀：2445 發(fā)布時(shí)間：2022-8-2 引言
“光伏水泵系統(tǒng)”亦稱“太陽(yáng)能光電水泵系統(tǒng)”，其基本原理是利用半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，然后驅(qū)動(dòng)各類馬達(dá)帶動(dòng)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。在交流異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的場(chǎng)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(yáng)能光伏陣列(以下簡(jiǎn)稱光伏陣列)、水泵變頻控制器和機(jī)泵組成， 其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
與我們常見(jiàn)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(yáng)能光伏陣列輸出的直流電作為系統(tǒng)的電源供給。太陽(yáng)能光伏陣列的輸出是一種強(qiáng)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(gè)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(shí)現(xiàn)該功能的，主要是實(shí)現(xiàn)MPPT(功率點(diǎn)跟蹤)、逆變和一些保護(hù)功能。機(jī)泵為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)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(yáng)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(gè)輸出功率點(diǎn)，如果系統(tǒng)工作時(shí)光伏陣列輸出功率為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值，則系統(tǒng)此時(shí)工作在狀態(tài)。圖2給出了不同日照強(qiáng)度s下太陽(yáng)能光伏陣列的i-v曲線。
圖2中：s為日照強(qiáng)度，單位為w/m2。a、b、c、d、e為對(duì)應(yīng)的日照強(qiáng)度下光伏陣列的輸出功率點(diǎn)。
在CVT式的MPPT中，工程上可以近似認(rèn)為不同日照強(qiáng)度下的輸出功率點(diǎn)(如圖2中的a、b、c、d、e點(diǎn))逼近一條直線u=u*=const。也就是說(shuō)只要光伏水泵系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(dòng)光伏水泵以實(shí)現(xiàn)CVT式MPPT控制實(shí)際上是運(yùn)用反饋控制原理，在不同的日照強(qiáng)度下，通過(guò)改變變頻器的輸出頻率來(lái)調(diào)整電機(jī)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(shí)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(hào)，從而改變水泵驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，系統(tǒng)負(fù)載越大;反之，fset越小，電動(dòng)機(jī)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(guò)程：當(dāng)檢測(cè)到的光伏陣列輸出電壓udc大于指令電壓u*時(shí)，變頻器的頻率給定fset上升，機(jī)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(diǎn)u*;當(dāng)光伏陣列輸出電壓udc小于指令u*時(shí)，變頻器的頻率給定fset下降，機(jī)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(diǎn)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M(fèi)PPT算法，將光伏陣列輸出通過(guò)功率點(diǎn)追蹤，驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)，以滿足各種揚(yáng)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(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者無(wú)輸出時(shí)，還接受電網(wǎng)交流輸入或者其他交流電機(jī)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(jī)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(diǎn)：
1：內(nèi)置高精度光伏陣列規(guī)律點(diǎn)跟蹤MPPT算法干運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，處理，達(dá)到控制；
1：內(nèi)置高精度光伏陣列規(guī)律點(diǎn)跟蹤MPPT算法干運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，處理，達(dá)到控制；
2：蓄水池水位控制；水位檢測(cè)機(jī)構(gòu)將水井和蓄水池的水位信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)信號(hào)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(yùn)行；
4：LED顯示實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)與參數(shù)；實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，方便操作；
5：基于RS485的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；
6：快速安裝設(shè)計(jì)，無(wú)需額外維護(hù)；
7：內(nèi)置保護(hù)及診斷機(jī)制。
結(jié)束語(yǔ)
光伏水泵系統(tǒng)是目前太陽(yáng)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(yáng)能光伏水泵系統(tǒng)方面的應(yīng)用，該系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，無(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn))，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)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。