專利名稱：一種高效全自動光伏水泵系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏水泵，具體涉及一種基于智能控制算法實現(xiàn)MPPT的高效全自動光伏水泵系統(tǒng)，涉及到太陽能的采集、變換及電力電子、電機、水泵、計算機控制、檢測技術與自動化裝置等多個學科的最新技術問題。
背景技術：
光伏水泵系統(tǒng)，具有無污染、全自動、運行成本低等優(yōu)點，其基本工作原理是利用太陽能電池將太陽能直接轉化為電能，然后通過控制器驅動電機帶動水泵運行，特別適用于無電地區(qū)經(jīng)濟作物灌溉、溫棚作物的種植；我國是農(nóng)業(yè)大國，對灌溉的需求量比較大，光伏水泵可以滿足國內干旱地區(qū)灌溉的要求，同時也是解決供水、飲水、荒山綠化、水土流失最佳方案，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?！?br> 國內對光伏水泵的研究起步較晚，到90年代左右，由于國家的優(yōu)惠政策和扶持措施，國內涌現(xiàn)了一批致力于光伏水泵系統(tǒng)的研究單位，其中主要有合肥工業(yè)大學的教育部光伏技術中心、北京太陽能研究所等；部分國內研究者已研究了獨立光伏水泵系統(tǒng)配置的方法，探索了軟件實現(xiàn)最大功率跟蹤的途徑，并完成全數(shù)字式的光伏水泵系統(tǒng)控制器的樣機設計，分別在青海的海西州都蘭縣巴隆鄉(xiāng)、新疆石河子市北泉鎮(zhèn)等地建立起了數(shù)個光伏水泵系統(tǒng)的試驗點，經(jīng)過較長時間的觀察測試，系統(tǒng)基本運行穩(wěn)定，能初步解決當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉或飲水問題，顯示了巨大的和廣闊的應用前景。雖然光伏水泵系統(tǒng)已得到初步的發(fā)展，但是還存在如下的問題
I.目前，市場上的光伏水泵樣機都是基于擾動觀察法實現(xiàn)太陽能電池的最大功率工作點的跟蹤，該方法在到達最大功率點附近之后，存在左右振蕩的現(xiàn)象，造成能量損耗；尤其在氣候條件變化頻繁時，情況更為嚴重，會存在跟蹤誤判的現(xiàn)象，不能實現(xiàn)對光伏陣列最大功率點快速、準確跟蹤，系統(tǒng)效率低，不能充分利用太陽能。2.普通光伏水泵系統(tǒng)大多由光伏電池廠家提供，所選葉片泵揚程較低，不能符合部分地區(qū)高揚程要求，且泵的效率一般較低；另外，選用通用的電機和水泵，在運行中經(jīng)常因匹配性不好而出現(xiàn)各種故障。因此，亟待開發(fā)能夠新型高效全自動水泵系統(tǒng)，克服上述缺點；一方面，要研究自適應MPPT算法，使之完成對光伏陣列最大功率點的快速穩(wěn)定的跟蹤；另一方面，有針對性對水泵的負載特性進行專門的研究，開發(fā)出小功率、高揚程、高效率的專用水泵，使之在不同環(huán)境下，仍具有較高的揚程和系統(tǒng)效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光伏MPPT控制器不能實時準確跟蹤最大功率工作點和光伏水泵效率低等缺陷，公開了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏MPPT預測控制的高效全自動光伏水泵系統(tǒng)。本發(fā)明米用如下技術方案一種高效全自動光伏水泵系統(tǒng)，由光伏陣列、DC/DC變換器、DC/AC逆變橋、直流無刷電機、蓄電池、反電勢檢測電路、隔離電路、驅動電路、Atmegal28控制器、光伏水泵和液位傳感器組成，光伏陣列的輸出端子連接DC/DC變換器的輸入端，DC/DC電路輸出端連接蓄電池和DC/AC逆變橋的輸入端；Atmegal28控制器的輸出端接入隔離電路，隔離電路的輸出端接驅動電路的輸入端，驅動電路的輸出端接DC/AC變換器輸入端，DC/AC逆變橋的輸出端分別接無刷直流電機、反電勢檢測電路的輸入端，反電勢檢測電路的輸出端接Atmegal28控制器，直流無刷電機的輸出端接光伏水泵，進行深井抽水，液位傳感器的輸出端接Atmegal28控制器,將當前液位傳給控制器,實現(xiàn)對液位的實時檢測。所述Atmegal28控制器要實現(xiàn)的功能主要有基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏MPPT預測控 制、PID控制、PWM信號的產(chǎn)生模塊、直流無刷電機控制、電流電壓的檢測、水位打干檢測和顯示操作模塊。高效全自動光伏水泵系統(tǒng)的控制方法按照如下步驟進行
(1)Atmegal28控制器完成初始化后，依次對水泵的輸出端的電流值、電壓值進行采樣，判斷電壓、電流參數(shù)是否正常，若參數(shù)不正常，對系統(tǒng)實行停止的操作。
(2)若參數(shù)正常，控制器調用基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏MPPT預測控制算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練光伏陣列的光強、溫度的樣本數(shù)據(jù)，訓練完成后的數(shù)據(jù)就是所預測的光伏陣列的最大電壓工作電壓Uom。(3)將實際輸出電壓Udc與最大功率點工作電壓Uom的比較值輸入到Atmegal28控制器的PID調節(jié)器，改變控制器的內部定時器生成的PWM波的占空比，從而對DC/DC變換器進行直流斬波，調整實際輸出電壓Udc，使光伏陣列工作在最大功率點。(4) Atmegal28控制器控制直流無刷電機啟動，控制器發(fā)送電機的開環(huán)步進編碼，實現(xiàn)直流無刷電機的步進啟動，當電機步進啟動成功后，控制器將電機自動切換到自同步運行階段，從直流無刷電機的定子端引出的三相繞組的端電壓信號，經(jīng)過反電勢檢測電路輸出到過零比較器，控制器分析過零比較器的狀態(tài)，從中檢測出直流無刷電機的過零點，并采用查表法從控制器的EPROM中直接讀取出相應的控制字編碼，通過控制器的I/O經(jīng)過隔離電路與驅動電路，以導通或關斷相應的DC/AC逆變橋功率管，從而觸發(fā)無刷直流電機正確換相。(5)DC/AC逆變橋采用兩兩導通方式，每隔1/6周期(60°電角度)繞組換相一次，按依次導通的規(guī)律循環(huán)，無刷直流電機將產(chǎn)生連續(xù)轉矩從而帶動水泵的運行，水井的液位傳感器實時檢測水位，當水位低于最低水位時，控制器將發(fā)出控制指令使水泵停止打水，系統(tǒng)運行過程中，控制器的顯示與操作模塊可以通過通信程序實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作以及參數(shù)的顯不O所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏MPPT預測算法的建立過程
(I)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡為3-5-1的3層的網(wǎng)絡結構網(wǎng)絡由3個輸入神經(jīng)元、5個隱藏神經(jīng)元和I個輸出神經(jīng)元構成；如圖I所示，3個輸入神經(jīng)元分別為光伏陣列的光強、溫度以及時間參數(shù)，光伏陣列的最大功率點電壓作為輸出神經(jīng)元的預測輸出值；(2)選取閥值函數(shù)f :神經(jīng)網(wǎng)絡的隱藏神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S型正切函數(shù)，輸出神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S型對數(shù)函數(shù)；(3)對樣本數(shù)據(jù)的選取和預處理在某一天，采取等時間間隔抽樣的方法對光伏陣列的光照強度和溫度進行數(shù)據(jù)采集，繼而對輸入的光強、溫度、時間三種樣本數(shù)據(jù)進行歸一化預處理，從而克服權值調節(jié)過程緩慢和不收斂的現(xiàn)象；用一個線性變換，把它們的數(shù)值依次歸一化到[-1，I]之間，歸一化的數(shù)學公式為Xi =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),(i=fn)，其中，X為光強或溫度的原始樣本數(shù)據(jù)，Xmax和Xmin分別為X中的最大值和最小值，Xi為第i組光強或溫度的樣本歸一化后的樣本數(shù)據(jù)，輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練和預測的樣本均需經(jīng)上述歸一化處理；(4)訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的算法采取TRAINLM，如圖2所示，采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練完成后的數(shù)據(jù)，進行預測光伏組件的最大電壓，這種訓練方法能快速、精確跟蹤到最大功率點。較常規(guī)的光伏水泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自適應、穩(wěn)定性、低成本和高效率的特點。本控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是
(I)將神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制算法與光伏MPPT進行融合并應用于光伏水泵系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的自適應性，能適應天氣變化頻繁的場合，實現(xiàn)輸出電壓快速穩(wěn)定地逼近最大功率點電壓；為了說明神經(jīng)網(wǎng)絡光伏MPPT算法的優(yōu)越性，將其與擾動觀察法進行仿真比較，兩種控制方法所得出功率曲線分別如附圖
3和附圖4所示，從圖中可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制方法較擾動觀察法具有更高的精度和穩(wěn)定性，不僅波動小，效率也很高。 另外，KPM是最大功率跟蹤的重要性能參數(shù)，KPM越大，表明最大功率跟蹤的性能
越好，其計算公式為
權利要求
1.一種高效全自動光伏水泵系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由光伏陣列、DC/DC變換器、DC/AC逆變橋、直流無刷電機、蓄電池、反電勢檢測電路、隔離電路、驅動電路、Atmegal28控制器、光伏水泵和液位傳感器組成，光伏陣列的輸出端子連接DC/DC變換器的輸入端，DC/DC電路輸出端連接蓄電池和DC/AC逆變橋的輸入端；Atmegal28控制器的輸出端接入隔離電路，隔離電路的輸出端接驅動電路的輸入端，驅動電路的輸出端接DC/AC變換器輸入端，DC/AC逆變橋的輸出端分別接無刷直流電機、反電勢檢測電路的輸入端，反電勢檢測電路的輸出端接Atmegal28控制器,直流無刷電機的輸出端接光伏水泵,進行深井抽水,液位傳感器的輸出端接Atmegal28控制器,將當前液位傳給控制器,實現(xiàn)對液位的實時檢測。
2.如權利要求I所述的一種高效全自動光伏水泵系統(tǒng)的控制方法，其特征在于按照如下步驟進行 (1)Atmegal28控制器完成初始化后，依次對水泵的輸出端的電流值、電壓值進行采樣，判斷電壓、電流參數(shù)是否正常，若參數(shù)不正常，對系統(tǒng)實行停止的操作； (2)若參數(shù)正常，控制器調用基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏MPPT預測控制算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練光伏陣列的光強、溫度的樣本數(shù)據(jù)，訓練完成后的數(shù)據(jù)就是所預測的光伏陣列的最大電壓工作電壓Uom ； (3)將實際輸出電壓Udc與最大功率點工作電壓Uom的比較值輸入到Atmegal28控制器的PID調節(jié)器，改變控制器的內部定時器生成的PWM波的占空比，從而對DC/DC變換器進行直流斬波，調整實際輸出電壓Udc，使光伏陣列工作在最大功率點； (4)Atmegal28控制器控制直流無刷電機啟動，控制器發(fā)送電機的開環(huán)步進編碼，實現(xiàn)直流無刷電機的步進啟動，當電機步進啟動成功后，控制器將電機自動切換到自同步運行階段，從直流無刷電機的定子端引出的三相繞組的端電壓信號，經(jīng)過反電勢檢測電路輸出至IJ過零比較器，控制器分析過零比較器的狀態(tài)，從中檢測出直流無刷電機的過零點，并采用查表法從控制器的EPROM中直接讀取出相應的控制字編碼，通過控制器的I/O經(jīng)過隔離電路與驅動電路，以導通或關斷相應的DC/AC逆變橋功率管，從而觸發(fā)無刷直流電機正確換相； (5)DC/AC逆變橋采用兩兩導通方式，每隔1/6周期(60°電角度)繞組換相一次，按依次導通的規(guī)律循環(huán)，無刷直流電機將產(chǎn)生連續(xù)轉矩從而帶動水泵的運行，水井的液位傳感器實時檢測水位，當水位低于最低水位時，控制器將發(fā)出控制指令使水泵停止打水，系統(tǒng)運行過程中，控制器的顯示與操作模塊可以通過通信程序實現(xiàn)對系統(tǒng)的操作以及參數(shù)的顯/Jn ο
3.如權利要求I所述的一種高效全自動光伏水泵系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏MPPT預測算法的建立過程 (I)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡為3-5-1的3層的網(wǎng)絡結構網(wǎng)絡由3個輸入神經(jīng)元、5個隱藏神經(jīng)元和I個輸出神經(jīng)元構成，3個輸入神經(jīng)元分別為光伏陣列的光強、溫度以及時間參數(shù)，光伏陣列的最大功率點電壓作為輸出神經(jīng)元的預測輸出值；(2)選取閥值函數(shù)f :神經(jīng)網(wǎng)絡的隱藏神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S型正切函數(shù)，輸出神經(jīng)元的傳遞函數(shù)采用S型對數(shù)函數(shù)；(3)對樣本數(shù)據(jù)的選取和預處理在某一天，采取等時間間隔抽樣的方法對光伏陣列的光照強度和溫度進行數(shù)據(jù)采集，繼而對輸入的光強、溫度、時間三種樣本數(shù)據(jù)進行歸一化預處理，從而克服權值調節(jié)過程緩慢和不收斂的現(xiàn)象；用一個線性變換，把它們的數(shù)值依次歸一化到[-1，I]之間，歸一化的數(shù)學公式為Xi =(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，(i=l n)，其中，X為光強或溫度的原始樣本數(shù)據(jù)，Xmax和Xmin分別為X中的最大值和最小值，Xi為第i組光強或溫度的樣本歸一化 后的樣本數(shù)據(jù)，輸入的神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練和預測的樣本均需經(jīng)上述歸一化處理；(4)訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的算法采取TRAINLM，采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練完成后的數(shù)據(jù)，進行預測光伏組件的最大電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及太陽能光伏水泵，具體涉及一種基于智能控制算法實現(xiàn)MPPT的高效全自動光伏水泵系統(tǒng)。本發(fā)明將神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制算法與光伏MPPT進行融合并應用于光伏水泵系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的自適應性，能適應天氣變化頻繁的場合，實現(xiàn)輸出電壓快速穩(wěn)定地逼近最大功率點電壓。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)水泵、光伏陣列、電機的三者最佳匹配，具有自適應、穩(wěn)定性、低成本和高效率的特點。
文檔編號F04B49/06GK102913426SQ20121037881
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權日2012年10月9日
發(fā)明者施愛平, 施健, 高順標, 葉麗華, 施允洋 申請人:江蘇大學, 江蘇永興集團