專利名稱：用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種變頻器，特別是一種涉及用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器。
背景技術(shù)：
因受技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件制約致使常規(guī)電網(wǎng)無(wú)法到達(dá)的沙漠、海島、偏遠(yuǎn)山區(qū)等地區(qū)， 居民和牲畜的日常飲用水、灌溉用水的提取相當(dāng)困難。而太陽(yáng)能光伏水泵的出現(xiàn)和推廣應(yīng) 用為該問(wèn)題的解決提供了一條很好的途徑。但由于目前的光伏水泵通常是基于直流系統(tǒng) 的，需要設(shè)計(jì)專用的直流無(wú)刷電機(jī)及相應(yīng)的專用直流控制器，成本相對(duì)較高。已經(jīng)問(wèn)世的光 伏水泵技術(shù)瓶頸較為明顯，其技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)交流無(wú)刷水泵相當(dāng)落后，實(shí)踐表明這些產(chǎn)品在 實(shí)際應(yīng)用中具有很大的缺陷，其對(duì)水質(zhì)的要求也很高，無(wú)法應(yīng)用于沙漠農(nóng)業(yè)和高原地區(qū)水 質(zhì)。同時(shí)其價(jià)格昂貴，很難在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活中推廣。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟 蹤(MPPT)的控制、同時(shí)實(shí)現(xiàn)在不同日照條件下的光伏水泵的變頻調(diào)速功能、解決日照強(qiáng)度 突變情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行控制問(wèn)題用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種用于太陽(yáng)能光伏水泵 的變頻器，包括有數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊，其特征是還包括有MPPT控制模塊、變頻調(diào)速控制模塊，所 述MPPT控制模塊控制光伏陣列在任何日照條件和溫度條件下始終以最大功率輸出，所述 變頻調(diào)速控制模塊根據(jù)MPPT控制模塊的頻率輸出完成對(duì)交流異步電機(jī)的調(diào)速控制，所述 變頻調(diào)速控制模塊中對(duì)日照強(qiáng)度上升和日照強(qiáng)度下降時(shí)分別采用不同的比例系數(shù)和積分 系數(shù)，并對(duì)誤差采取限幅控制。做為一種改進(jìn)，包括有打干保護(hù)模塊。做為一種改進(jìn)，將打干保護(hù)模塊啟動(dòng)次數(shù)設(shè)定大于5次，每?jī)纱沃貑⒌臅r(shí)間間隔 按啟動(dòng)次數(shù)依次增加。做為一種改進(jìn)，將打干保護(hù)模塊啟動(dòng)次數(shù)設(shè)定為7次，每?jī)纱沃貑⒌臅r(shí)間間隔按 啟動(dòng)次數(shù)的順序設(shè)定為5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘、1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)。本實(shí)用新型用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器包括MPPT控制模塊、變頻調(diào)速控制模 塊，MPPT控制模塊主要完成對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的控制，保證光伏陣列始 終可以輸出其最大功率；變頻調(diào)速控制模塊根據(jù)在不同日照能量條件下光伏陣列輸出能量 的不同完成對(duì)交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制，同時(shí)保證在日照強(qiáng)度突變情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定 性。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
圖1為本實(shí)用新型用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；[0011]圖2為本實(shí)用新型部件變頻調(diào)速控制模塊控制原理結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型部件打干保護(hù)模塊的邏輯示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3所示，一種用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器的具體實(shí)施方式
，包括 有數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊1、MPPT控制模塊2、變頻調(diào)速控制模塊3。數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊1包括CPU單元、 A/D轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元。CPU單元主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、外圍接口設(shè) 備的控制；A/D轉(zhuǎn)換單元負(fù)責(zé)將采樣電路采集到的交、直流電壓、電流等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字 量；存儲(chǔ)單元完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)和信息的存儲(chǔ)；實(shí)時(shí)單元為系統(tǒng)提供正確 的時(shí)間、日歷功能。還包括有其它的變頻器配套使用的模塊，都是公知技術(shù)，不再敘述。對(duì)常規(guī)電網(wǎng)供電的交流異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，當(dāng)負(fù)載越大時(shí)，其所需要的供電電流越大， 這是由于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩要保持與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的平衡。對(duì)于太陽(yáng)能光伏水泵系統(tǒng)，當(dāng)其可為 電機(jī)提供的交流電流越大時(shí)，其帶負(fù)載的能力也就越強(qiáng)。而光伏陣列的最大功率點(diǎn)也就對(duì) 應(yīng)于其所能驅(qū)動(dòng)的最大負(fù)載，同時(shí)也就對(duì)應(yīng)于此時(shí)電機(jī)工作的最大交流電流。根據(jù)這一思 想，只要實(shí)時(shí)的檢測(cè)交流電流的大小，并通過(guò)對(duì)直流母線電壓給定值的不斷擾動(dòng)，判斷交流 電流的變化即可完成對(duì)光伏陣列的MPPT控制，這種MPPT實(shí)現(xiàn)方式只需檢測(cè)一個(gè)參量，降低 了檢測(cè)參量的復(fù)雜程度，使得控制簡(jiǎn)單高效。MPPT控制模塊2就是在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo) 下產(chǎn)生的，MPPT控制模塊2根據(jù)系統(tǒng)采集到的模擬量經(jīng)過(guò)運(yùn)算、判斷、并通過(guò)相應(yīng)的硬件電 路執(zhí)行等操作控制系統(tǒng)的直流電壓，使其工作于光伏陣列的最大功率點(diǎn)處，保證光伏陣列 在任何日照條件和溫度條件下始終以最大功率輸出。由于交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速滿足下式n=60f (I-S) /p(1)式中，ρ為異步電機(jī)極對(duì)數(shù)；S為異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。對(duì)于水泵類負(fù)載，轉(zhuǎn)差率s可由 下式計(jì)算S=Sn (f/fn)(2)式中，fn為異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；Sn為異步電機(jī)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。由于異 步電機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率不超過(guò)5%，又有f < fn，故S 0，因此異步電機(jī)轉(zhuǎn)速η與 其頻率f之間可近似為線性比例關(guān)系。由于在不同日照條件下，MPPT控制單元輸出的頻率 f是變化的，從而完成對(duì)交流異步電機(jī)的調(diào)速控制。變頻調(diào)速控制模塊先3計(jì)算由MPPT控 制模塊設(shè)定的直流母線電壓給定值與采樣得到的直流母線電壓的實(shí)際值之間的誤差Δ E， 經(jīng)過(guò)PI (比例-積分)控制器得到電機(jī)的運(yùn)行頻率f，再經(jīng)過(guò)f-Μ轉(zhuǎn)換得到調(diào)制度M，最后 通過(guò)SVPWM算法計(jì)算各功率器件對(duì)應(yīng)的PWM的大小，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊后控制功率模塊單元工 作，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。電機(jī)水泵系統(tǒng)是一個(gè)高階慣性系統(tǒng)，當(dāng)日照變化緩慢時(shí)，由于系統(tǒng) 慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)與日照變化的時(shí)間相比可以忽略，所以系統(tǒng)可平穩(wěn)運(yùn)行。但如有烏云 飄過(guò)或鳥群飛過(guò)等原因造成日照能量驟變時(shí)，則慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)已不可忽略，此時(shí)若 系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)慢，輕則造成電機(jī)的震蕩運(yùn)行、重則直接停機(jī)，如電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在此狀態(tài)下運(yùn)行， 勢(shì)必造成設(shè)備的損壞。本實(shí)用新型中為解決此問(wèn)題，根據(jù)日照突變方向的不同采用了對(duì)PI 控制器進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)日照強(qiáng)度上升和日照強(qiáng)度下降時(shí)分別采用不同的比例系數(shù)Kp和積 分系數(shù)Ki，并根據(jù)日照突升變化范圍大小的不同，采取了對(duì)誤差Δ E的限幅控制，這樣就有效地避免了因日照驟然突升，定子頻率上升過(guò)快造成的定、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差過(guò)大，導(dǎo)致定子電流過(guò) 大，最終導(dǎo)致光伏陣列的輸出功率無(wú)法滿足此時(shí)的負(fù)載功率造成系統(tǒng)崩潰停機(jī)的狀況。 打干保護(hù)通常采用的是一種bang-bang控制方式，即在低水位點(diǎn)時(shí)，水泵停止運(yùn) 行；高水位點(diǎn)時(shí)，水泵開始運(yùn)行。傳統(tǒng)的打干保護(hù)需要三個(gè)液位傳感器及一套硬件電路共同 完成，這樣勢(shì)必增加系統(tǒng)的硬件成本。本實(shí)用新型中的打干保護(hù)模塊4優(yōu)化控制過(guò)程，減少 硬件設(shè)施的投入，如圖3所示。具體思想是 首先，測(cè)出水泵在空載運(yùn)行時(shí)的交流電流大小。其次，根據(jù)水泵在打干時(shí)為空載運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)速最大(f ^ fn)、電機(jī)運(yùn)行電流小 (lac ^ Iac_空載)這兩個(gè)條件去判斷系統(tǒng)是否已處于打干狀態(tài)。如符合條件，則需執(zhí)行打 干停機(jī)保護(hù)，否則將繼續(xù)運(yùn)行。最后，由于系統(tǒng)無(wú)液位傳感器，所以對(duì)液位恢復(fù)的判斷需要通過(guò)間隔一段時(shí)間后 再次啟動(dòng)電機(jī)來(lái)進(jìn)行。為防止水泵因在打干狀態(tài)下頻繁啟動(dòng)造成過(guò)早磨損，同時(shí)又為了避 免因水位恢復(fù)未及時(shí)探知造成太陽(yáng)能資源的浪費(fèi)，打干保護(hù)模塊4啟動(dòng)次數(shù)設(shè)定大于5次， 每?jī)纱沃貑⒌臅r(shí)間間隔按啟動(dòng)次數(shù)依次增加。更佳的，將打干保護(hù)模塊4啟動(dòng)次數(shù)設(shè)定為7次，每?jī)纱沃貑⒌臅r(shí)間間隔按啟動(dòng)次 數(shù)的順序設(shè)定為5分鐘、10分鐘、15分鐘、30分鐘、1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)。同時(shí)加入晝夜 判斷單元，一旦判斷進(jìn)入黑夜后，則不再重新啟動(dòng)進(jìn)行打干判斷，直至次日白天。
權(quán)利要求1.一種用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，包括有數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊(1)，其特征是還包括有 MPPT控制模塊(2 )、變頻調(diào)速控制模塊(3 )，所述MPPT控制模塊(2 )控制太陽(yáng)能光伏陣列在 任何日照條件和溫度條件下始終以最大功率輸出，所述變頻調(diào)速控制模塊(3)根據(jù)MPPT控 制模塊(2)的頻率輸出完成對(duì)交流異步電機(jī)的調(diào)速控制，所述變頻調(diào)速控制模塊(3)中對(duì) 日照強(qiáng)度上升和日照強(qiáng)度下降時(shí)分別采用不同的比例系數(shù)(Kp)和積分系數(shù)(Ki)，并對(duì)誤 差(ΔΕ)采取限幅控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，其特征是還包括有打干保護(hù) 模塊(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，其特征是將打干保護(hù)模 塊(4)啟動(dòng)次數(shù)設(shè)定大于5次，每?jī)纱沃貑⒌臅r(shí)間間隔按啟動(dòng)次數(shù)依次增加。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，其特征是將打干保護(hù)模塊 (4)啟動(dòng)次數(shù)設(shè)定為7次，每?jī)纱沃貑⒌臅r(shí)間間隔按啟動(dòng)次數(shù)的順序設(shè)定為5分鐘、10分 鐘、15分鐘、30分鐘、1小時(shí)、2小時(shí)、3小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，其特征是所述打干保護(hù)模塊 (4)設(shè)置有晝夜判斷單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，其特征是所述打干保護(hù)模塊 (4)設(shè)置有晝夜判斷單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，其特征是所述打干保護(hù)模塊 (4)設(shè)置有晝夜判斷單元。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于太陽(yáng)能光伏水泵的變頻器，包括有數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊、MPPT控制模塊、變頻調(diào)速控制模塊，MPPT控制模塊控制光伏陣列在任何日照條件和溫度條件下始終以最大功率輸出，變頻調(diào)速控制模塊根據(jù)MPPT控制模塊的頻率輸出完成對(duì)交流異步電機(jī)的調(diào)速控制，變頻調(diào)速控制模塊中對(duì)日照強(qiáng)度上升和日照強(qiáng)度下降時(shí)分別采用不同的比例系數(shù)和積分系數(shù)，并對(duì)誤差采取限幅控制，能根據(jù)在不同日照能量條件下光伏陣列輸出能量的不同完成對(duì)交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速控制，同時(shí)保證在日照強(qiáng)度突變情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G05F1/67GK201910767SQ20112000088
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月4日
發(fā)明者謝磊 申請(qǐng)人:浙江埃菲生能源科技有限公司