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基于dsPIC30F2010数字信号控制器(DSC)光伏水泵变频器的研究

作者:时间:2010-12-16来源:网络收藏

2 光伏最大功率点跟踪(MPPT)设计
2.1 常规恒定电压跟踪(CVT)方式的特点与不足

CVT方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出,软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时刻变化的,尤其是在西部地区,同一天中的不同时段,温度和日照强度变化都相当大,这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移,其中尤以温度的变化影响最大。在这种情况下,采用CVT方式就不能很好地跟踪最大点。

2.2 TMPPT的原理与实现

为克服CVT方式弊端,提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念,其意思是“真正的最大功率跟踪”控制,即保证系统不论在何种日照及温度条件下,始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒V/f控制,故电机的转速与其输入电压成正比,因此,调节逆变器的输出电压,就等于调节了负载电机的输出功率。故本系统采用TMPPT方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处,为负载提供最大的能量。

由太阳电池阵列的特性曲线(见图4)可知,

在最大功率点处,dP/dv=O,在最大功率点的左侧,当dP/dV>O时,P呈增加趋势,dP/dVO时,P呈减少趋势;但在最大功率点的右侧,当dP/dv>O时,P呈减少趋势,dP/d vO时,P呈增加趋势。据此可在实际运行时根据P-V的变化关系确定最大功率点。

图5为TMPPT型最大功率点跟踪控制框图。系统的输入指令值为0,反馈值为dP/dV,假定Z3状态为+1,则Usp*指令电压增加,经CVT环节调整,系统的输出电压V跟踪Usp*增加,采样输出电流I,经功率运算环节和功率微分环节,获得dP/dV值,如dP/dV>0,则Z1为+1,Z2为+1,Z3为+l,Usp*指令电压继续增加。如dP/dVO,则Z1为-l,Z2为-1,Z3为-1,Usp*指令电压开始减小。稳定工作时,系统在最大功率点附近摆动,如果摆动幅度越小,则精度越高。在具体工作时,为了防止搜索方向的误判断,软件中设置了搜索限幅值,使系统的工作可靠性进一步提高。由于本系统中采用的ASIPM模块带有电流检测功能,故在硬件设计上可以省去电流检测电路,节约了成本,并进一步优化了外围电路。

3 系统的保护功能设计

1)过流和短路保护功能 由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻,所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时,被认为过流或短路,此时下桥臂IGBT门电路被关断,同时输出故障,dsPIC检测到此时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。

2)欠压保护功能 ASIPM检测下桥臂的控制电源电压,如果电源电压连续低于给定电压1OMs,则下桥臂各相IGBT均被关断,同时输出故障,在故障期间,下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。

3)过热保护功能 ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻,热敏电阻的阻值被直接输出,dsPIC通过检测其阻值可以完成过热保护功能。


以上保护是利用了ASIPM自身带有的功能,无须外加电路,进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外,还具有光伏系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。对于泵类负载,当转速低于下限值时,光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗,长期低速运行,会引起发热并影响水泵使用寿命,因此,本系统设计了低频保护,对水泵来说,当液面低于水泵进水口时,水泵处于空载状态,若不采取措施,长时间运行则会损坏润滑轴承,而本系统为户外无人值守工作方式,故系统为了增加检测可靠性,采用了自动打干和手动打干两种识别方式,其中,自动打干是根据系统输出功率和电机工作频率来进行判别;手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成,不须增加硬件电路,故系统结构简单。


4 结语
本系统DC/DC环节采用的推挽正激式电路,在性能、经济等方面优于传统的拓扑结构,非常适用于光伏水泵系统。DC/AC环节采用最新的ASIPM模块大大简化了电路,提高了系统的可靠性。控制策略上采用TMPPT最大功率点跟踪控制方法,提高了系统效率、简化了系统结构,同时本系统还采用了信号()对于提高系统运行速度,改善系统性能起着重要作用。总之,基于上述结构的光伏水泵,无论在结构、功能、成本和可靠性等方面都具有明显的优越性和市场竞争力。

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