基于转速观察反馈实现MPPT的光伏水泵系统_鲍胜华

收稿日期 : 2002- 12- 26文章编号 : 0254- 0096 ( 2004) 03- 0353- 03基于转速观察反馈实现 MPPT 的光伏水泵系统鲍胜华 , 苏建徽 , 茆美琴( 合肥工业大学能源研究所 , 合肥 230009)摘 要 : 介绍了一种基于直流无刷电机的光伏水泵 系统的工作原理和采用转速观察反馈实现最大功率跟踪的 控制思想及程序流程图 , 并给出了样机在光伏阵列模拟器上 的运行结果 , 最后分析系统的跟踪误差 、 DC- DC 变换的选择及系统太阳电池配置方案 。关键词 : 直流无刷电机 ; M PPT; 光伏水泵 ; 光伏阵列中图分类号 : TK 51 文献标识码 : A1 引 言我国西部地区日照充足 , 地广人稀 , 但供电供水不便 , 因此光伏水泵的应用对西部开发有着不同寻常的意义 。 由于太阳能电池价格昂贵 , 因而提高光伏系统效率降低系统成本很有必要 。 太阳电池既非恒流源又非恒压源 , 其特性曲线如图 1 所示 [ 1] ,其中曲线 C1 、 C2 、 C3 、 C4 为太阳电池在同一温度不同日照下的 U — I 特性曲线 , P1 、 P2 、 P3 、 P4图 1 太阳能电池特性曲线Fig. 1 Characteristicof solar PV cell为不同日照时的最 大功率点 。 只有在负 载具有 L1的特性曲线时 , 太阳电池才能在任何日照条件下都工作在最大功率输出 , 但大部分负载都不满足这一条件 。 只有在太阳电池与负载间加上 DC- DC 变换才能改变光伏阵列的负载工作点 , 如图 2 所示 。 证明如下 :假设在一定的温度和日照下的太阳电池的 U - I 方程为U 1 = F( I 1) ( 1)图 2 M PPT 原理示意图Fig. 2 Sketch map for the principle of M PPT假设一定负载的 U — I 方程为U 2 = G( I 2) ( 2)设 K = U 2/ U 1, DC — DC 的转换效率为 η , 则U 2 I 2 = η U 1 I 1 ( 3)由 ( 1) 、 ( 2) 、 ( 3) 式可得 :KU 1 = G( η I 1/ K ) ( 4)在最大功率点 , U 1 、 I 1 固定 , 由 ( 4) 式可以唯一确定 K 。 在任何 时候只要能确定最大功率点U 、 I 对应的 DC- DC 的变比 K , 就找到了太阳电池的最大功率点 。2 系统工作原理及工程实现2. 1 原 理对于水泵负载 , 转矩 - 转速之间的关系表达式为 [ 2] :T P = K ω 2P ( 5)第 25 卷 第 3 期2004年 6 月 太 阳 能 学 报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Vol. 25 , No. 3July , 2004其中 , T P — — — 水泵转矩 ; ω P — — — 水泵角速度 。则水泵输出功 率 P = T P K ω 3。 可见水 泵的功率与转速呈单调上升关系 。 在一定日照下 , 当水泵转速最大时 , 系统的输出功率最大 。 故可以不停的改变占空比 , 当找到转速最大点时 , 也就找到了太阳电池的最大功率点 。2. 2 工程实现光 伏 水 泵 控 制 器 的 控 制 框 图 如 图 3 所 示 ,PWM 对逆变桥输出的电压斩波 , 给定的 U ＊ 与太阳电池两端的电压 U 通过 PI 调节器后输出一个直流电平 , 用以线性调节 PWM 波的占空比 。 占空比变化后 , 逆变器输出的有效电压值发生变化 , 系统输出功率也会发生变化 , 这样太阳电池的工作点电压就会移动 。 U 是否朝给定的 U ＊ 方向收敛 , 现推导如下 :图 3 系统控制结构框图Fig. 3 Block diagram of system假设现在 U ＊ > U , PI 调节输出增加 , PWM占空比减小 , 即变比 K 减小 。 由电机和水 泵的特性可知 , 扬程 一定 , I 随 U 的 增加 而单 调上升 ,即 F′( I) > 0 , 由太阳电池的特性曲线可知 , 一定的日照下 G′( I ) 0 , F > 0 , G > 0 , 所以 :d I 1dK > 0 ( 9)由 ( 9) 式可知 , 太阳电池的电流随 K 的减小而减小 , 电压随 K 的减小而增大 , 则反馈电压单调上升 。 在合适的 PI 调节参数下 U 最终能 跟踪到U ＊ , 也就是说改变 U ＊ 就可以移动太阳能电池的工作点 。 控 制 器改 变 太 阳能 电 池两 端 电 压给 定U ＊ , 待 U 跟踪到 U ＊ 后检测转速 , 判断系统是否工作在最大功率点 , 其搜索子程序流程图如图 4 所示 , 其中 E 为转速波动误差 , 该子程序在主程序中每 2s 调用一次 。 稳态时 U ＊ 应在最大功率点电压值左右摆动 。图 4 MPPT 子程序流程图Fig. 4 Flow chart of MPPT subroutine3 实验验证根据上述思想 , 制得一台样机 , 制器采用 DC/图 5 系统在太阳能模拟器上的试验波形Fig. 5 Results on solar PV array simulatorDC 降压变换 , 转速采样精度为 0. 6Hz 。 系统在太阳能阵列模拟器上运行结果如图 5 所示 , 其中 , 圆圈为模拟器实际计算出来的最大功率点 , 叉号表示负载工作点 。 从图可以看出 , 该系统可以搜索到最大功率点附近 。354 太 阳 能 学 报 25 卷 4 系统分析4. 1 跟踪误差分析由于系统通过不停的加入扰动来判断系统是否工作在最大功率点 , 所以该系统总是存在误差的 。假设 A : : 系统的过渡过程时间与扰动的间隔时间相等B : 速度的变化过程为线性设偏离最大功率点最远时的转速变化 Δ ω = max( ΔΕ 1 , ΔΕ 2) ,其中 ΔΕ 1 为转速波动误差 ,ΔΕ 2 — — — 转图 6 M PPT 搜索示意图Fig. 6 Sketch mapof searchingprocess速检测精度 ;ω — — — 最大功率点时的转速 。 则系统 工作时与真正最大功率点的功率平均误差为 :Δ P = 12∫ω + Δ ωω K ω2d ω=k6 Δ ω3 + 12 kω2 Δ ω+ 12 kω Δ ω2 ( 10)其相对功率误差为Δ P/ P =( k6 Δ ω 3 + 12 k ω 2 Δ ω + 12 kω Δ ω 2)/ k ω 3= Δ ω36 ω 3 +Δ ω2 ω +Δ ω 2ω 2 ( 11)由式 ( 10) 、 ( 11) 可知 , 系统的跟踪误差与水泵 、 负载 、 最大功率点的功率 、 转速波动 、 转速检测误差等有关 。 本文的样机在用太阳电池供电运行时观察到的水泵流量波动约在 1 %～ 2% ( 输入功率约为 150W , 扬程 10m) 。4. 2 DC/ DC 变换类型的选择DC/ DC 变换在寻找最大功率点过程中至为重要 。 而一个降压的 DC/ DC 变换是否能满足系统的工作需要呢 ? 如图 6所示 , P 点为 K = 1 时太阳电池在某一温度日照下的特性曲线与负载特性曲线的交点 。 当 DC/ DC 变换降压工作时 , K < 1 , 根据式( 9) , 工作点会右移 。 所以采用降压变换时 , 只有当最大功率点在 P 的右边时 , 系统才能搜索到最大功率点 ; 当最大功率点在 P 点左边时 , 系统只能搜索到 P 点 。 为了使系统全程工作在最大功率点 , 需采用升降压变换 , 或者是在配置太阳电池时尽可能的使最大功率点在负载特性曲线的右边 。5 结 论本文研制的样机弥补了采用 CV T 实现最大功率跟踪的不足 , 经长期运行 , 系统性能稳定 , 具有良好的应用前景 。[ 参考文献 ][ 1] 余世杰 , 何慧若 , 等 . 光伏水 泵系统 [ J] , 太阳能 学报 , 1999( 特刊 ) : 115— 118 .[ 2] 曹仁贤 , 余世 杰 , 等 . 微处 理 器控 制光 伏 水泵 SP-WM 变频 器 的设 计 [ J] , 太阳 能 学 报 , 1997 ( 2) :59— 64.PHOTOVOLTAIC PUMP SYSTEM WITH MPPT BASED ONTHE OBSERVING FEEDBACK OF ROTATIONAL SPEEDSBao Shenghua , Su Jianhui , Mao Meiqin( Energy ResearchInstitute , Hefei University of Technology , Hefei 230009, China )Abstract : A kind of photovoltaic pump system basedon BLDC w as introduced , and the principle of MPPT( Maximum Power Point Tracking ) basedon the observing feedback of rotational speedsw as described and flowchart w as given . At the same time the experimental results on PV array simulator were presented. At the end .the performance of system w as analyzed and discussedin detail , and how to configure the capability of solar PVarray w as also discussed。Keywords : BLDC ; MPPT ; Photovoltaic pump ; solar PV array联系人 E- mail : baoshenghuajia@163 .com355 3期 鲍胜华等 : 基于转速观察反馈实现 M PPT 的光伏水泵系统