CN201910767U - 用于太阳能光伏水泵的变频器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于太阳能光伏水泵的变频器，包括有数据运算模块、MPPT控制模块、变频调速控制模块，MPPT控制模块控制光伏阵列在任何日照条件和温度条件下始终以最大功率输出，变频调速控制模块根据MPPT控制模块的频率输出完成对交流异步电机的调速控制，变频调速控制模块中对日照强度上升和日照强度下降时分别采用不同的比例系数和积分系数，并对误差采取限幅控制，能根据在不同日照能量条件下光伏阵列输出能量的不同完成对交流异步电机的变频调速控制，同时保证在日照强度突变情况下的***稳定性。

Description

用于太阳能光伏水泵的变频器

技术领域

本实用新型涉及一种变频器，特别是一种涉及用于太阳能光伏水泵的变频器。

背景技术

因受技术、经济条件制约致使常规电网无法到达的沙漠、海岛、偏远山区等地区，居民和牲畜的日常饮用水、灌溉用水的提取相当困难。而太阳能光伏水泵的出现和推广应用为该问题的解决提供了一条很好的途径。但由于目前的光伏水泵通常是基于直流***的，需要设计专用的直流无刷电机及相应的专用直流控制器，成本相对较高。已经问世的光伏水泵技术瓶颈较为明显，其技术相对传统交流无刷水泵相当落后，实践表明这些产品在实际应用中具有很大的缺陷，其对水质的要求也很高，无法应用于沙漠农业和高原地区水质。同时其价格昂贵，很难在农业生产和生活中推广。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种实现对光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）的控制、同时实现在不同日照条件下的光伏水泵的变频调速功能、解决日照强度突变情况下的***稳定运行控制问题用于太阳能光伏水泵的变频器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：一种用于太阳能光伏水泵的变频器，包括有数据运算模块，其特征是还包括有MPPT控制模块、变频调速控制模块，所述MPPT控制模块控制光伏阵列在任何日照条件和温度条件下始终以最大功率输出，所述变频调速控制模块根据MPPT控制模块的频率输出完成对交流异步电机的调速控制，所述变频调速控制模块中对日照强度上升和日照强度下降时分别采用不同的比例系数和积分系数，并对误差采取限幅控制。

做为一种改进，包括有打干保护模块。

做为一种改进，将打干保护模块启动次数设定大于5次，每两次重启的时间间隔按启动次数依次增加。

做为一种改进，将打干保护模块启动次数设定为7次，每两次重启的时间间隔按启动次数的顺序设定为：5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时。

本实用新型用于太阳能光伏水泵的变频器包括MPPT控制模块、变频调速控制模块，MPPT控制模块主要完成对光伏阵列的最大功率点跟踪（MPPT）的控制，保证光伏阵列始终可以输出其最大功率；变频调速控制模块根据在不同日照能量条件下光伏阵列输出能量的不同完成对交流异步电机的变频调速控制，同时保证在日照强度突变情况下的***稳定性。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

附图说明

图1为本实用新型用于太阳能光伏水泵的变频器的***结构示意图；

图2为本实用新型部件变频调速控制模块控制原理结构示意图；

图3为本实用新型部件打干保护模块的逻辑示意图。

具体实施方式

如图 1、图2、图3所示，一种用于太阳能光伏水泵的变频器的具体实施方式，包括有数据运算模块1、MPPT控制模块2、变频调速控制模块3。数据运算模块1包括：CPU单元、A/D转换单元、数据存储单元、实时时钟单元。CPU单元主要完成对数据的运算、***接口设备的控制；A/D转换单元负责将采样电路采集到的交、直流电压、电流等模拟量转换为数字量；存储单元完成对***运行过程中的重要参数和信息的存储；实时单元为***提供正确的时间、日历功能。还包括有其它的变频器配套使用的模块，都是公知技术，不再叙述。

对常规电网供电的交流异步电机来说，当负载越大时，其所需要的供电电流越大，这是由于电机的输出转矩要保持与负载转矩的平衡。对于太阳能光伏水泵***，当其可为电机提供的交流电流越大时，其带负载的能力也就越强。而光伏阵列的最大功率点也就对应于其所能驱动的最大负载，同时也就对应于此时电机工作的最大交流电流。根据这一思想，只要实时的检测交流电流的大小，并通过对直流母线电压给定值的不断扰动，判断交流电流的变化即可完成对光伏阵列的MPPT控制，这种MPPT实现方式只需检测一个参量，降低了检测参量的复杂程度，使得控制简单高效。MPPT控制模块2就是在这种设计思想的指导下产生的，MPPT控制模块2根据***采集到的模拟量经过运算、判断、并通过相应的硬件电路执行等操作控制***的直流电压，使其工作于光伏阵列的最大功率点处，保证光伏阵列在任何日照条件和温度条件下始终以最大功率输出。

由于交流异步电机转速满足下式：

n=60f(1-S)/p             (1)

式中，p为异步电机极对数；S为异步电机转差率。对于水泵类负载，转差率s可由下式计算：

S=Sn(f/fn)                (2)

式中，fn为异步电机的额定转速；Sn为异步电机在额定负载下的转差率。由于异步电机在额定负载运行时转差率不超过5%，又有f≤fn，故S≈0，因此异步电机转速n与其频率f之间可近似为线性比例关系。由于在不同日照条件下，MPPT控制单元输出的频率f是变化的，从而完成对交流异步电机的调速控制。变频调速控制模块先3计算由MPPT控制模块设定的直流母线电压给定值与采样得到的直流母线电压的实际值之间的误差△E，经过PI（比例-积分）控制器得到电机的运行频率f，再经过f-M转换得到调制度M，最后通过SVPWM算法计算各功率器件对应的PWM的大小，经过驱动模块后控制功率模块单元工作，从而驱动电机运行。电机水泵***是一个高阶惯性***，当日照变化缓慢时，由于***惯性环节的时间常数与日照变化的时间相比可以忽略，所以***可平稳运行。但如有乌云飘过或鸟群飞过等原因造成日照能量骤变时，则惯性环节的时间常数已不可忽略，此时若***响应过慢，轻则造成电机的震荡运行、重则直接停机，如电机长时间在此状态下运行，势必造成设备的损坏。本实用新型中为解决此问题，根据日照突变方向的不同采用了对PI控制器进行了优化，对日照强度上升和日照强度下降时分别采用不同的比例系数Kp和积分系数Ki，并根据日照突升变化范围大小的不同，采取了对误差△E的限幅控制，这样就有效地避免了因日照骤然突升，定子频率上升过快造成的定、转子转差过大，导致定子电流过大，最终导致光伏阵列的输出功率无法满足此时的负载功率造成***崩溃停机的状况。

打干保护通常采用的是一种bang-bang控制方式，即在低水位点时，水泵停止运行；高水位点时，水泵开始运行。传统的打干保护需要三个液位传感器及一套硬件电路共同完成，这样势必增加***的硬件成本。本实用新型中的打干保护模块4优化控制过程，减少硬件设施的投入，如图3所示。具体思想是：

首先，测出水泵在空载运行时的交流电流大小。

其次，根据水泵在打干时为空载运行状态，转速最大（f≥fn）、电机运行电流小（Iac≤Iac_空载）这两个条件去判断***是否已处于打干状态。如符合条件，则需执行打干停机保护，否则将继续运行。

最后，由于***无液位传感器，所以对液位恢复的判断需要通过间隔一段时间后再次启动电机来进行。为防止水泵因在打干状态下频繁启动造成过早磨损，同时又为了避免因水位恢复未及时探知造成太阳能资源的浪费，打干保护模块4启动次数设定大于5次，每两次重启的时间间隔按启动次数依次增加。

更佳的，将打干保护模块4启动次数设定为7次，每两次重启的时间间隔按启动次数的顺序设定为：5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时。同时加入昼夜判断单元，一旦判断进入黑夜后，则不再重新启动进行打干判断，直至次日白天。

Claims (7)

1.一种用于太阳能光伏水泵的变频器，包括有数据运算模块（1），其特征是还包括有MPPT控制模块（2）、变频调速控制模块（3），所述MPPT控制模块（2）控制太阳能光伏阵列在任何日照条件和温度条件下始终以最大功率输出，所述变频调速控制模块（3）根据MPPT控制模块（2）的频率输出完成对交流异步电机的调速控制，所述变频调速控制模块（3）中对日照强度上升和日照强度下降时分别采用不同的比例系数（Kp）和积分系数（Ki），并对误差（△E）采取限幅控制。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能光伏水泵的变频器，其特征是还包括有打干保护模块（4）。

3.根据权利要求1或2所述的用于太阳能光伏水泵的变频器，其特征是将打干保护模块（4）启动次数设定大于5次，每两次重启的时间间隔按启动次数依次增加。

4.根据权利要求3所述的用于太阳能光伏水泵的变频器，其特征是将打干保护模块（4）启动次数设定为7次，每两次重启的时间间隔按启动次数的顺序设定为：5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、1小时、2小时、3小时。

5.根据权利要求2所述的用于太阳能光伏水泵的变频器，其特征是所述打干保护模块（4）设置有昼夜判断单元。

6.根据权利要求3所述的用于太阳能光伏水泵的变频器，其特征是所述打干保护模块（4）设置有昼夜判断单元。

7.根据权利要求4所述的用于太阳能光伏水泵的变频器，其特征是所述打干保护模块（4）设置有昼夜判断单元。

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