通用变频器在光伏水泵系统中的应用

    “光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”，其基本原理是利用半导体太阳能电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类马达带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。在一些中小功率的光伏水泵系统中，多采用直流无刷电动机作为驱动马达，但在一些较大功率的光伏水泵系统中亦不乏采用交流异步电动机作为驱动马达。在交流异步电动机作为驱动马达的场合，通常采用光伏水泵专用变频控制器进行控制。在利用光伏水泵专用型变频控制器时存在以下一些限制:用途比较单一、不是一种成型产品，制造工艺得不到保证、维修不方便等。这些限制都不利于光伏水泵的推广应用。为此，我们设计了一种以通用变频器代替光伏水泵专用变频控制器的光伏水泵控制系统。

光伏水泵系统的组成

    与我们常见的以交流市电作为电源水泵系统不同的是, 光伏水泵系统是以太阳能光伏阵列输出的直流电作为系统的电源供给。太阳能光伏阵列的输出是一种强烈非线性的直流电源, 受日照、环境温度等气象条件影响很大。要想光伏水泵系统在任何日照、环境温度等条件下都能发挥当前光伏阵列输出功率的最大潜力, 就需要一个能使电源和负载之间达到和谐、高效、稳定的工作状态的控制器。图1中的变频器即是实现该功能的, 主要是实现MPPT(最大功率点跟踪)、逆变和一些保护功能。机泵为系统的执行机构, 包括驱动电机和水泵, 通过调节机泵的转速即可调整系统负载的大小。

 系统的工作原理

    在CVT式的MPPT中，工程上可以近似认为不同日照强度下的最大输出功率点(如图2中的A、B、C、D、E点)逼近一条直线U=U*=const。也就是说只要光伏水泵系统运行过程中光伏阵列一直保持其输出电压为U*=const，就可以保证光伏阵列一直具有在当前日照下的最大功率输出。

    图3中:U*为PI调节器的给定值，亦为CVT给定指令电压; Udc为光伏阵列实际输出电压，亦为变频器的直流侧电压; Fset为变频器频率给定值; Idc为光伏阵列的输出电流，亦为变频器的直流侧电流。<BR>图3中PI调节器根据给定误差输出变频器的频率给定信号，从而改变水泵驱动电动机的转速，如此也即改变了系统的负载大小。Fset越大，电动机转速越高，系统负载越大;反之，Fset越小，电动机转速越低，系统负载越小。而系统负载的大小直接影响到变频器的直流侧电流即Idc的大小。负载越大，Idc越大;负载越小，Idc越小。这样就构成如下所述的系统调节过程:

    当检测到的光伏阵列输出电压Udc大于指令电压U*时，变频器的频率给定Fset上升，机泵的转速N也上升，负载增加，光伏阵列的输出电流Idc增加，光伏阵列输出电压Udc下降直到稳定在工作点U*; 当光伏阵列输出电压Udc小于指令U*时，变频器的频率给定Fset下降，机泵的转速N也下降，负载减小，光伏阵列的输出电流Idc减小，光伏阵列输出电压Udc增加直到稳定在工作点U*。
    实际系统设计

    实际系统是由一台西门子MicroMaster440 7.5kW通用型变频器、太阳能光伏阵列(开路电压约700V，功率8kW)、一台5.5kW水泵(驱动电机为三相异步电动机)、水位检测单元和控制板组成。系统结构图如图4所示。

    在光伏水泵系统中，我们只能运用太阳能光伏阵列作为整个系统的电源供给。西门子MM440变频器

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