[align=left] 1、引言 獨(dú)立太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)對(duì)于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)人畜飲水、農(nóng)業(yè)及防護(hù)林灌溉等生態(tài)問題具有廣闊的應(yīng)用前景，因此得到了廣泛的重視。對(duì)于采用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的水泵，需要使用逆變控制器?？刂破鞅仨毦邆湟韵聝蓚€(gè)功能：逆變功能—將太陽能電池陣列輸出的直流電變換為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的三相交流電；最大功率點(diǎn)跟蹤（mppt）功能—根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出頻率、保證系統(tǒng)輸出最大功率。與采用“通用變頻器＋最大功率點(diǎn)跟蹤控制器”的控制系統(tǒng)相比，專用變頻器集逆變和最大功率點(diǎn)跟蹤控制功能于一體，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、動(dòng)態(tài)特性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。專用變頻器的設(shè)計(jì)除了保證硬件電路和結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)規(guī)格要求外，最大功率點(diǎn)跟蹤控制規(guī)律的設(shè)計(jì)非常重要。關(guān)于最大功率點(diǎn)跟蹤算法已有大量的研究成果，并在太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)中得到了很好的推廣和應(yīng)用，例如常壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法（pao）及增導(dǎo)納法（ict）等等，但這些經(jīng)典的方法在無蓄電池的太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)中都難以取得理想的控制效果。 國外已有成熟的太陽能揚(yáng)水專用變頻器，如丹麥grundfos公司的solartronic系列產(chǎn)品，但額定電壓偏低，無法與國產(chǎn)水泵配套。國內(nèi)也有相關(guān)產(chǎn)品的研究與開發(fā)，但由于前幾年市場(chǎng)極其有限，未能形成真正意義上的批量產(chǎn)品。而且現(xiàn)有的產(chǎn)品均采用經(jīng)典的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，控制特性有待進(jìn)一步改善。 本開發(fā)項(xiàng)目結(jié)合新疆哈德地區(qū)沙漠高速公路防沙林太陽能揚(yáng)水滴灌試驗(yàn)系統(tǒng)的研究，提出多重判據(jù)和混成最大功率點(diǎn)跟蹤法，并根據(jù)太陽能電池陣列的參數(shù)、微處理器（mpu）的性能，對(duì)變頻器輸出頻率的最小步長(zhǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出使用定點(diǎn)mpu的專用變頻器。為了驗(yàn)證各種方法的控制效果，建立了兩套相同的太陽能揚(yáng)水試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。歷時(shí)兩年的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：新方法具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和最大功率點(diǎn)跟蹤效果；專用變頻器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，性能穩(wěn)定，可靠性高。 2、獨(dú)立太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)的構(gòu)成與特性 本文介紹的獨(dú)立太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)由圖1所示的三個(gè)部分組成：太陽能電池陣列、專用變頻器和使用鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的水泵?；谠谔柲軗P(yáng)水系統(tǒng)中蓄電不如蓄水的設(shè)計(jì)思路，沒有配置蓄電池，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本的目的。 太陽能電池是一種非線性電源，其輸出特性與結(jié)構(gòu)、材料、光照強(qiáng)度及環(huán)境溫度等因素密切相關(guān)。圖2為輸出電壓、電流及功率的特性曲線。由圖2可知，輸出功率存在一個(gè)極大值，即最大功率點(diǎn)。輸出電流—電壓特性則以最大功率點(diǎn)為界，左側(cè)的區(qū)域內(nèi)電流基本保持恒定，稱為恒流區(qū)，而右側(cè)的區(qū)域內(nèi)電壓變化較小，稱為恒壓區(qū)。 [/align] 專用變頻器用于控制水泵轉(zhuǎn)速，其控制電路以mpu為核心，實(shí)現(xiàn)直流—交流逆變控制和最大功率點(diǎn)跟蹤。在無蓄電池的獨(dú)立太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)中，水泵所需的功率由太陽能電池直接提供，太陽能電池陣列的直流輸出電壓隨著變頻器輸出頻率的增高而下降。因此通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，可以對(duì)太陽能電池陣列的工作點(diǎn)進(jìn)行控制。在恒壓區(qū)內(nèi)增高輸出頻率，恒流區(qū)內(nèi)降低輸出頻率，即可實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。同時(shí)，由于沒有蓄電池對(duì)直流電壓起支撐作用，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過高或光照強(qiáng)度迅速降低時(shí)，如果不能及時(shí)地調(diào)低變頻器的輸出頻率，太陽能電池陣列的電壓將迅速下降，導(dǎo)致變頻器欠壓保護(hù)動(dòng)作。因此，對(duì)控制器的動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。 3、專用變頻器的設(shè)計(jì) 3.1 主電路及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 開發(fā)的專用變頻器的電路構(gòu)成與通用變頻器相似，如圖3所示。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下： （1）太陽能電池陣列輸出直流電，可以直接向逆變電路供電。為了防止電流向太陽能電池陣列倒流，在輸入電路安裝反向阻斷二極管。 （2）平波電容對(duì)直流電壓有一定的支撐作用，有利于改善系統(tǒng)特性。由于輸入是直流電壓，可以配置較小的電容，為通用變頻器的一半甚至更小。 （3）因?yàn)橹饕糜谄h(yuǎn)地區(qū)，對(duì)變頻器的可靠性有很高的要求，所以逆變電路全部采用集成度高、可靠性好的智能功率模塊。 （4）合理設(shè)計(jì)濾波和吸收電路，達(dá)到與通用變頻器相同的抗靜電、脈沖群和雷擊浪涌干擾的能力。 （5）小功率變頻器（2.2kw以下）采用自然風(fēng)冷，大功率變頻器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，并根據(jù)散熱器溫度控制冷卻風(fēng)扇，減少運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，盡可能延長(zhǎng)維護(hù)周期。 （6）使用的環(huán)境條件比較惡劣，采用全金屬外殼，防護(hù)等級(jí)不低于ip53。 3.2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制規(guī)律設(shè)計(jì) 最大功率點(diǎn)跟蹤控制規(guī)律需要滿足三方面的要求：跟蹤速度、跟蹤精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。 在無蓄電池作為電壓支撐的獨(dú)立太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)中，穩(wěn)定性問題主要是電壓穩(wěn)定問題?？刂埔?guī)律的動(dòng)態(tài)特性稍不理想，就會(huì)造成太陽能電池陣列輸出電壓急劇下降，變頻器欠壓保護(hù)，系統(tǒng)停止運(yùn)行。而常壓法由于直接控制工作點(diǎn)電壓，可以較好地解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。其基本原理是近似認(rèn)為不同條件下最大功率點(diǎn)的電壓不變，運(yùn)行中當(dāng)實(shí)測(cè)電壓大于設(shè)定最大功率點(diǎn)參考電壓vref時(shí)，增高輸出頻率；反之，則降低輸出頻率。輸出頻率f由式（1）決定，式中δf>0為調(diào)頻步長(zhǎng)。 但vref的選取依賴于太陽能電池陣列的特性，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能偏離最大功率點(diǎn)，所以應(yīng)設(shè)法根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)地調(diào)整參考電壓。 在本項(xiàng)目的前期研究中，提出了表1所示的多重判據(jù)法，通過檢測(cè)直流電壓和輸入電流，直接以δp、δv和δi的符號(hào)為判據(jù)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作點(diǎn)。由于能夠?qū)敵鲱l率調(diào)節(jié)的控制效果和光照強(qiáng)度變化同時(shí)進(jìn)行判別，克服了經(jīng)典方法的缺點(diǎn)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤特性得到改善。 專用變頻器采用多重判據(jù)法和常壓法相結(jié)合的混成最大功率點(diǎn)跟蹤控制。多重判據(jù)法和常壓法交替運(yùn)行，多重判據(jù)法執(zhí)行周期短于1s，實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)，為下一個(gè)常壓法執(zhí)行周期（約10s）提供最佳的參考電壓值。因此，系統(tǒng)既具有快速的動(dòng)態(tài)跟蹤特性，又具有良好的穩(wěn)定性。 3.3 最小步長(zhǎng)優(yōu)化 在多重判據(jù)法執(zhí)行期間，最小步長(zhǎng)δfmin直接影響跟蹤精度。如果δfmin過大，會(huì)使工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)兩側(cè)擺動(dòng)，跟蹤精度低；如果δfmin過小，則其所對(duì)應(yīng)的δv、δi很小，經(jīng)過電壓傳感器、電流傳感器和a/d轉(zhuǎn)換器后，mpu無法識(shí)別，從而造成最大功率點(diǎn)判斷錯(cuò)誤，系統(tǒng)有可能在低功率點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。根據(jù)太陽能電池陣列、電壓/電流傳感器和a/d轉(zhuǎn)換器的參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可用式（2）對(duì)最小步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化。 式中: vo—太陽能電池陣列開路電壓 vmp，imp—最大功率點(diǎn)電壓與電流 frate—水泵額定運(yùn)行頻率 kv，ki—電壓/電流傳感器的增益 vad—a/d轉(zhuǎn)換器參考電壓 n—a/d轉(zhuǎn)換器位數(shù) 3.4 控制電路的設(shè)計(jì) 控制電路以富士通90f462控制芯片為核心，主要具備下列控制功能： （1）逆變控制功能。采用兩相脈寬調(diào)制，在保證輸出正弦波電流的同時(shí)，減小開關(guān)損耗。載波頻率可調(diào)，出廠設(shè)置5khz。 （2）最大功率點(diǎn)跟蹤控制功能。根據(jù)實(shí)測(cè)的系統(tǒng)響應(yīng)特性，為了保證最大功率跟蹤功能的正常運(yùn)行，同時(shí)使系統(tǒng)具有盡可能高的響應(yīng)速度，合理的控制周期為數(shù)十毫秒。 （3）全自動(dòng)運(yùn)行功能。根據(jù)太陽能電池陣列的電壓，自動(dòng)啟動(dòng)或停止系統(tǒng)運(yùn)行，優(yōu)化的啟動(dòng)控制減少了重復(fù)啟動(dòng)次數(shù)。 （4）運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。為了便于對(duì)無人值守系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)管，控制電路中設(shè)有日歷和存儲(chǔ)芯片，可以保存長(zhǎng)達(dá)8年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過操作面板或通訊端口調(diào)閱。 （5）水位監(jiān)控功能。設(shè)有多個(gè)水位傳感器接口，監(jiān)控蓄水池及深井水位，既防止蓄水池溢出，又防止水泵因空抽運(yùn)行而過熱損壞。 （6）齊全的保護(hù)功能。包括欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)和模塊過熱保護(hù)等。 4、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果 2004年7月，在清華大學(xué)深圳研究生院校園內(nèi)建成兩套完全相同的系統(tǒng)（圖4）。每套系統(tǒng)的太陽能電池陣列的峰值功率2200w；變頻器額定功率1500w,最高輸出頻率50hz；三相220v潛水泵的額定輸入頻率50hz，功率1500w，流量/揚(yáng)程14（m3/h）/20m；設(shè)置4個(gè)高度（6、11、16、19m）的出水口用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)。 圖5為變頻器的輸出電流波形，5khz的開關(guān)頻率保證了輸出電流具有良好的正弦波形。 圖6為確認(rèn)多重判據(jù)法跟蹤特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輸出功率曲線與光照強(qiáng)度曲線非常吻合，表明系統(tǒng)具有出色的跟蹤特性。 圖7為采用混成最大功率跟蹤控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在不同的天氣狀況下均表現(xiàn)良好，尤其在光照強(qiáng)度快速變化時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整輸出頻率，有效控制直流電壓，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 經(jīng)2005年全年運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，變頻器工作穩(wěn)定，關(guān)鍵器件的溫升均在允許范圍內(nèi)，每套系統(tǒng)全年累計(jì)發(fā)電1940kw·h，揚(yáng)水15600m3（揚(yáng)程11m）。 5、結(jié)束語 開發(fā)的太陽能揚(yáng)水專用變頻器，性能穩(wěn)定，可靠性高。采用混成最大功率點(diǎn)跟蹤控制，能夠滿足無蓄電池獨(dú)立太陽能揚(yáng)水系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)控制特性的要求；全自動(dòng)運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)無人值守系統(tǒng)的運(yùn)行與管理；良好的防護(hù)結(jié)構(gòu)，保證在惡劣環(huán)境中正常使用。系列產(chǎn)品的額定功率從400w至11kw，將組織批量生產(chǎn)和市場(chǎng)推廣。