基于dsPIC30F2010控制光伏水泵變頻器的研究

摘  要：設(shè)計了一種基于數(shù)字信號控制器(DSC)結(jié)構(gòu)的光伏水泵系統(tǒng)。系統(tǒng)以Mimochip公司最新推出的dsPIC30F2010芯片為核心，采用一種實用的最大功率點跟蹤(MPPT)控制方式,實現(xiàn)了太陽電池的真正的最大功率跟蹤(TMPPT)功能；系統(tǒng)主電路DC／DC部分采用結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路,DC／AC部分采用具有完善保護(hù)功能的一體化智能功率模塊(ASIPM)。實踐證明該系統(tǒng)具有體積小,重量輕，運行可靠穩(wěn)定等特點。
關(guān)鍵詞：變頻器；太陽能光伏陣列；推挽正激；恒定電壓跟蹤；最大功率點跟蹤：光伏水泵

0 引言
    我國西部偏遠(yuǎn)地區(qū)仍有上百萬農(nóng)牧民無電力供應(yīng)，而且該地區(qū)氣候干旱，土地荒漠化，草原退化情況越來越嚴(yán)重，采用光伏水泵系統(tǒng)合理地開發(fā)地下水資源，對于解決該地區(qū)的飲水和農(nóng)業(yè)用水問題，改善生態(tài)環(huán)境，具有重要意義。而光伏水泵技術(shù)的核心是專用變頻器的設(shè)計，如何設(shè)計和太陽電池陣列相匹配，具備太陽電池最大功率點跟蹤及光伏水泵系統(tǒng)特有的各種保護(hù)功能的變頻器，是本文重點。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
1．1 光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
    由圖1可知，系統(tǒng)利用太陽電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能。經(jīng)過DC／DC升壓，和具有TMPPT功能的變頻器后輸出三相交流電壓驅(qū)動交流異步電機(jī)和水泵負(fù)載，完成向水塔儲水功能。其中主要包括4部分：太陽電池陣列；具有TMPPT功能的變頻器；水泵負(fù)載；儲水裝置。

1．2 變頻器主電路及硬件構(gòu)成
    本系統(tǒng)所采用的主電路及硬件控制框圖如圖2所示。主電路DC／DC部分采用性能優(yōu)越的推挽正激式電路進(jìn)行升壓；DC／AC部分采用三相橋式逆變電路。主功率器件采用ASIPM(一體化智能功率模塊)PS12036，系統(tǒng)控制核心由16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010構(gòu)成。外圍控制電路包括陣列母線電壓檢測和水位打干檢測電路。系統(tǒng)首先通過初始設(shè)置的工作方式和PI參數(shù)工作，然后由MPPT子程序?qū)崟r搜索出的電壓值作為內(nèi)環(huán)CVT的給定，通過PI調(diào)節(jié)得到工作頻率值，計算出PWM信號的占空比，實現(xiàn)光伏陣列的真正最大功率跟蹤(TMPPT)，并保持異步電機(jī)的V／f比為恒值。系統(tǒng)將MPPT和逆變器相結(jié)合，利用ASIPM模塊自帶的故障檢測功能進(jìn)行檢測和保護(hù)，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。

1．2．1 DC／DC升壓電路簡述
1．2．1．1主電路選擇
    對于中小功率的光伏水泵來說，光伏陣列電壓大都是低壓(24v、36v、48V)，對于升壓主電路的選擇，人們一般選擇推挽電路，因為推挽電路變壓器原邊工作電壓就是直流側(cè)輸入電壓，同時驅(qū)動不需隔離，因此比較適合輸入電壓較低的場合。但是偏磁問題是制約其應(yīng)用的一大不利因素，功率管的參數(shù)差異和變壓器的繞制工藝都有可能使推挽電路工作在一種不穩(wěn)定狀態(tài)?；谥T多因素的考慮，本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)新穎的推挽正激電路，此電路拓?fù)洳粌H克服了偏磁問題，而且閉環(huán)控制也比較容易(二階系統(tǒng))。

1．2.l.2推挽正激電路簡單分析
    推挽正激電路如圖2所示，由功率管S1及S2，電容C8和變壓器T組成，變壓器T原邊繞組N1及N2具有相同的匝數(shù)，同名端如圖2所示。當(dāng)S1及S2同時關(guān)斷的時候，電容C8兩端電壓下正上負(fù)，且等于陣列電壓，當(dāng)S1開通，S1、N2和光伏陣列構(gòu)成回路，N2上正下負(fù)，同時C8、N1和S1構(gòu)成回路，C8放電，N1下正上負(fù)，此時的工作相當(dāng)于兩個正激變換器的并聯(lián)。同理，當(dāng)S2開通S1關(guān)斷時，也相當(dāng)于兩個正激變換器的并聯(lián)。經(jīng)過理論分析，推挽正激電路是一個二階系統(tǒng)，因此閉環(huán)控制簡單，同時輸出濾波電感和電容大大減小。

1.2.2 dsPIC30F2010簡單介紹
    Microchip公司通過在16位單片機(jī)內(nèi)巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F數(shù)字信號控制器(DSC)同時具有單片機(jī)(MCU)的控制功能以及數(shù)字信號處理器(DSP)的計算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力。因為它具有的DSP功能，同時具有單片機(jī)的體積和價格，所以本系統(tǒng)采用此芯片作為控制器。此芯片主要適用于電機(jī)控制，如直流無刷電機(jī)、單相和三相感應(yīng)電機(jī)及開關(guān)磁阻電機(jī)；同時也適用于不間斷電源(UPS)、逆變器、開關(guān)電源和功率因數(shù)校正等。dsPIC30F2010管腳示意如圖3所示。

1．2.2．1 主要結(jié)構(gòu)
    12KB程序存儲器；
    512字節(jié)SRAM：
    1024字節(jié)EEPROM；
    3個16位定時器；
    4個輸入捕捉通道；
    2個輸出比較／標(biāo)準(zhǔn)PWM通道；
    6個電機(jī)控制PWM通道；
    6個10位500kspsSA／D轉(zhuǎn)換器通道。

l 2．2．2 主要特點
    A／D采樣速度快且多通道可以同時采樣；
    6個獨立／互補／中心對齊／邊沿對齊的PWM：
    2個可編程的死區(qū)；
    在噪聲環(huán)境下5V電源可正常工作；
    最低工作電壓3V；
    A／D采樣和PWM同期同步。

2 光伏水泵最大功率點跟蹤(MPPT)設(shè)計
2．1 常規(guī)恒定電壓跟蹤(CVT)方式的特點與不足
    CVT方式可以近似獲得太陽電池的最大功率輸出，軟件上處理比較簡單。但實際上日照強度和溫度是時刻變化的，尤其是在西部地區(qū)，同一天中的不同時段，溫度和日照強度變化都相當(dāng)大，這些都會引起太陽電池陣列最大功率點電壓的偏移，其中尤以溫度的變化影響最大。在這種情況下，采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大點。

2．2 TMPPT的原理與實現(xiàn)
    為克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統(tǒng)不論在何種日照及溫度條件下，始終使太陽電池工作在最大功率點處。由于逆變器采用恒V／f控制，故水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與其輸入電壓成正比，因此，調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就等于調(diào)節(jié)了負(fù)載電機(jī)的輸出功率。故本系統(tǒng)采用TMPPT方式使太陽電池盡可能工作在最大功率點處，為負(fù)載提供最大的能量。

    由太陽電池陣列的特性曲線(見圖4)可知，

    在最大功率點處，dP／dv=O，在最大功率點的左側(cè)，當(dāng)dP／dV>O時，P呈增加趨勢，dP／dV<O時，P呈減少趨勢；但在最大功率點的右側(cè)，當(dāng)dP／dv>O時，P呈減少趨勢，dP／d v<O時，P呈增加趨勢。據(jù)此可在實際運行時根據(jù)P-V的變化關(guān)系確定最大功率點。
 
    圖5為TMPPT型最大功率點跟蹤控制框圖。系統(tǒng)的輸入指令值為0，反饋值為dP／dV，假定Z3狀態(tài)為+1，則Usp*指令電壓增加，經(jīng)CVT環(huán)節(jié)調(diào)整，系統(tǒng)的輸出電壓V跟蹤Usp*增加，采樣輸出電流I，經(jīng)功率運算環(huán)節(jié)和功率微分環(huán)節(jié)，獲得dP／dV值，如dP／dV>0，則Z1為+1，Z2為+1，Z3為+l，Usp*指令電壓繼續(xù)增加。如dP／dV<O，則Z1為-l，Z2為-1，Z3為-1，Usp*指令電壓開始減小。穩(wěn)定工作時，系統(tǒng)在最大功率點附近擺動，如果擺動幅度越小，則精度越高。在具體工作時，為了防止搜索方向的誤判斷，軟件中設(shè)置了搜索限幅值，使系統(tǒng)的工作可靠性進(jìn)一步提高。由于本系統(tǒng)中采用的ASIPM模塊帶有電流檢測功能，故在硬件設(shè)計上可以省去電流檢測電路，節(jié)約了成本，并進(jìn)一步優(yōu)化了外圍電路。

3 系統(tǒng)的保護(hù)功能設(shè)計

    1)過流和短路保護(hù)功能 由于ASIPM的下臂IGBT母線上串有采樣電阻，所以通過檢測母線電流可以實現(xiàn)保護(hù)功能。當(dāng)檢測電流值超過給定值時，被認(rèn)為過流或短路，此時下橋臂IGBT門電路被關(guān)斷，同時輸出故障信號，dsPIC檢測到此信號時封鎖PWM脈沖進(jìn)一步保護(hù)后級電路。

    2)欠壓保護(hù)功能 ASIPM檢測下橋臂的控制電源電壓，如果電源電壓連續(xù)低于給定電壓1OMs，則下橋臂各相IGBT均被關(guān)斷，同時輸出故障信號，在故障期間，下橋臂三相IGBT的門極均不接受外來信號。

    3)過熱保護(hù)功能 ASIPM內(nèi)置檢測基板溫度的熱敏電阻，熱敏電阻的阻值被直接輸出，dsPIC通過檢測其阻值可以完成過熱保護(hù)功能。

    以上保護(hù)是利用了ASIPM自身帶有的功能，無須外加電路，進(jìn)一步簡化了硬件電路設(shè)計。系統(tǒng)除了具有上述保護(hù)功能外，還具有光伏水泵系統(tǒng)特有的低頻、日照低、打干(自動和手動打干)等保護(hù)功能。對于泵類負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于下限值時，光伏陣列所提供的能量絕大部分都轉(zhuǎn)化為損耗，長期低速運行，會引起發(fā)熱并影響水泵使用壽命，因此，本系統(tǒng)設(shè)計了低頻保護(hù)，對水泵來說，當(dāng)液面低于水泵進(jìn)水口時，水泵處于空載狀態(tài)，若不采取措施，長時間運行則會損壞潤滑軸承，而本系統(tǒng)為戶外無人值守工作方式，故系統(tǒng)為了增加檢測可靠性，采用了自動打干和手動打干兩種識別方式，其中，自動打干是根據(jù)系統(tǒng)輸出功率和電機(jī)工作頻率來進(jìn)行判別；手動打干則是通過水位傳感器識別當(dāng)前水位高低來實現(xiàn)的。由于低頻、日照低、打干等功能都是由軟件來完成，不須增加硬件電路，故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

4 結(jié)語
    本系統(tǒng)DC／DC環(huán)節(jié)采用的推挽正激式電路，在性能、經(jīng)濟(jì)等方面優(yōu)于傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非常適用于光伏水泵系統(tǒng)。DC／AC環(huán)節(jié)采用最新的ASIPM模塊大大簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性?？刂撇呗陨喜捎肨MPPT最大功率點跟蹤控制方法，提高了系統(tǒng)效率、簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時本系統(tǒng)還采用了數(shù)字信號控制器(DSC)dsPIC30F2010對于提高系統(tǒng)運行速度，改善系統(tǒng)性能起著重要作用。總之，基于上述結(jié)構(gòu)的光伏水泵控制器，無論在結(jié)構(gòu)、功能、成本和可靠性等方面都具有明顯的優(yōu)越性和市場競爭力。