基于DSP的光伏推流系统设计及效果分析
2017-04-05雷增强艾矫燕
雷增强， 艾矫燕， 刘 刚， 梁 奎
(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)
基于DSP的光伏推流系统设计及效果分析
雷增强， 艾矫燕， 刘 刚， 梁 奎
(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)
为解决水产养殖中溶氧浓度低、分布不均衡及常规增氧设备能耗高的问题，设计了一种基于数字信号处理器(DSP)的光伏推流系统。该系统以TMS320F2812 为主控芯片，通过电压、电流检测电路对太阳能光伏阵列的输出功率进行实时跟踪，实现对蓄电池充放电切换，并采用最大功率点跟踪(MPPT)方法保证了光伏阵列的最大功率输出。用该系统对长7 m、宽5 m、深1 m的浅水区域进行连续5 d的推流实验，并与相同条件下无推流时的溶氧浓度空间分布情况进行对比。结果显示，无推流情况下，试验区域从岸边到湖中溶氧浓度分布呈现由低到高的梯度分布；推流后的溶氧浓度空间分布趋于均衡，且比无推流时的浓度均值提高1～2 mg/L。研究表明，光伏推流能大大降低能耗，提高水体溶氧浓度，改善水体溶氧分布均衡性，对提高水产养殖的密度和产量具有现实意义。
水产养殖；溶氧分布均衡性；光伏推流；最大功率点跟踪
溶氧含量是水产养殖的关键因子之一，而增氧装置是水产养殖的常用设备[1-3]。现有的增氧装置主要有叶轮式增氧机、水车式增氧机、射流式增氧机和涡流式增氧机等，大都采用常规电力，功率大，能耗高，且大多是对局部水域增氧[4-5]。水产养殖环境中由于光照、水草生长等因素的差异，其溶氧浓度分布呈现较大的差异，具有非均衡性。鱼类有趋氧的特性，极易聚集到溶氧浓度较高的区域，这就限制了单位面积的养殖量。目前常用的增氧装置注重提高溶氧浓度，而业界对提高水体溶氧空间分布均衡性的研究尚较少。
本研究基于数字信号处理器(DSP)的小功率浅水光伏推流系统，利用太阳能电池板提供电力，不消耗化石能源。DSP具有低功耗、高精度数据采集、快速运算等优点[6]。光伏发电系统采用MPPT控制，提高了能量转换效率，增大了光伏发电的功率输出，对增加水产养殖水体循环、提高水体溶氧的浓度、改善水体溶氧空间分布均衡性，具有现实的意义。
1 系统总体设计
光伏推流系统由太阳能光伏阵列、TMS320F2812DSP主控芯片、检测电路、驱动电路、电源切换电路、水泵、蓄电池等部分组成(图1)。
图1 系统框架图
采用太阳能电池产生的电能作为系统能量来源，实时检测光伏阵列的输出电压和电流，计算输出功率。当光伏阵列的输出功率大于负载功率时，光伏阵列同时对负载供电和对蓄电池充电；当光伏阵列输出功率低于负载功率时，光伏阵列和蓄电池同时向负载供电。
为保障系统能在持续3个阴雨天的情况下每天持续工作10 h，根据太阳能电池板与蓄电池的容量计算公式，并适当考虑蓄电池和太阳能电池板的耗损，选用赛维LDK250PAFW(B) 型太阳能电池板，2片太阳能电池板串联，其单板最大功率250 W，工作电压30.5 V。推流水泵采用上海昭升电机有限公司的ZQB-48型直流潜水泵，其额定电压48 V，额定功率180 W。蓄电池选用华富6-CNJ-38(12V38Ah)型，4组串联成48 V。
2 系统硬件电路设计
2.1 检测电路
电流检测电路通过一个6 mΩ的采样电阻，经运放LM358放大后，通过A/D转换由DSP读出。电压检测电路采用电阻分压的方式。由于系统工作在室外，一天中的温差变化较大，需要对蓄电池充电电压进行温度补偿。采用温度传感器DS18B20实现对蓄电池的温度检测。系统中温度补偿是-4 mV/℃，即对于2 V的蓄电池，基准温度25℃，温度每上升1度，电压补偿-4 mV。
2.2 驱动电路
充放电控制及电源切换使用功率MOS管作开关元件。系统中选用IRFP150作开关元件，漏源极最大电压100 V，导通电阻0.055 Ω，漏极最大电流20 A，能够满足该控制器的性能指标。DSP发出PWM控制信号来控制驱动芯片工作。本系统采用美国IR公司专为驱动单个MOSFET而设计的栅极驱动器，其输入与标准的CMOS电平兼容[7]。驱动电路原理如图2所示。
图2 驱动电路
驱动芯片IR2117的外围电路采用自举技术，由二极管MUR1100和电容组成。其原理为：当VS被拉低到地时，+15 V电源就会通过自举二极管MUR1100对自举电容充电，从而为VB提供一个电源，芯片内部的推挽结构使HO端口得到一个10～15 V的驱动电压。
2.3 能量切换电路
光伏电池、蓄电池和水泵之间的切换通过两路DC/DC直流降压变换电路实现[8]。能量切换电路的详细结构如图3所示。当DSP测得的光伏电池的输出功率大于水泵的额定功率时，开关S1闭合，开关S2拨向3，光伏电池以最大功率点给水泵供电的同时也给蓄电池充电；当输出功率小于水泵的额定功率时，开关S1闭合，开关S2拨向1端，蓄电池和光伏电池共同给水泵供电。开关S2的1端、3端均有防反充二极管。
图3 能量切换电路
系统中DC/DC降压变换电路为BUCK降压电路。通过调节TMS320LF2812DSP的事件管理模块(EV)产生的PWM波的占空比大小来实现降压和最大功率跟踪[9]。电路由开关MOS管、续流二极管、滤波电感和滤波电容组成。续流二极管选用MUR820，滤波电感200 μH，滤波电容470 μF。
3 系统软件设计
3.1 最大功率跟踪模块设计
系统软件设计采用模块化结构设计，包括电压、电流和温度的检测模块、最大功率跟踪模块、三阶段充电模块、显示模块、键盘模块等。最大功率跟踪(MPPT)[10-11]是光伏系统中对光伏组件的输出功率进行跟踪，使光伏组件始终工作在最大功率点(图4)。本系统采用扰动观察法实现最大功率跟踪。
图4 最大功率跟踪程序流程图
最大功率跟踪是根据调节PWM的占空比d来控制开关元件的导通时间来实现[12-14]。设定初始占空比d和扰动步长Δd，通过实时测得的电压U(k)和电流I(k)计算当前时刻光伏组件的输出功率P(k)，并与下一时刻的P(k+1)进行比较。若P(k)=P(k+1)，则当前时刻光伏组件达到了最大功率输出；若P(k)
3.2 三阶段充电模块设计
系统采用三阶段充电模式[15-16]。根据铅酸蓄电池的使用说明，过放点电压U(a)为42 V，循环充电电压U(c)为58.4 V。蓄电池端电压U(b)为检测到的蓄电池两端的电压值。第一阶段，U(b)小于U(a)，以小电流恒流方式给蓄电池充电，直至蓄电池电压升至过放点电压；第二阶段，U(b)大于U(a)但小于U(c)，以大电流恒流方式给蓄电池充电；第三阶段，当U(b)大于等于U(c)，以恒压充电方式充电，当充电电流I(b)≤0.38 A一段时间后充电结束(图5)。但是，当DSP测得的光伏电池的输出功率大于水泵的额定功率且蓄电池为预充电状态，图3中的S1断开以避免水泵损坏；而在恒压充电后期，当检测到充电电流I(b)<3 A时，开关S2打空，蓄电池既不充电也不放电，水泵的功率全部由光伏电池提供。水泵不工作时，系统按三阶段充电模式充电。
图5 三阶段充电程序流程图
4 推流效果分析
4.1 试验区域及数据处理
经过实际运行测试，在蓄电池满电的情况下，有效日照达到10 h，系统可连续稳定运行32 h，能够满足设计要求。试验区域为一个长200 m、宽100 m 的人工湖，水深约1 m。测量了7 m×5 m大小区域的溶氧浓度值，将试验区域划分为35个1 m×1 m的网格，每个网格为一个采样点(图6)。
图6 实验区域网格划分
溶氧测量深度为水面下约20 cm。水泵放置在平行湖岸且靠近岸边的位置，垂直湖岸向湖中推流，水泵出水口在水面下约20 cm。在同一实验区域，选取温度、光照强度等条件差异不大的10 d，其中5 d不推流，另外5 d进行推流，推流时将水泵出水口放置在水下5 cm处，分别测量两种情况的溶氧浓度平均值，并对比分析。
实验时间为每天的8:30～10:30，分别测量8:30、9:30、10:30这3个时刻各采样点的溶氧浓度。为减小实验误差，每次测量均在5 min内完成。
为了更准确地体现试验区域溶氧浓度分布差异，需要对实验区域内的35个采样点进行拟合插值。用RBF神经网络给实验区域的溶氧浓度插值[17-20]，以采样点的坐标作为网络输入，溶氧浓度值作为网络输出，在MATLAB平台上调用神经网络工具箱，得到了400×600个坐标点插值结果。
4.2 溶氧浓度空间分布拟合
分别根据无推流和有推流时的3个时刻得到的400×600个坐标点插值结果绘制浓度分布图(图7、图8)，通过颜色的变化来表示溶氧浓度值的高低，颜色越深表示溶氧越低，颜色越浅表示溶氧越高。X轴表示湖岸，Y轴垂直湖岸。此外，还根据插值结果绘制了溶氧浓度频率分布直方图(图9)。
无推流时，3个时刻的岸边颜色均较深，离岸边越远的地方颜色越浅，溶氧浓度分布呈明显的梯度分布；有推流情况下，8:30时刻，溶氧浓度空间呈现梯度分布，随着时间的推移，浓度分布分层现象逐渐减小；到10:30时刻，实验区域颜色没有明显的差异，不再呈现梯度分布。从图9可以看出，9:30时刻，推流前后溶氧浓度范围由3～5.5 mg/L增加到了4.8～5.8 mg/L；10:30时刻，推流前后溶氧浓度范围由4.2～7.2 mg/L增加到了7.2～8.2mg/L。整个实验区域的溶氧浓度，有推流时比无推流时要高出1～2 mg/L，而且推流后溶氧浓度更加集中，分布更加均匀。因此，推流能有效改善溶氧浓度的空间分布均衡性，提高溶氧浓度。
图7 无推流情况下溶氧浓度分布浓度图
图8 推流情况下溶氧浓度分布浓度图
图9 无推流和推流情况下溶氧浓度频率分布直方图
5 结论
光伏推流系统通过光伏电池的光电转换，用蓄电池储存能量，可以确保连续稳定的动力，能有效提高水体中溶氧的分布均衡性，推流后的溶氧浓度比推流前的提高了1～2 mg/L。研究结果对提高水产养殖的密度和产量具有现实意义。但是，系统对溶氧空间分布均衡性的改善区域还比较小，对较大区域的研究还有待开展。
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Design and effect analysis of photovoltaic push flow system based on DSP
LEI Zengqiang,AI Jiaoyan,LIU Gang,LIANG Kui
(InstituteofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)
To solve the problems of low DO concentration,unbalanced DO distribution in water and high energy consumption of conventional aerators in aquaculture,a DSP-based solar push-flow system was designed in this paper.The system uses TMS320F2812 as the main controller,and through tracking the output power of the photovoltaic array by voltage and current detecting circuit,achieves the switch between battery charge and discharge;moreover,maximum power point tracking (MPPT) method was used to assure the maximum power output of PV array.The system was used in a 5-day push flow experiment in a 7 m×5 m shallow water area and the DO concentration spatial distribution was compared with that in none push flow situation.The results showed that,in none push flow situation,the DO concentration presented an obvious gradient distribution from the water shore to center area.While after a certain time of push flow,the DO concentration spatial distribution tended to balanced and the concentration improved.The research shows that PV push flow can reduce energy consumption significantly,increase DO concentration,improve the balance of DO spatial distribution and has practical significance to increase aquaculture density and production.
aquaculture;photovoltaic push flow;distribution of dissolved oxygen balance;MPPT
10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.012
2016-06-14
2016-09-17
国家自然科学基金项目(61563002)；广西科技计划主席基金项目(1517-08)
雷增强(1991—)，男，硕士研究生，研究方向：自动控制与检测装置。E-mail：leizengq@126.com
艾矫燕(1970—)，女，教授，硕导，研究方向：智能信息处理与应用。E-mail：aijy@gxu.edu.cn
S969.321
A
1007-9580(2017)01-063-06
