光伏水泵最大功率跟踪控制系统的设计与实现

张苏新，刘 韬

(苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

我国西北地区缺水严重，其地下水资源得不到充分利用，严重影响了西北地区人民的生活。为了能够充分使用地下水资源，利用其阳光充足的特点，光伏水泵控制系统的开发应运而生。从国内外现状看，各国对于光伏水泵非常重视，光伏水泵具有广阔的发展前景。

光伏水泵系统是近几年迅速发展起来的光机电一体化系统，由光伏发电系统和水泵系统构成[1]，其基本原理是利用太阳能直接转换为太阳电池电能，然后驱动马达带动水泵运转，实现从江、河、深井等水源提水，将水储存到蓄水池中，为今后需要用水时做好准备。

由于光伏的输出能量受到太阳辐射度、周围环境和供电对象的影响，因此其输出特性是非线性的。在不同的工作曲线下，每条工作曲线都有一个最大功率跟踪点，如果没有实现光伏的最大功率利用，就会降低系统的整体运行效率，导致资源的浪费。如果能够实现太阳能光伏输出的最大功率跟踪[2]，那将大大提高其效率。因此，本文设计了一套光伏水泵最大功率跟踪控制系统。

1 光伏水泵系统结构

光伏水泵系统的结构如图1所示，主要由光伏阵列、DC/DC变换电路、IPM智能功率逆变模块、电动机、水泵和储水装置等组成[3]。其中DC/DC和IPM实现最大功率跟踪的功能。其工作过程为：首先，光伏阵列通过并行连接将太阳能转化为直流电能；其次，通过BOOST型DC/DC变换电路，将直流电压升高；最后，将直流电逆变成交流电驱动电动机，带动水泵进行储水。其中的电动机一般为直流永磁电机和交流异步电机两种，由于三相交流异步电动机易于通过中央控制器控制，因此，本文选用交流异步电动机。

图1 光伏水泵系统结构

2 硬件控制系统设计

光伏水泵控制系统的硬件原理框图如图2所示，主要包含太阳能电池板、继电器电路、辅助电源电路、BOOST型DC/DC变换电路、FSBS5CH60智能功率模块、IR2110S芯片控制的功率驱动电路、HCP0600光电隔离电路、TMS320F28335最小系统控制电路、母线电压电流采样检测电路、母线过流采样检测电路、水位打干检测电路和水泵电机等。

系统的整个工作过程为：太阳能电池将太阳能转化为直流电能，其电压值约为33.7 V，该直流电压一部分通过DC/DC变换电路将电压提升至350 V，供逆变电路使用；另一部分供给辅助电源，产生3.3 V、5 V、15 V电压给TMS320F28335主控芯片供电。主控芯片产生的PWM信号通过光电隔离电路进入DC/DC变换电路和智能功率模块，用于直流电压的升压和直流电压的逆变，最后驱动三相异步电动机，带动水泵进行储水。其中的电压和电流通过采样电路进行检测，整个系统构成闭环结构。

图2 光伏水泵控制系统的硬件原理框图

3 软件系统设计

根据光伏水泵系统的控制要求，本文设计的软件主要由主控程序、部分子程序和功能模块构成，其中功能模块主要包含电压空间矢量和最大功率跟踪[4]。系统的主控系统流程图如图3所示，其工作过程为：首先，对DSP和系统用到的变量进行初始化，包含系统配置和寄存器的设置。其次，判断系统运行时是否有故障。若有故障，则关闭电源；若没有故障，检测光伏输出电压和电流。然后，通过检测值判断是否过流或者欠压。若有故障，则返回到初始状态；若无故障，则整个系统进入运行状态。最后，通过MPPT算法和SVPWM算法实现最大功率跟踪和交流电动机的变压变频调速。

电压空间矢量(SVPWM)[5]控制程序的流程图如图4所示，通过SVPWM的基本原理，可推导出其程序运行过程。首先，通过Clarke变换，将三相静止坐标变换为两相静止坐标；其次，通过6个变量计算出扇区变量sector的值，进而推算出扇区值；然后，计算出电压矢量U1和U2的所占用的时间T1和T2，并加载到PWM寄存器中，系统就能计算出功率开关所占用的时间；最后，输出PWM波，驱动功率开关器件。

对于最大功率跟踪，最初采用的是恒压法，之后提出了干扰观测法、电量增量法、模糊控制法和最优梯度法等。通过综合考虑，本文采用基于占空比的扰动观测法对系统进行控制，该方法在实际工程中应用较为广泛，其程序流程如图5所示。该方法主要思路为：通过

采集电压和电流计算得到的功率，并与最大功率值进行比较，如果大于最大功率，则相应的占空比减小一个占空比变量值；如果小于最大功率，则相应的占空比增大一个占空比变量值，直至两者相等，达到了最大功率跟踪的控制要求。

图3 主控系统流程图

图4 电压空间矢量控制程序的流程图

图5 最大功率跟踪流程图

4 系统实验

本控制系统选用的光伏太阳能系统参数为：额定功率P=200 W，额定电压U=27.5 V，额定电流I=7.99 A，开路电压Uoc=33.7 V，短路电流Isc=8.35 A，公差范围±3%。水泵电机的参数为额定功率P=180 W，额定电流I=0.53 A，额定电压U=380 V，额定转速n=1 400 r/min，额定频率f=50 Hz。

图6 带负载时系统输入和系统输出电压波形

5 结论

首先，本文阐述了我国西北部地区水资源比较贫乏和光照条件相对比较充足这一特点，而光伏水泵系统不仅能够充分利用了太阳能资源，而且也能够解决水资源不足的问题，同时为了提高太阳能的利用率，本文设计了最大功率跟踪光伏水泵控制系统。其次，介绍了光伏水泵控制系统的基本构成。然后，设计了系统的硬件系统和软件系统，硬件系统包含了TMS320F28335主控器，DC/DC变换电路、智能功率模块、IR2110S芯片控制的功率驱动、光电隔离、母线电压电流采样检测等电路，软件系统包含了主控、电压矢量控制和最大功率跟踪控制程序。最后，在硬件和软件的基础上对系统进行了实验，实验结果表明，在不同光照条件下，该系统能够实现最大功率跟踪控制功能，提高直流电压利用率。