基于空間電壓矢量控制的光伏水泵變頻電源研究
0 引言
目前，我國面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。我國礦物能源的儲量令人非常堪憂，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須實(shí)施新的能源發(fā)展戰(zhàn)略，采用新技術(shù)。
實(shí)踐證明光伏發(fā)電技術(shù)是解決那些太陽能豐富的邊遠(yuǎn)無電地區(qū)用電問題的有效技術(shù)之一。常規(guī)的小功率光伏水泵系統(tǒng)，其供電電壓較低，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和深井提水，且機(jī)泵為專用型，成本較高。為克服以上問題，研制了針對通用型潛水泵的變頻驅(qū)動電源。系統(tǒng)采用數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010做控制器，它兼有單片機(jī)的高性能和DSP的計(jì)算能力；采用IPM智能模塊PS21564做三相全橋變頻電路，利用它可以大大縮小系統(tǒng)體積并提高可靠性；采用空間電壓矢量控制技術(shù)提高電壓利用率和減小沖擊電流；采用高效的DC/DC升壓拓?fù)涮岣哒麢C(jī)的效率。力求使系統(tǒng)效率高、成本低、體積小、通用性強(qiáng)及安全可靠。本文主要介紹系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略的研究結(jié)果。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成
如圖1所示，系統(tǒng)由光伏陣列、DC/DC升壓環(huán)節(jié)、變頻環(huán)節(jié)和光伏水泵4部分組成。本系統(tǒng)采用DC/DC升壓變換后，利用變頻技術(shù)驅(qū)動高電壓等級通用潛水電泵，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和深井提水。升壓環(huán)節(jié)利用一種高效率的新型DC/DC升壓拓?fù)洌蕴岣呦到y(tǒng)效率。變頻環(huán)節(jié)選用數(shù)字信號控制器（DSC）控制，其強(qiáng)大的計(jì)算能力保證了控制策略的順利實(shí)施。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2 DC/DC升壓環(huán)節(jié)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，反激式變換器、推挽式變換器及全橋變換器等DC/DC拓?fù)涓饔行┎蛔鉡1]。如反激式變換器輸出電壓紋波較大且變壓器利用率較低，一般運(yùn)用在小功率場合；推挽式變換適合低壓輸入、較大功率變換場合但變壓器繞制得不好容易出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象；全橋變換器功率元件多、成本高，不適合于本系統(tǒng)。綜合各方面考慮?系統(tǒng)采用一種新型正激式變換器，即采取在Boost電路上疊加一個正激變換器的方法得到一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示）。該正激拓?fù)洳恍枞ゴ爬@組，開關(guān)器件少，故效率比其它拓?fù)湟摺?
該正激變換器未采用加去磁繞組的方案，去磁由接到變壓器T原副邊的二極管D1、電容C2來完成。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時D1管導(dǎo)通，變壓器原邊的激磁能量經(jīng)D1給C2充電，從而實(shí)現(xiàn)了去磁功能，并且在開關(guān)管導(dǎo)通時C2電壓疊加變壓器副邊電壓作為輸出電壓，給負(fù)載提供能量，實(shí)現(xiàn)將去磁能量轉(zhuǎn)移到副邊給負(fù)載提供能量，提高了變壓器的利用率。設(shè)計(jì)時電容C2應(yīng)確保磁復(fù)位。根據(jù)電路原理，對拓?fù)溥M(jìn)行了仿真，圖2是MATLAB仿真得到的結(jié)果。升壓環(huán)節(jié)用UC3842作電壓調(diào)節(jié)芯片并作了斜率補(bǔ)償，運(yùn)行穩(wěn)定，效率可達(dá)90％以上。
圖2 電容C2與C3端電壓動態(tài)響應(yīng)曲線
1.3 DC/AC變頻環(huán)節(jié)
變頻環(huán)節(jié)是本系統(tǒng)的核心。SVPWM脈寬計(jì)算和最大功率跟蹤要求控制器要有較強(qiáng)的計(jì)算能力，Microchip的dsPIC數(shù)字信號控制器（DSC）既擁有16位閃存單片機(jī)的高性能又兼具數(shù)字信號處理器（DSP）的計(jì)算能力，是本系統(tǒng)的極佳選擇。變頻主電路選用IPM模塊PS21564，它采用第五代IGBT工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的柵極驅(qū)動和保護(hù)電路，當(dāng)有故障發(fā)生時模塊會及時向控制芯片發(fā)出故障信號，確保系統(tǒng)安全。控制芯片計(jì)算出三相SVPWM結(jié)果直接輸送給IPM智能模塊，不需再考慮驅(qū)動問題，可以減小開發(fā)周期，此外，采用該模塊還大大減小了系統(tǒng)的體積。
2 控制策略
2.1 控制策略分析
交流變頻調(diào)速的方法很多，其中以正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)最為經(jīng)典，但針對水泵電機(jī)而言SPWM存在有些不足。如低次電流諧波含量相對較大[2]，以及電壓利用率較低（SPWM的最大輸出電壓調(diào)制比僅為78.5％）。潮濕、生銹及閑置等惡劣環(huán)境要求機(jī)泵在低頻時應(yīng)具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)采用空間電壓矢量控制技術(shù)（SVPWM）可很好地解決水泵低頻起動和運(yùn)行問題，并且提高了電壓利用率（是SPWM的1.15倍）。系統(tǒng)利用數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010的強(qiáng)大計(jì)算能力、空間電壓矢量控制技術(shù)及控制調(diào)節(jié)原理可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行和真正的最大功率調(diào)節(jié)（TMPPT）。同時針對光伏水泵的各種運(yùn)行情況實(shí)施了水位打干、堵轉(zhuǎn)、過欠壓及過流等多種保護(hù)功能，確保水泵安全可靠運(yùn)行。
2.2 電壓矢量控制分析
空間電壓矢量技術(shù)是一種磁鏈軌跡法，目的在于使交流電機(jī)產(chǎn)生圓形磁場。它是以三相對稱正弦波電源供電時交流電機(jī)產(chǎn)生的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，通過選擇功率器件的不同開關(guān)模式，使電機(jī)的實(shí)際磁鏈盡可能逼近理想磁鏈圓，從而生成SVPWM波。
根據(jù)空間電壓矢量控制原理三相空間電壓矢量共有8個[3]，除兩個零矢量外，還有6個非零矢量對稱均勻分布在復(fù)平面上，對于任一扇形區(qū)域中的電壓矢量V＊，均可由該扇形區(qū)域兩邊的空間電壓矢量來合成。如圖3所示。有文獻(xiàn)給出過各個扇區(qū)中矢量合成時的開關(guān)順序及時間信號推算過程，但多比較復(fù)雜，下面給出一種比較容易理解的算法。
圖3 空間矢量及其合成示意圖
例V＊在Ⅰ扇區(qū)時，則V＊可由V1、V2和V0或者V7合成，依據(jù)平行四邊形法則有：
=V＊（1）
式中：T1，T2分別為V1，V2開關(guān)周期中持續(xù)時間；
Ts為PWM開關(guān)周期。
令零矢量V0或者V7的持續(xù)時間共為T0，則有
T1＋T2＋T0=Ts（2）
令V＊與V1之間的夾角為θ，由正弦定律得：
（3）
又有|V1|=|V2|=2vdc/3，則可得
（4）
式中：m=
m為SVPWM的調(diào)制系數(shù)。
在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù)，一般使V0和V7各占一半的零矢量時間，并且在每次切換開關(guān)狀態(tài)時只切換一個功率開關(guān)器件，以滿足最小開關(guān)損耗。根據(jù)數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010中的電機(jī)控制PWM模塊功能和上面分析的空間電壓矢量控制的原理，計(jì)算出Ⅰ扇區(qū)時兩邊矢量和零矢量的作用順序及時間如圖4所示。用同樣的方法可以算出其它5個扇區(qū)的雙邊矢量和零矢量的開關(guān)順序及時間，如表1所列。
圖4 第Ⅰ扇區(qū)雙邊矢量開關(guān)時間信號
表1 各扇區(qū)中兩邊矢量的開關(guān)時間信號
2.3 TMPPT最大功率跟蹤
由于光伏陣列輸出特性的非線性特征,必須考慮使光伏系統(tǒng)在不同日照、溫度以及不同負(fù)載特性條件下都工作在光伏陣列輸出特性的最大功率點(diǎn)上,從而充分利用太陽電池陣列吸收的太陽能。通常最大功率跟蹤有CVT（Constant Voltage Tracking）方式和TMPPT（True Maximal Power Point Tracking）兩種方式。CVT方式可以近似獲得光伏陣列的最大功率輸出，軟件上處理比較簡單。但實(shí)際應(yīng)用中溫度和日照強(qiáng)度變化都相當(dāng)大，這些都會引起太陽能光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓的偏移。在這種情況下采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大功率點(diǎn)，TMPPT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，始終使太陽能光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處。本系統(tǒng)水泵電機(jī)功率采用SVPWM控制，即可以憑借SVPWM控制技術(shù)直接調(diào)整光伏陣列的輸出功率，以使太陽能光伏陣列輸出當(dāng)前日照和環(huán)境溫度條件下的最大功率。本系統(tǒng)憑借數(shù)字信號控制器有DSP的功能，系統(tǒng)采用實(shí)時搜索最大功率點(diǎn)的辦法[4]。實(shí)時判斷搜索的方向和計(jì)算搜索的幅度以逼近最大功率，最大功率跟蹤控制動態(tài)過程如圖5所示。
圖5 TMPPT最大功率點(diǎn)跟蹤控制過程
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照上述的設(shè)計(jì)思想制作了一臺樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。圖6是利用SVPWM控制時相電壓的理論波形，圖7是系統(tǒng)在30Hz時A、B兩相相電壓經(jīng)過RC濾波后的波形,比較圖6和圖7可知，實(shí)際得到的波形和理論波形是一致的。圖8是系統(tǒng)帶水泵電機(jī)工作在30Hz時，在A相上串接采樣電阻測到的電流波形。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略的正確性。
4 結(jié)語
該系統(tǒng)有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：
（1）采用空間電壓矢量控制技術(shù)（SVPWM）很好地解決了水泵低頻起動和運(yùn)行問題；
（2）采用一種高效率的新型正激式變換器，其無須去磁繞組，結(jié)構(gòu)簡單，可以有效地提高整機(jī)效率；
（3）數(shù)字信號控制器和IPM智能模塊可以保證控制策略的實(shí)現(xiàn)，且使系統(tǒng)體積小，安全可靠； <b
目前，我國面臨著實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。我國礦物能源的儲量令人非常堪憂，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須實(shí)施新的能源發(fā)展戰(zhàn)略，采用新技術(shù)。
實(shí)踐證明光伏發(fā)電技術(shù)是解決那些太陽能豐富的邊遠(yuǎn)無電地區(qū)用電問題的有效技術(shù)之一。常規(guī)的小功率光伏水泵系統(tǒng)，其供電電壓較低，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和深井提水，且機(jī)泵為專用型，成本較高。為克服以上問題，研制了針對通用型潛水泵的變頻驅(qū)動電源。系統(tǒng)采用數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010做控制器，它兼有單片機(jī)的高性能和DSP的計(jì)算能力；采用IPM智能模塊PS21564做三相全橋變頻電路，利用它可以大大縮小系統(tǒng)體積并提高可靠性；采用空間電壓矢量控制技術(shù)提高電壓利用率和減小沖擊電流；采用高效的DC/DC升壓拓?fù)涮岣哒麢C(jī)的效率。力求使系統(tǒng)效率高、成本低、體積小、通用性強(qiáng)及安全可靠。本文主要介紹系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略的研究結(jié)果。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
1.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成
如圖1所示，系統(tǒng)由光伏陣列、DC/DC升壓環(huán)節(jié)、變頻環(huán)節(jié)和光伏水泵4部分組成。本系統(tǒng)采用DC/DC升壓變換后，利用變頻技術(shù)驅(qū)動高電壓等級通用潛水電泵，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和深井提水。升壓環(huán)節(jié)利用一種高效率的新型DC/DC升壓拓?fù)洌蕴岣呦到y(tǒng)效率。變頻環(huán)節(jié)選用數(shù)字信號控制器（DSC）控制，其強(qiáng)大的計(jì)算能力保證了控制策略的順利實(shí)施。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2 DC/DC升壓環(huán)節(jié)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，反激式變換器、推挽式變換器及全橋變換器等DC/DC拓?fù)涓饔行┎蛔鉡1]。如反激式變換器輸出電壓紋波較大且變壓器利用率較低，一般運(yùn)用在小功率場合；推挽式變換適合低壓輸入、較大功率變換場合但變壓器繞制得不好容易出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象；全橋變換器功率元件多、成本高，不適合于本系統(tǒng)。綜合各方面考慮?系統(tǒng)采用一種新型正激式變換器，即采取在Boost電路上疊加一個正激變換器的方法得到一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示）。該正激拓?fù)洳恍枞ゴ爬@組，開關(guān)器件少，故效率比其它拓?fù)湟摺?
該正激變換器未采用加去磁繞組的方案，去磁由接到變壓器T原副邊的二極管D1、電容C2來完成。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時D1管導(dǎo)通，變壓器原邊的激磁能量經(jīng)D1給C2充電，從而實(shí)現(xiàn)了去磁功能，并且在開關(guān)管導(dǎo)通時C2電壓疊加變壓器副邊電壓作為輸出電壓，給負(fù)載提供能量，實(shí)現(xiàn)將去磁能量轉(zhuǎn)移到副邊給負(fù)載提供能量，提高了變壓器的利用率。設(shè)計(jì)時電容C2應(yīng)確保磁復(fù)位。根據(jù)電路原理，對拓?fù)溥M(jìn)行了仿真，圖2是MATLAB仿真得到的結(jié)果。升壓環(huán)節(jié)用UC3842作電壓調(diào)節(jié)芯片并作了斜率補(bǔ)償，運(yùn)行穩(wěn)定，效率可達(dá)90％以上。
圖2 電容C2與C3端電壓動態(tài)響應(yīng)曲線
1.3 DC/AC變頻環(huán)節(jié)
變頻環(huán)節(jié)是本系統(tǒng)的核心。SVPWM脈寬計(jì)算和最大功率跟蹤要求控制器要有較強(qiáng)的計(jì)算能力，Microchip的dsPIC數(shù)字信號控制器（DSC）既擁有16位閃存單片機(jī)的高性能又兼具數(shù)字信號處理器（DSP）的計(jì)算能力，是本系統(tǒng)的極佳選擇。變頻主電路選用IPM模塊PS21564，它采用第五代IGBT工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的柵極驅(qū)動和保護(hù)電路，當(dāng)有故障發(fā)生時模塊會及時向控制芯片發(fā)出故障信號，確保系統(tǒng)安全。控制芯片計(jì)算出三相SVPWM結(jié)果直接輸送給IPM智能模塊，不需再考慮驅(qū)動問題，可以減小開發(fā)周期，此外，采用該模塊還大大減小了系統(tǒng)的體積。
2 控制策略
2.1 控制策略分析
交流變頻調(diào)速的方法很多，其中以正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)最為經(jīng)典，但針對水泵電機(jī)而言SPWM存在有些不足。如低次電流諧波含量相對較大[2]，以及電壓利用率較低（SPWM的最大輸出電壓調(diào)制比僅為78.5％）。潮濕、生銹及閑置等惡劣環(huán)境要求機(jī)泵在低頻時應(yīng)具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)采用空間電壓矢量控制技術(shù)（SVPWM）可很好地解決水泵低頻起動和運(yùn)行問題，并且提高了電壓利用率（是SPWM的1.15倍）。系統(tǒng)利用數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010的強(qiáng)大計(jì)算能力、空間電壓矢量控制技術(shù)及控制調(diào)節(jié)原理可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行和真正的最大功率調(diào)節(jié)（TMPPT）。同時針對光伏水泵的各種運(yùn)行情況實(shí)施了水位打干、堵轉(zhuǎn)、過欠壓及過流等多種保護(hù)功能，確保水泵安全可靠運(yùn)行。
2.2 電壓矢量控制分析
空間電壓矢量技術(shù)是一種磁鏈軌跡法，目的在于使交流電機(jī)產(chǎn)生圓形磁場。它是以三相對稱正弦波電源供電時交流電機(jī)產(chǎn)生的理想磁鏈圓為基準(zhǔn)，通過選擇功率器件的不同開關(guān)模式，使電機(jī)的實(shí)際磁鏈盡可能逼近理想磁鏈圓，從而生成SVPWM波。
根據(jù)空間電壓矢量控制原理三相空間電壓矢量共有8個[3]，除兩個零矢量外，還有6個非零矢量對稱均勻分布在復(fù)平面上，對于任一扇形區(qū)域中的電壓矢量V＊，均可由該扇形區(qū)域兩邊的空間電壓矢量來合成。如圖3所示。有文獻(xiàn)給出過各個扇區(qū)中矢量合成時的開關(guān)順序及時間信號推算過程，但多比較復(fù)雜，下面給出一種比較容易理解的算法。
圖3 空間矢量及其合成示意圖
例V＊在Ⅰ扇區(qū)時，則V＊可由V1、V2和V0或者V7合成，依據(jù)平行四邊形法則有：
=V＊（1）
式中：T1，T2分別為V1，V2開關(guān)周期中持續(xù)時間；
Ts為PWM開關(guān)周期。
令零矢量V0或者V7的持續(xù)時間共為T0，則有
T1＋T2＋T0=Ts（2）
令V＊與V1之間的夾角為θ，由正弦定律得：
（3）
又有|V1|=|V2|=2vdc/3，則可得
（4）
式中：m=
m為SVPWM的調(diào)制系數(shù)。
在實(shí)際應(yīng)用中，為了減少功率器件的開關(guān)次數(shù)，一般使V0和V7各占一半的零矢量時間，并且在每次切換開關(guān)狀態(tài)時只切換一個功率開關(guān)器件，以滿足最小開關(guān)損耗。根據(jù)數(shù)字信號控制器dsPIC30F2010中的電機(jī)控制PWM模塊功能和上面分析的空間電壓矢量控制的原理，計(jì)算出Ⅰ扇區(qū)時兩邊矢量和零矢量的作用順序及時間如圖4所示。用同樣的方法可以算出其它5個扇區(qū)的雙邊矢量和零矢量的開關(guān)順序及時間，如表1所列。
圖4 第Ⅰ扇區(qū)雙邊矢量開關(guān)時間信號
表1 各扇區(qū)中兩邊矢量的開關(guān)時間信號
2.3 TMPPT最大功率跟蹤
由于光伏陣列輸出特性的非線性特征,必須考慮使光伏系統(tǒng)在不同日照、溫度以及不同負(fù)載特性條件下都工作在光伏陣列輸出特性的最大功率點(diǎn)上,從而充分利用太陽電池陣列吸收的太陽能。通常最大功率跟蹤有CVT（Constant Voltage Tracking）方式和TMPPT（True Maximal Power Point Tracking）兩種方式。CVT方式可以近似獲得光伏陣列的最大功率輸出，軟件上處理比較簡單。但實(shí)際應(yīng)用中溫度和日照強(qiáng)度變化都相當(dāng)大，這些都會引起太陽能光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓的偏移。在這種情況下采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大功率點(diǎn)，TMPPT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，始終使太陽能光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)處。本系統(tǒng)水泵電機(jī)功率采用SVPWM控制，即可以憑借SVPWM控制技術(shù)直接調(diào)整光伏陣列的輸出功率，以使太陽能光伏陣列輸出當(dāng)前日照和環(huán)境溫度條件下的最大功率。本系統(tǒng)憑借數(shù)字信號控制器有DSP的功能，系統(tǒng)采用實(shí)時搜索最大功率點(diǎn)的辦法[4]。實(shí)時判斷搜索的方向和計(jì)算搜索的幅度以逼近最大功率，最大功率跟蹤控制動態(tài)過程如圖5所示。
圖5 TMPPT最大功率點(diǎn)跟蹤控制過程
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
按照上述的設(shè)計(jì)思想制作了一臺樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)功能均可實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。圖6是利用SVPWM控制時相電壓的理論波形，圖7是系統(tǒng)在30Hz時A、B兩相相電壓經(jīng)過RC濾波后的波形,比較圖6和圖7可知，實(shí)際得到的波形和理論波形是一致的。圖8是系統(tǒng)帶水泵電機(jī)工作在30Hz時，在A相上串接采樣電阻測到的電流波形。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略的正確性。
4 結(jié)語
該系統(tǒng)有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：
（1）采用空間電壓矢量控制技術(shù)（SVPWM）很好地解決了水泵低頻起動和運(yùn)行問題；
（2）采用一種高效率的新型正激式變換器，其無須去磁繞組，結(jié)構(gòu)簡單，可以有效地提高整機(jī)效率；
（3）數(shù)字信號控制器和IPM智能模塊可以保證控制策略的實(shí)現(xiàn)，且使系統(tǒng)體積小，安全可靠； <b
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