[align=left] 1、引言 獨立太陽能揚水系統對于解決偏遠地區人畜飲水、農業及防護林灌溉等生態問題具有廣闊的應用前景，因此得到了廣泛的重視。對于采用交流電動機驅動的水泵，需要使用逆變控制器。控制器必須具備以下兩個功能：逆變功能—將太陽能電池陣列輸出的直流電變換為驅動電動機所需的三相交流電；最大功率點跟蹤（mppt）功能—根據光照強度實時調節輸出頻率、保證系統輸出最大功率。與采用“通用變頻器＋最大功率點跟蹤控制器”的控制系統相比，專用變頻器集逆變和最大功率點跟蹤控制功能于一體，具有結構簡單、可靠性高、動態特性好、成本低等優點。專用變頻器的設計除了保證硬件電路和結構滿足技術規格要求外，最大功率點跟蹤控制規律的設計非常重要。關于最大功率點跟蹤算法已有大量的研究成果，并在太陽能揚水系統中得到了很好的推廣和應用，例如常壓法、擾動觀測法（pao）及增導納法（ict）等等，但這些經典的方法在無蓄電池的太陽能揚水系統中都難以取得理想的控制效果。 國外已有成熟的太陽能揚水專用變頻器，如丹麥grundfos公司的solartronic系列產品，但額定電壓偏低，無法與國產水泵配套。國內也有相關產品的研究與開發，但由于前幾年市場極其有限，未能形成真正意義上的批量產品。而且現有的產品均采用經典的最大功率點跟蹤方法，控制特性有待進一步改善。 本開發項目結合新疆哈德地區沙漠高速公路防沙林太陽能揚水滴灌試驗系統的研究，提出多重判據和混成最大功率點跟蹤法，并根據太陽能電池陣列的參數、微處理器（mpu）的性能，對變頻器輸出頻率的最小步長進行了優化，在此基礎上開發出使用定點mpu的專用變頻器。為了驗證各種方法的控制效果，建立了兩套相同的太陽能揚水試驗系統進行對比實驗和長期連續運行實驗。歷時兩年的實驗結果表明：新方法具有更好的動態響應特性和最大功率點跟蹤效果；專用變頻器各項技術指標優良，性能穩定，可靠性高。 2、獨立太陽能揚水系統的構成與特性 本文介紹的獨立太陽能揚水系統由圖1所示的三個部分組成：太陽能電池陣列、專用變頻器和使用鼠籠式三相異步電動機的水泵。基于在太陽能揚水系統中蓄電不如蓄水的設計思路，沒有配置蓄電池，達到簡化系統、降低成本的目的。 太陽能電池是一種非線性電源，其輸出特性與結構、材料、光照強度及環境溫度等因素密切相關。圖2為輸出電壓、電流及功率的特性曲線。由圖2可知，輸出功率存在一個極大值，即最大功率點。輸出電流—電壓特性則以最大功率點為界，左側的區域內電流基本保持恒定，稱為恒流區，而右側的區域內電壓變化較小，稱為恒壓區。 [/align] 專用變頻器用于控制水泵轉速，其控制電路以mpu為核心，實現直流—交流逆變控制和最大功率點跟蹤。在無蓄電池的獨立太陽能揚水系統中，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。因此通過調節變頻器的輸出頻率，可以對太陽能電池陣列的工作點進行控制。在恒壓區內增高輸出頻率，恒流區內降低輸出頻率，即可實現最大功率點的跟蹤。同時，由于沒有蓄電池對直流電壓起支撐作用，當水泵轉速過高或光照強度迅速降低時，如果不能及時地調低變頻器的輸出頻率，太陽能電池陣列的電壓將迅速下降，導致變頻器欠壓保護動作。因此，對控制器的動態特性提出了更高的要求。 3、專用變頻器的設計 3.1 主電路及結構的設計 開發的專用變頻器的電路構成與通用變頻器相似，如圖3所示。其設計要點如下： （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）平波電容對直流電壓有一定的支撐作用，有利于改善系統特性。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）因為主要用于偏遠地區，對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）合理設計濾波和吸收電路，達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）采用自然風冷，大功率變頻器采用強迫風冷，并根據散熱器溫度控制冷卻風扇，減少運轉時間，盡可能延長維護周期。 （6）使用的環境條件比較惡劣，采用全金屬外殼，防護等級不低于ip53。 3.2 最大功率點跟蹤控制規律設計 最大功率點跟蹤控制規律需要滿足三方面的要求：跟蹤速度、跟蹤精度及系統穩定性。 在無蓄電池作為電壓支撐的獨立太陽能揚水系統中，穩定性問題主要是電壓穩定問題。控制規律的動態特性稍不理想，就會造成太陽能電池陣列輸出電壓急劇下降，變頻器欠壓保護，系統停止運行。而常壓法由于直接控制工作點電壓，可以較好地解決系統的穩定性問題。其基本原理是近似認為不同條件下最大功率點的電壓不變，運行中當實測電壓大于設定最大功率點參考電壓vref時，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為調頻步長。 但vref的選取依賴于太陽能電池陣列的特性，實際運行時可能偏離最大功率點，所以應設法根據系統的運行狀態實時地調整參考電壓。 在本項目的前期研究中，提出了表1所示的多重判據法，通過檢測直流電壓和輸入電流，直接以δp、δv和δi的符號為判據，調節系統的工作點。由于能夠對輸出頻率調節的控制效果和光照強度變化同時進行判別，克服了經典方法的缺點，系統的動態跟蹤特性得到改善。 專用變頻器采用多重判據法和常壓法相結合的混成最大功率點跟蹤控制。多重判據法和常壓法交替運行，多重判據法執行周期短于1s，實時跟蹤最大功率點，為下一個常壓法執行周期（約10s）提供最佳的參考電壓值。因此，系統既具有快速的動態跟蹤特性，又具有良好的穩定性。 3.3 最小步長優化 在多重判據法執行期間，最小步長δfmin直接影響跟蹤精度。如果δfmin過大，會使工作點在最大功率點兩側擺動，跟蹤精度低；如果δfmin過小，則其所對應的δv、δi很小，經過電壓傳感器、電流傳感器和a/d轉換器后，mpu無法識別，從而造成最大功率點判斷錯誤，系統有可能在低功率點長時間運行。根據太陽能電池陣列、電壓/電流傳感器和a/d轉換器的參數，結合實驗結果，可用式（2）對最小步長進行優化。 式中: vo—太陽能電池陣列開路電壓 vmp，imp—最大功率點電壓與電流 frate—水泵額定運行頻率 kv，ki—電壓/電流傳感器的增益 vad—a/d轉換器參考電壓 n—a/d轉換器位數 3.4 控制電路的設計 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。采用兩相脈寬調制，在保證輸出正弦波電流的同時，減小開關損耗。載波頻率可調，出廠設置5khz。 （2）最大功率點跟蹤控制功能。根據實測的系統響應特性，為了保證最大功率跟蹤功能的正常運行，同時使系統具有盡可能高的響應速度，合理的控制周期為數十毫秒。 （3）全自動運行功能。根據太陽能電池陣列的電壓，自動啟動或停止系統運行，優化的啟動控制減少了重復啟動次數。 （4）運行數據存儲功能。為了便于對無人值守系統運行狀態的監管，控制電路中設有日歷和存儲芯片，可以保存長達8年的運行數據，并通過操作面板或通訊端口調閱。 （5）水位監控功能。設有多個水位傳感器接口，監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行而過熱損壞。 （6）齊全的保護功能。包括欠壓保護、過壓保護、過流保護和模塊過熱保護等。 4、實驗系統及結果 2004年7月，在清華大學深圳研究生院校園內建成兩套完全相同的系統（圖4）。每套系統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/揚程14（m3/h）/20m；設置4個高度（6、11、16、19m）的出水口用于對比實驗。 圖5為變頻器的輸出電流波形，5khz的開關頻率保證了輸出電流具有良好的正弦波形。 圖6為確認多重判據法跟蹤特性的實驗結果，輸出功率曲線與光照強度曲線非常吻合，表明系統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驗結果，在不同的天氣狀況下均表現良好，尤其在光照強度快速變化時，能夠及時調整輸出頻率，有效控制直流電壓，保證系統穩定運行。 經2005年全年運行實驗，變頻器工作穩定，關鍵器件的溫升均在允許范圍內，每套系統全年累計發電1940kw·h，揚水15600m3（揚程11m）。 5、結束語 開發的太陽能揚水專用變頻器，性能穩定，可靠性高。采用混成最大功率點跟蹤控制，能夠滿足無蓄電池獨立太陽能揚水系統對動態控制特性的要求；全自動運行和數據存儲功能，適用于偏遠地區無人值守系統的運行與管理；良好的防護結構，保證在惡劣環境中正常使用。系列產品的額定功率從400w至11kw，將組織批量生產和市場推廣。