通用变频器的研制 - 全文

1　引言

　　交流电动机具有可靠、简单、廉价等优点。然而，目前市场上所售的多为普通通用变频器，若直接把其用于光伏水泵系统中，不能很好地实现各种保护功能，同时也不具备太阳电池的最大功率点跟踪功能，造成太阳能电池容量和通用变频器内部资源的巨大浪费。本文在充分利用通用变频器内部资源的基础上，对普通通用变频器进行改进，实现了具有光伏水泵系统控制功能的通用变频器。实验表明，改进后的即通用变频器即可以实现普通通用变频器的通用功能，又能实现光伏水泵系统控制功能，同时降低了光伏水泵使用成本和维护费用。

2　系统基本结构

　　变频器系统的硬件电路一般分为两大模块:功率主电路和控制电路[1]。根据系统要求，综合考虑各种方案并结合实际情况，本系统采用了如图1所示的基本结构。

　　图1　具有光伏水泵控制功能的通用变频系统的基本结构

　　从图1可以看出，系统有四部分组成，分别是:光伏阵列、主电路模块、控制电路模块和水泵。与通用变频器结构相比，主电路模块结构区别在于输入电源有两种——交流电源和光伏阵列输出的直流电源;控制电路模块采用tms320lf2406a dsp数字信号处理器，和一般通用变频器控制电路类似。在外围控制电路上，除了pwm信号驱动，电压、电流等模拟信号采样电路外，增加了直流母线电流检测。在光伏水泵变频调速系统中，为了防止水位下降，引起光伏水泵系统“机–泵总成”部件干磨擦而遭致损坏，因此，具有光伏水泵控制功能的通用变频系统除了具有一般通用变频器保护功能外，还需要水位打干检测保护功能。常用检测方法有水位传感器识别和自动识别[2]，本文根据通用变频器具有输出电流采样功能，采用了自动识别水位过低而避免打干。

　　3　光伏水泵控制功能在通用变频器中的实现

　　通用变频器突出特点是功能齐全、通用性好，为了方便构成闭环控制，现代的通用变频器都内置了pi数字调节器，利用通用变频器内置的pi数字调节器，可以方便的实现光伏阵列的最大功率点跟踪。

　　把光伏阵列引出线接在系统直流输入端，如图1所示连接，系统直流母线电压即是光伏阵列输出端电压。对于光伏水泵系统，因水泵电机的输出功率和转速的三次方成正比，因此，光伏阵列的输出负荷匹配可以直接通过改变水泵电机的转速来实现，即凭借pwm控制技术就可以直接调整太阳电池阵列的输出功率，使光伏阵列的输出功率始终跟踪当前日照和环境温度下的最大值。

　　3.1　光伏阵列特性

　　在光伏水泵系统中，把太阳能光伏阵列输出的直流电作为系统电源供给。太阳能光伏阵列电源有别于普通的直流电源，它具有较强的非线性特征，输出最大功率受日照和环境温度等气象条件影响比较大。图2给出了不同日照强度下，太阳能光伏阵列的i-v特性曲线和p-v特性曲线。图2中s为日照强度，单位为瓦特每平米(w/ m2)。从光伏阵列的特性曲线可以看出光伏阵列既非恒压源又非恒流源，而且不能给负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。光伏阵列特性决定了应用光伏阵列时的特殊控制要求——最大功率点跟踪。

　　图2　不同日照强度下的i-v和p-v特性曲线

　　3.2　cvt方式最大功率点跟踪

　　恒压跟踪cvt(constant voltage tracking)方式可以近似获得光伏阵列的最大功率输出。虽然在实际应用中由于温度和日照强度变化较大，引起太阳能光伏阵列最大功率点电压偏移，导致 cvt方式不能很好的跟踪最大功率点，但因其在软件上处理比较简单，且很多通用变频器通过简单设置即可实现cvt方式功能，因此在无真正最大功率点跟踪 tmppt(true maximal power point tracking)方式时cvt也是一种较好选择。其控制原理如图3所示。

　　图3　cvt方式跟踪控制原理图

　　其中，usp*为太阳电池阵列工作的指令电压;控制系统的反馈电压usp为通用变频器直流母线电压，同时也是光伏阵列端电压。当使能内置pi调节器控制器时，系统构成对直流母线电压即光伏阵列的输出电压usp的负反馈控制，当usp>usp*时，误差信号经pi调节器后使得v/f函数发生器的入口电压参数v增大，经v/f函数发生器运算后，svpwm变换器的另一入口频率参数f增大，通过脉宽调节，系统输出电压和频率都增大，水泵电机转速升高，水泵输出功率增大，使得和水泵匹配的光伏阵列的输出功率增大，输出电流增大，由光伏阵列的u-i特性曲线知，光伏阵列输出电压 usp减小，直到usp=usp;当usp

　　3.3　tmppt 方式最大功率点跟踪

　　tmppt方式的最大功率点跟踪能够实现真正的最大功率点跟踪。当最大功率点对应电压变化较大时，在不需要任何调节的情况下，可以保证系统的日扬水量最大。tmppt方式最大功率点跟踪最常用的是通过功率对电压的微分负反馈实现，该方法原理虽然简单，但是由于数据处理中用到了除法，实现比较复杂。因此，根据tmppt跟踪原理[4][5]，分析最大功率点左右两侧功率变化特点，本文采用了一种比较简单的方法，利用功率变化变化量来判断，即dp的变化来判断。对于具有光伏水泵控制功能的通用变频器，其tmppt控制原理如图4所示。

　　图4　dp方式实现的tmppt跟踪控制原理

　　由图2光伏阵列的p-v特性曲线可知，当指令电压usp*在最大功率点的左侧时，增大指令电压usp*，功率增加，减小指令电压usp*，功率减小;当指令电压usp*在最大功率点的右侧时，增大指令电压usp*，功率减小,减小指令电压usp*，功率增加;因此首先通过给指令电压usp*一个扰动量，根据dp符号判断usp*当前的位置，即在最大功率点的左侧还是右侧，然后再按照功率增加的方向，调节指令电压usp*的值。图4是dp变化搜索最大功率点的控制原理图。由图2 p-v特性曲线可以看出，光伏阵列在开路电压最大处，输出功率为0，为了防止cvt调节时电流冲击，搜索从最大功率点右侧开始，z3初始化为-1。从图4 可以看出，系统跟踪控制过程是为:系统开始从最大功率点的右侧搜索，功率从0开始增加，则dp >0,得到z1的值为+1，z2 的值取决于z1z3的积，由z3初始值为-1知z2为-1，比较后z3为 -1，指令电压继续减小，因usp*在最大功率点的右侧，所以usp*减小，功率增大，dp >0，指令电压usp*按上述规律不断调整;当usp*到达最大功率点的左侧时，功率减小，dp<0，z1取 -1，此时z2的值为+1，z3的值为+1，指令电压usp*开始增加，系统往回搜最大功率点。最后系统在最大功率点附近运行。同dp/dv道理相同，在 dp值跟踪时，也采用滞环比较的方式。

　4　实验结果

　　图5　cvt起动运行时光伏阵列输出电压电流波形

　　图6　tmppt起动运行时光伏阵列输出电压电流波形

　　根据已有变频器资源平台，按照上述的设计思想设计了一台样机。实验证明系统可以安全稳定运行，各项功能均可实现，达到了设计目的。图5是cvt 方式跟踪控制的起动运行的光伏阵列输出电压电流波形，实验条件是日照强度为672w/m2，太阳能阵列开路电压uoc=368v，指令电压 usp*=276v。图6是tmppt方式跟踪控制的起动运行的光伏阵列输出电压电流波形，实验条件是日照强度为690w/m2，太阳能阵列开路电压 uoc=363v，搜索起始电压udc=350v。