新型风光互补水泵控制器的设计

梅 盼，雷必成

（1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018；2.台州学院 物电学院，浙江 台州 317000）

光伏水泵系统是利用太阳能光伏阵列将光能转换为电能带动电机运转实现水泵提水的设备。常见的光伏水泵系统通过光伏输入的直流电压经过升压和逆变环节，给交流异步电机供电，带动水泵提水。这种光伏水泵系统的利用大大节省了电力资源，而且有效地解决了远距离电网未能布及地区的居民、牲畜用水，农作物灌溉困难等问题。因此光伏供水系统得到了广泛的应用[1-3]。但是传统光伏水泵系统提水效率不高，供水稳定性差，在光照充分的时候或许能够提供充分水源，而当无光照或者光照较弱的时候水泵不能提供充足水源甚至停止供水，使得其使用受到限制[4]。文中设计了一种新型风光互补的光伏水泵控制器。在光伏供电的基础上加入了风力发电设备，实现在无光照或者光照较弱的情况下，通过风机互补供电维持系统的正常运行。控制器在DC/DC部分加入了最大功率点跟踪（MPPT），采用双环控制策略实现输出电流控制，电路输出直接采用直流电机带动水泵提水，无需逆变环节。上位机通过GPRS无线通讯模块远程实时监测水泵的运行情况。

1 风光互补水泵控制器设计

风光互补水泵控制器的主要功能是实现升压和电流控制[5]。DC/DC环节实现升压的同时加入了MPPT，控制器兼有相关的欠电压，过电流以及过温等保护。主电路DC/DC升压部分采用性能优良的BOOST升压结构，系统控制核心元件由单片机STM32103RB实现。通过采样光伏或风机输入的电压，电流值，计算输入功率，采用变步长扰动观察法，实现MPPT功能。软件控制采用双闭环控制策略，外环采用电压环，稳定输出电压在参考值。内环采用电流环，在额定输出工作范围内调节电流。控制器采用GPRS模块与上位机进行通讯，方便用户实时了解系统工作情况以及采集数据。

1.1 控制器拓扑结构设计

风光互补水泵控制器的拓扑结构如图1所示，光伏板和风机输出直流电压。在光照较强的时候由光伏板提供直流输入电压 ，在夜晚等无光照的情况下由风机互补供电。启动时，经过D1，D2选择高电压导通，经电路升压至24 V。采样得到的B点母线电压值与给定参考电压值Vref比较调节得到电流参考值Iref。输出电流采样值Iout与Iref比较后经PI调节输出PWM2调制信号，通过控制开关管Q2，Q3通断，实现在水泵正常工作范围内调节输出电流，稳定母线电压在24 V，控制结构如图2所示。由于系统中加入MPPT，所以在调节过程中A点电压被拉低时，光伏板或者风机能够自动实现互补供电，提高系统工作效率。控制器配备LED灯，实时显示控制器工作状态。

图1 风光互补水泵控制器结构图Fig.1 Structure diagram of wind-solar pump controller

图2 控制结构框图Fig.2 Control structure diagram

1.2 控制器软件结构设计

控制器软件实现升压控制，MPPT以及相应的保护功能，本设计采用电压外环和电流内环的双闭环控制策略，电压环实现DC/DC输出电压稳定在设定值。当风机或光伏输入电压增大时，DC/DC输出电压增大，电机输出电流增大。反之，当风机或光伏输入电压减小时，DC/DC输出电压减小，电机输出电流减小。以此来达到稳定DC/DC输出电压值。电流环控制输出电流，电压环得到的电流值与实际输出电流反馈值比较经PI调节输出后通过调制产生PWM波来控制MOSFET的通断。系统控制结构框图如图2所示。

由图 2 得出电流环传递函数框图 3 所示，G1（s），G2（s），G（3）分别为PI环节传递函数.开关管的等效传递函数以及直流电机传递函数。

图3 传递函数框图Fig.3 The transfer function block diagram

设PI控制的传递函数

Ks为输出电流控制环节增益，ts为时间常数。

直流电机传递函数[6]等效如下：

由图3可推出电流控制环节开环传递函数

代入传递函数表达式推导出（4）：

二阶系统具有良好的动态品质，能够快速响应和精确控制简洁高效，所以将系统设置成为一个二阶系统如下，

结合仿真和实际调试经验，找到最佳的控制系数能够快速准确地实现输出电流在水泵正常工作范围内调节。

2 最大功率点跟踪（MPPT）

在光伏系统中，太阳能电池由于云层、灰尘的遮挡，以及光照强度的变化等都将会导致太阳能光板停止或减弱光伏转换，从而导致光电转换的效率变低。光伏电池在考虑温度和辐射强度变化的情况下光伏输出电流电压I-V关系式为：

Ipv——光伏输出电流

Iph——光生电流源与光伏板的面积入射光的光照强度以及环境温度有关

Upv——光伏输出电压。Cd——结电容I0——反向饱和电流（A）

q——电子电量，q=1.6e-19CR5——太阳能电池的串联电阻

Rp——并联电阻K——玻尔兹曼常数，K=1.38e-23（J/K）T——绝对温度

根据公式可得到电流电压曲线，从而计算得到太阳能光伏板输出功率与电压（P-V）曲线如图4所示，图中Pm为最大功率点功率值，Um为最大功率点电压，Uoc为开路电压。实现光伏板MPPT的算法有固定功率法，电导增量法，扰动观察法等[7]。

图4 P-V特性曲线Fig.4 P-V characteristic curve

图5 Cp-λ关系曲线Fig.5 Cp-λrelation curve

风力发电系统中风能具有不稳定性和随机性特点，所以风能的获取和利用不仅与风机的机械特性有关，控制算法起着至关重要的作用。一种好的控制方法可以使风机的转速迅速跟踪风速的变化，从而保证风机保持在最佳叶尖速比上运行，这样可以实现能量最大化利用。风力发电机在风速小于额定风速时的产生机械功率公式为：

ρ——为空气密度S——风力机桨叶扫掠面积

Cp——风能转换系数又称功率系数，是一个与叶尖速比λ和桨叶节距角β有关的函数。

ω——风轮旋转的机械角速度。R——叶片半径。

由式（12）可以看出风机输出功率与Cp与v3和成正比关系。在固定桨叶节距角β的情况下，Cp与λ的关系曲线如图5所示。λopt为最佳叶尖速比，在最大叶尖速比时Cp达到最大值CPmax。由于风的随机性导致风机不能时刻运行在最大叶尖速比，所以通过控制算法可实现Cp接近Cpmax运行，从而实现风机效率最大化。风机最大功率点方法有诸如最优叶尖速比法，功率信号反馈法，爬山搜索法，扰动法等[8]。

对比发现扰动观察法既能够实现光伏最大功率点跟踪同时又适用于风力发电系统，为了程序编写的方便，本文采用占空比扰动观察法实现系统的MPPT。

扰动观察法的原理是先给输出电压一个扰动ΔU，得到输出电压为U+ΔU，在测量其功率变化，若果功率增加，则继续向同一方向按ΔU的扰动量进行扰动。若扰动后的功率值小于扰动前的功率值，则往相反的方向以-ΔU扰动。通过不断的扰动是输出功率趋于最大。然而若扰动量ΔU取值较大，虽然保证了系统跟踪的快速性，但会导致系统在最大功率点附近形成一定幅度的振荡，导致功率的损失。若扰动量ΔU取值较小，虽然减小了振荡的幅度，却增加了系统寻找最大功率点的时间。因此，定步长的扰动观测法存在MPPT精度和跟踪速度之间的矛盾。

本风光互补水泵控制器采用了变步长的扰动法，将步长设为与dP/dU为正比的值，在数字电路中，因为系统中MPPT控制是通过改变开关占空比来实现，因此可得到理想值。其中dir=±1为步长变化方向。当工作点离最大功率点距离较大时，电压以较大步长变化，确保了MPPT的快速性。当工作点越来越靠近最大功率点时，步长自动逐步变小，从而抑制了最大功率点附近的振荡。软件流程图如图6所示，图中Uk和Ik分别代表输入电压，电流值。

3 上位机监测软件设计

为了实现风光互补水泵系统控制器的运程监测与控制，光互补水泵系统设计了一套风光互补供水控制的监控系统。

上位机实现数据采集，处理并归档。技术人员可以实现远距离监控系统的运作情况，并且能够控制水泵的运行与停止，实现远程操作。调度中心上位机采用C++语言编程，通过GPRS模块[9]，建立无线网络进行通讯，与远程水泵控制器数据采集终端控制站之间进行双向数据传输。用户界面采用MFC下的Duilib开发工具进行开发，上位机界面显示水泵的当前电压，电流，功率，流量值以及相关的水泵运作情况，截取实验过程中显示界面图如图7所示。

图6 扰动观察法流程图Fig.6 The flow chart of disturbance observation

图7 上位机界面Fig.7 PCinterface

4 实验分析

实验中用到的直流电机额定电压为24 V，功率120 W，最大扬程11 m，光伏板最大电压18 V，最大功率200 W。风机最大功率220 W，额定风速11.5 m/s，额定电压24 V，流量计最大流量60 L/min。控制器母线电压24 V，额定工作电流4～7 A，短路电流20 A。实验利用流量计在不同光照强度和风速的时候测试水泵抽水量情况，选取两块同样控制器一块开启MPPT功能，另一块关闭MPPT，在同样实验环境下测试流量。实验选取几个时段测试，不同时段光照强度和风速下测得的流量情况如下表1所示。0表示光照为夜晚无光照由风机工作带动水泵提水时测得的流速数值。从表1中可以看出在无光照时能够自动实现风机互补供电，保证水泵的正常高效运行，当然在无光照同时风机转速小于4 m/s时，水泵控制器将自动停止工作。水泵加入了最大功率点跟踪保证光伏及风机工作在最大功率点运行从而实现效率的最大化.实验中控制器及电机实物图如图8所示。

5 结束语

文中通过对软硬件结构以及风光能源特性分析表明该风光互补水泵控制器设计具有一定的工程实用意义和参考价值。实验结果证明，该风光互补水泵控制器不仅能够实现风光互补功能，并且通过MPPT算法的加入，大大提高了光伏以及风能利用率，有效的解决的传统光伏水泵不能稳定持续供水的问题，具有广阔的市场发展前景。

表1 光照强度和风速与流量关系Tab.1 The flow relationship with light intensive and wind velocity

图8 控制器及电机实物图Fig.8 The physical diagram of controller and motor

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