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，我國面臨著實現經濟和社會可持續發展的重大挑戰。我國礦物能源的儲量令人非常堪憂，為實現可持續發展，必須實施新的能源發展戰略，采用新技術。
實踐證明光伏發電技術是解決那些太陽能豐富的邊遠無電地區用電問題的有效技術之一。常規的小功率光伏水泵系統，其供電電壓較低，難以實現遠距離和深井提水，且機泵為專用型，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動電源。系統采用數字信號控制器dsPIC30F2010做控制器，它兼有單片機的高性能和DSP的計算能力；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體積并提高可靠性；采用空間電壓矢量控制技術提高電壓利用率和減小沖擊電流；采用高效的DC/DC升壓拓撲提高整機的效率。力求使系統效率高、成本低、體積小、通用性強及安全可靠。本文主要介紹系統構成和控制策略的研究結果。

　　1　　系統構成

　　1.1　　系統整體構成

　　如圖1所示，系統由光伏陣列、DC/DC升壓環節、變頻環節和光伏水泵4部分組成。本系統采用DC/DC升壓變換后，利用變頻技術驅動高電壓等級通用潛水電泵，可以實現遠距離和深井提水。升壓環節利用一種高效率的新型DC/DC升壓拓撲，以提高系統效率。變頻環節選用數字信號控制器（DSC）控制，其強大的計算能力保證了控制策略的順利實施。

圖1　　系統結構圖


　　1.2　　DC/DC升壓環節

　　根據系統的設計思想，反激式變換器、推挽式變換器及全橋變換器等DC/DC拓撲各有些不足[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偏磁現象；全橋變換器功率元件多、成本高，不適合于本系統。綜合各方面考慮?系統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撲結構（拓撲結構如圖1所示）。該正激拓撲不需去磁繞組，開關器件少，故效率比其它拓撲要高。

　　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。當開關管關斷時D1管導通，變壓器原邊的激磁能量經D1給C2充電，從而實現了去磁功能，并且在開關管導通時C2電壓疊加變壓器副邊電壓作為輸出電壓，給負載提供能量，實現將去磁能量轉移到副邊給負載提供能量，提高了變壓器的利用率。設計時電容C2應確保磁復位。根據電路原理，對拓撲進行了仿真，圖2是MATLAB仿真得到的結果。升壓環節用UC3842作電壓調節芯片并作了斜率補償，運行穩定，效率可達90％以上。

圖2　　電容C2與C3端電壓動態響應曲線


　　1.3　　DC/AC變頻環節

　　變頻環節是本系統的核心。SVPWM脈寬計算和最大功率跟蹤要求控制器要有較強的計算能力，Microchip的dsPIC數字信號控制器（DSC）既擁有16位閃存單片機的高性能又兼具數字信號處理器（DSP）的計算能力，是本系統的極佳選擇。變頻主電路選用IPM模塊PS21564，它采用第五代IGBT工藝，內置優化后的柵極驅動和保護電路，當有故障發生時模塊會及時向控制芯片發出故障信號，確保系統安全。控制芯片計算出三相SVPWM結果直接輸送給IPM智能模塊，不需再考慮驅動問題，可以減小開發周期，此外，采用該模塊還大大減小了系統的體積。

　　2 控制策略

　　2.1　　控制策略分析

　　交流變頻調速的方法很多，其中以正弦波脈寬調制(SPWM)最為經典，但針對水泵電機而言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的最大輸出電壓調制比僅為78.5％）。潮濕、生銹及閑置等惡劣環境要求機泵在低頻時應具有較大的啟動轉矩，系統采用空間電壓矢量控制技術（SVPWM）可很好地解決水泵低頻起動和運行問題，并且提高了電壓利用率（是SPWM的1.15倍）。系統利用數字信號控制器dsPIC30F2010的強大計算能力、空間電壓矢量控制技術及控制調節原理可以實現電機的平穩運行和真正的最大功率調節（TMPPT）。同時針對光伏水泵的各種運行情況實施了水位打干、堵轉、過欠壓及過流等多種保護功能，確保水泵安全可靠運行。

　　2.2　　電壓矢量控制分析

　　空間電壓矢量技術是一種磁鏈軌跡法，目的在于使交流電機產生圓形磁場。它是以三相對稱正弦波電源供電時交流電機產生的理想磁鏈圓為基準，通過選擇功率器件的不同開關模式，使電機的實際磁鏈盡可能逼近理想磁鏈圓，從而生成SVPWM波。

　　根據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平面上，對于任一扇形區域中的電壓矢量V＊，均可由該扇形區域兩邊的空間電壓矢量來合成。如圖3所示。有文獻給出過各個扇區中矢量合成時的開關順序及時間信號推算過程，但多比較復雜，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扇區時，則V＊可由V1、V2和V0或者V7合成，依據平行四邊形法則有：

=V＊（1）

式中：T1，T2分別為V1，V2開關周期中持續時間；

　　 Ts為PWM開關周期。

　　令零矢量V0或者V7的持續時間共為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的調制系數。

　　在實際應用中，為了減少功率器件的開關次數，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狀態時只切換一個功率開關器件，以滿足最小開關損耗。根據數字信號控制器dsPIC30F2010中的電機控制PWM模塊功能和上面分析的空間電壓矢量控制的原理，計算出Ⅰ扇區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個扇區的雙邊矢量和零矢量的開關順序及時間，如表1所列。

圖4　　第Ⅰ扇區雙邊矢量開關時間信號

表1 各扇區中兩邊矢量的開關時間信號


　　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在不同日照、溫度以及不同負載特性條件下都工作在光伏陣列輸出特性的最大功率點上,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。但實際應用中溫度和日照強度變化都相當大，這些都會引起太陽能光伏陣列最大功率點電壓的偏移。在這種情況下采用CVT方式就不能很好地跟蹤最大功率點，TMPPT意思是“真正的最大功率跟蹤”控制，即保證系統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處。本系統水泵電機功率采用SVPWM控制，即可以憑借SVPWM控制技術直接調整光伏陣列的輸出功率，以使太陽能光伏陣列輸出當前日照和環境溫度條件下的最大功率。本系統憑借數字信號控制器有DSP的功能，系統采用實時搜索最大功率點的辦法[4]。實時判斷搜索的方向和計算搜索的幅度以逼近最大功率，最大功率跟蹤控制動態過程如圖5所示。

圖5　　TMPPT最大功率點跟蹤控制過程


　　3　　實驗結果

　　按照上述的設計思想制作了一臺樣機。實驗證明系統可以安全穩定運行，各項功能均可實現，達到了設計目的。圖6是利用SVPWM控制時相電壓的理論波形，圖7是系統在30Hz時A、B兩相相電壓經過RC濾波后的波形,比較圖6和圖7可知，實際得到的波形和理論波形是一致的。圖8是系統帶水泵電機工作在30Hz時，在A相上串接采樣電阻測到的電流波形。實驗驗證了系統構成和控制策略的正確性。



　　4　　結語

　　該系統有如下顯著優點：

　　（1）采用空間電壓矢量控制技術（SVPWM）很好地解決了水泵低頻起動和運行問題；

　　（2）采用一種高效率的新型正激式變換器，其無須去磁繞組，結構簡單，可以有效地提高整機效率；

　　（3）數字信號控制器和IPM智能模塊可以保證控制策略的實現，且使系統體積小，安全可靠； <b