通用變頻器在光伏水泵系統中的應用
引言
“光伏水泵系統”亦稱“太陽能光電水泵系統”，其基本原理是利用半導體太陽能電池將太陽能直接轉換為電能，然后驅動各類馬達帶動水泵從深井、江、河、湖、塘等水源提水。在一些中小功率的光伏水泵系統中，多采用直流無刷電動機作為驅動馬達，但在一些較大功率的光伏水泵系統中亦不乏采用交流異步電動機作為驅動馬達。在交流異步電動機作為驅動馬達的場合，通常采用光伏水泵專用變頻控制器進行控制。
光伏水泵系統的組成
光伏水泵系統通常由太陽能光伏陣列（以下簡稱光伏陣列）、水泵變頻控制器和機泵組成， 其結構框圖如圖1所示
與我們常見的以交流市電作為電源水泵系統不同的是，光伏水泵系統是以太陽能光伏陣列輸出的直流電作為系統的電源供給。太陽能光伏陣列的輸出是一種強烈非線性的直流電源，受日照、環境溫度等氣象條件影響很大。要想光伏水泵系統在任何日照、環境溫度等條件下都能發揮當前光伏陣列輸出功率的最大潛力，就需要一個能使電源和負載之間達到和諧、高效、穩定的工作狀態的控制器。圖1中的變頻器即是實現該功能的，主要是實現MPPT（最大功率點跟蹤）、逆變和一些保護功能。機泵為系統的執行機構，包括驅動電機和水泵，通過調節機泵的轉速即可調整系統負載的大小。
系統的工作原理
太陽能光伏陣列是一種非線性的直流電源，它既非恒流源，也非恒壓源，也不能為負載提供任意大的功率。但在日照一定的前提下，光伏陣列有一個最大輸出功率點，如果系統工作時光伏陣列輸出功率為該點對應的功率值，則系統此時工作在最佳狀態。圖2給出了不同日照強度s下太陽能光伏陣列的i-v曲線。
圖2中：s為日照強度，單位為w/m2。a、b、c、d、e為對應的日照強度下光伏陣列的最大輸出功率點。
在CVT式的MPPT中，工程上可以近似認為不同日照強度下的最大輸出功率點（如圖2中的a、b、c、d、e點）逼近一條直線u=u*=const。也就是說只要光伏水泵系統運行過程中光伏陣列一直保持其輸出電壓為u*=const，就可以保證光伏陣列一直具有在當前日照下的最大功率輸出。
采用變頻器拖動光伏水泵以實現CVT式MPPT控制實際上是運用反饋控制原理，在不同的日照強度下，通過改變變頻器的輸出頻率來調整電機水泵的轉速（即負載大小），從而達到穩定光伏陣列輸出電壓的目的。其控制原理如圖3所示。
圖3中：u*為pi調節器的給定值，亦為CVT給定指令電壓; udc為光伏陣列實際輸出電壓，亦為變頻器的直流側電壓;fset為變頻器頻率給定值; idc為光伏陣列的輸出電流，亦為變頻器的直流側電流。
圖3中pi調節器根據給定誤差輸出變頻器的頻率給定信號，從而改變水泵驅動電動機的轉速，如此也即改變了系統的負載大小。fset越大，電動機轉速越高，系統負載越大;反之，fset越小，電動機轉速越低，系統負載越小。而系統負載的大小直接影響到變頻器的直流側電流即idc的大小。負載越大，idc越大;負載越小，idc越小。這樣就構成如下所述的系統調節過程：當檢測到的光伏陣列輸出電壓udc大于指令電壓u*時，變頻器的頻率給定fset上升，機泵的轉速n也上升，負載增加，光伏陣列的輸出電流idc增加，光伏陣列輸出電壓udc下降直到穩定在工作點u*;當光伏陣列輸出電壓udc小于指令u*時，變頻器的頻率給定fset下降，機泵的轉速n也下降，負載減小，光伏陣列的輸出電流idc減小，光伏陣列輸出電壓udc增加直到穩定在工作點u*。
普傳PI500-S光伏水泵專用變頻器
普傳科技PI500-S系列光伏水泵專業變頻器采用高精度快速MPPT算法，將光伏陣列輸出通過最大功率點追蹤，最大化驅動水泵電機，以滿足各種揚水應用需求。光伏水泵專用變頻器除了支持光伏列陣直流輸入外，還支持交流輸入。當光伏陣列輸出無法驅動電機或者無輸出時，還接受電網交流輸入或者其他交流電機供電，以滿足各種應急需求。
光伏水泵專用變頻器提供全方位保護，最大化提高電機及水泵使用壽命。系統結構圖如圖4所示。
產品特點：
1：內置高精度光伏陣列最大規律點跟蹤MPPT算法干運行狀態監測，處理，達到控制最大化；
2：蓄水池水位控制；水位檢測機構將水井和蓄水池的水位信號通過開關觸點信號送入控制板，根據不同的水位狀態控制變頻器的起停。
3：兼容直流/交流兩種輸入；2種電流輸入保證系統工作的正常運行；
4：LED顯示實時系統狀態與參數；實時控制系統的運行狀態，方便操作；
5：基于RS485的實時遠程監控系統；
6：快速安裝設計，無需額外維護；
7：內置全方位保護及診斷機制。
結束語
光伏水泵系統是目前太陽能光電應用中最具特色的應用領域之一。本文所探討的系統是一種通用變頻器在太陽能光伏水泵系統方面的應用，該系統組成簡單，調試方便，無需專門的采樣單元和保護單元（均由變頻器內部功能來實現），可以實現全自動控制，十分適合于一些邊遠干旱、缺電地區的使用。該系統已成功地在西藏某地得到應用，效果理想。