分析dsPIC30F2010控制光伏水泵变频器

      我国西部偏远地区仍有上百万农牧民无电力供应，而且该地区气候干旱，土地荒漠化，草原退化情况越来越严重，采用光伏水泵系统合理地开发地下水资源，对于解决该地区的饮水和农业用水问题，改善生态环境，具有重要意义。而光伏水泵技术的是专用变频器的设计，如何设计和太阳电池阵列相匹配，具备太阳电池功率点跟踪及光伏水泵系统特有的各种保护功能的变频器。

      变频器主要是通过改变输入拖动水泵的电机定子的交流电源频率的大小来实现节电的一种设备，出现供水压力地和断水的情况我想应该是在用水量较大的情况下，因为用水量较小的时候可以将变频器设定的输出频率降低，已达到既满足供水要求又能节电的目的，但当用水量加大了，而此时如果还是保持原有低频率运行就会出现水泵出水量降低，造成供水压力不稳和断水的情况出现，但如果躲过高峰用水期可能这种情况就不会出现，因此我认为在用水高峰期时可以适时提高变频器的输出频率，提升电机的转距，也就加大了电机的出力，可以提高水泵的出口压力和出水量，来满足用水要求。在用水量较小的时候再把变频器的设定频率降低一些，这样搭配还可以节约电能。 

      设计一种基于数字信号控制器(DSC)结构的光伏水泵系统。系统以Mimochip公司推出的dsPIC30F2010芯片为，采用一种实用的功率点跟踪(MPPT)控制方式,实现了太阳电池的真正的功率跟踪(TMPPT)功能；系统主电路DC／DC部分采用结构新颖的推挽正激电路,DC／AC部分采用具有完善保护功能的一体化智能功率模块(ASIPM)。实践证明该系统具有体积小,重量轻，运行可靠稳定等特点。

 

 

     1 系统组成及工作原理

 

      1．1 光伏水泵系统的结构图

由图1可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC／DC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。其中主要包括4部分：太阳电池阵列；具有TMPPT功能的变频器；水泵负载；储水装置。

      1．2 变频器主电路及硬件构成

 

      本系统所采用的主电路及硬件控制框图如图2所示。主电路DC／DC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DC／AC部分采用三相桥式逆变电路。主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)PS12036，系统控制由16位数字信号控制器dsPIC30F2010构成。外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的V／f比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。

      

           1．3主电路选择

 

      对于中小功率的光伏水泵来说，光伏阵列电压大都是低压(24v、36v、48V)，对于升压主电路的选择，人们一般选择推挽电路，因为推挽电路变压器原边工作电压就是直流侧输入电压，同时驱动不需隔离，因此比较适合输入电压较低的场合。但是偏磁问题是制约其应用的一大不利因素，功率管的参数差异和变压器的绕制工艺都有可能使推挽电路工作在一种不稳定状态。基于诸多因素的考虑，本系统采用了结构新颖的推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统)。 经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，因此闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。 dsPIC30F2010简单介绍 Microchip公司通过在16位单片机内巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F数字信号控制器(DSC)同时具有单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。因为它具有的DSP功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。

     由太阳电池阵列的特性曲线(见图4)可知， 在功率点处，dP／dv=O，在功率点的左侧，当dP／dV>O时，P呈增加趋势，dP／dVO时，P呈减少趋势，dP／d v0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dP／dV 3 系统的保护功能设计 1)过流和短路保护功能 由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。 2)欠压保护功能 ASIPM检测下桥臂的控制电源电压，如果电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。 3)过热保护功能 ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，dsPIC通过检测其阻值可以完成过热保护功能。进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏水泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。对于泵类负载，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响水泵使用寿命，手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。总之，基于上述结构的光伏水泵控制器，无论在结构、功能、成本和可靠性等方面都具有明显的优越性和市场竞争力。