本發(fā)明涉及水泵驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光伏水泵控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

我國(guó)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)地表水匱乏且缺少傳統(tǒng)市電電網(wǎng)，導(dǎo)致灌溉及民用抽水困難。但這些偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，且蘊(yùn)藏著豐富的地下水資源，為實(shí)施光伏潛水泵抽水灌溉的提供了有利條件。光伏潛水泵系統(tǒng)能夠利用來(lái)自太陽(yáng)能的持久、綠色能源，是一套非常適合用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、沙漠等地區(qū)獨(dú)立抽水的灌溉系統(tǒng)，在生活用水方面，光伏潛水泵還可以用于無(wú)電網(wǎng)地區(qū)的民用抽水。

光伏潛水泵系統(tǒng)利用太陽(yáng)能作為能源輸入，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能光伏電池陣列的光電轉(zhuǎn)換以及電力電子裝置的電力變換，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)水泵抽取地下水。光伏潛水泵系統(tǒng)由光伏陣列、升壓電路、DC-AC變換逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及水泵等組成。光伏潛水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)不論是直流無(wú)刷、異步機(jī)、或永磁同步，都需要交流電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而太陽(yáng)能電池板輸出為直流電，因此必須要有將直流轉(zhuǎn)換為交流的逆變回路。

本發(fā)明的發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)存在以下問(wèn)題：目前光伏潛水泵系統(tǒng)拓?fù)浠芈窞椋和ㄟ^(guò)在水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入端并聯(lián)一個(gè)電解電容來(lái)穩(wěn)定光伏電池板輸出的直流電壓，同時(shí)對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行濾波。當(dāng)采用電容值較小的電容時(shí)，由于該電容的直流電壓穩(wěn)壓和濾波功能較弱，所以造成電池電壓波動(dòng)較大，使得后級(jí)水泵電機(jī)電流亦容易產(chǎn)生較大波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)不能正常工作；當(dāng)采用電容值較大的電容時(shí)，雖然能起到較好的穩(wěn)壓作用，但卻使得電容的體積過(guò)大，不利于逆變器結(jié)構(gòu)布局。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施方式的目的在于提供一種光伏水泵控制方法及裝置，使得可以在無(wú)電容的情況下保證光伏水泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，有利于減小水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的體積。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種光伏水泵控制方法，應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)，所述光伏水泵系統(tǒng)包括：用于提供光伏電能的光伏陣列；直接連接于所述光伏陣列且用于升高母線電壓的升壓電路；以及，用于將所述母線電壓變換為交流電壓以驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)的逆變電路；所述光伏水泵控制方法包括：實(shí)時(shí)檢測(cè)所述光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)；其中，所述工作參數(shù)包括：水泵轉(zhuǎn)速；根據(jù)檢測(cè)到的所述光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制所述升壓電路輸出的母線電壓與所述輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

本發(fā)明的實(shí)施方式還提供了一種光伏水泵控制裝置，應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)，所述光伏水泵系統(tǒng)包括：用于提供光伏電能的光伏陣列；直接連接于所述光伏陣列且用于升高母線電壓的升壓電路；以及，用于將所述母線電壓變換為交流電壓以驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)的逆變電路；所述光伏水泵控制裝置包括：檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)；其中，所述工作參數(shù)包括：水泵轉(zhuǎn)速；第一控制模塊，用于根據(jù)檢測(cè)到的所述光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制所述升壓電路輸出的母線電壓與所述輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

本發(fā)明實(shí)施方式相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)，并根據(jù)檢測(cè)到的光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制升壓電路輸出的母線電壓與輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，由于升壓電路輸出的母線電壓與輸出電壓的倍數(shù)在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，所以可以避免升壓電路的升壓幅度過(guò)大，從而使得光伏陣列輸出電流的波動(dòng)較小，進(jìn)而可以保證光伏水泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

另外，所述預(yù)設(shè)區(qū)間[1.1，1.5]。通過(guò)將預(yù)設(shè)區(qū)間維持在[1.1，1.5]時(shí)，不僅使得直流側(cè)電流紋波波動(dòng)滿足光伏水泵系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求，而且使得采用較低電壓等級(jí)的光伏陣列即可滿足水泵的功率需求，有利于降低系統(tǒng)成本。

另外，所述根據(jù)檢測(cè)到的所述光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制所述升壓電路輸出的母線電壓與所述輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，具體包括：根據(jù)所述水泵轉(zhuǎn)速估算所述升壓電路需要提供的母線電壓最小值；將所述升壓電路的母線電壓與所述光伏陣列的輸出電壓的倍數(shù)控制在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，以使得所述升壓電路的母線電壓大于或者等于所述母線電壓最小值。本實(shí)施方式基于水泵電機(jī)的速度反饋估算出逆變電路所需母線電壓的最小值，并且在判斷出光伏陣列的輸出功率滿足水泵所需功率時(shí)，通過(guò)控制升壓電路的母線電壓大于或者等于逆變電路所需母線電壓的最小值，從而控制母線電壓的光伏陣列輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，不僅能夠滿足逆變電路輸出對(duì)母線電壓的要求，而且使得光伏陣列輸出電流波動(dòng)幅度較小。

另外，在實(shí)時(shí)檢測(cè)所述光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)之前，還包括：跟蹤所述光伏陣列的最大功率點(diǎn)；根據(jù)所述光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率和所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)對(duì)所述水泵電機(jī)進(jìn)行控制。通過(guò)將光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率與水泵電機(jī)的工作參數(shù)相結(jié)合控制水泵電機(jī)的運(yùn)行，使得水泵電機(jī)可以充分利用光伏陣列輸出功率，并保證水泵電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

另外，所述根據(jù)所述光伏陣列的最大功率點(diǎn)和所述水泵電機(jī)的工作參數(shù)對(duì)所述水泵電機(jī)進(jìn)行控制，具體包括：若所述光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率大于或者等于所述水泵電機(jī)的額定輸出功率與預(yù)設(shè)功率值之和，則運(yùn)行速度控制模式；其中，所述速度控制模式用于將所述水泵電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至所述水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；若所述光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率小于所述水泵電機(jī)的額定輸出功率，則運(yùn)行轉(zhuǎn)矩控制模式；其中，所述轉(zhuǎn)矩控制模式用于控制所述水泵電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩跟隨所述光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施本發(fā)明水泵控制方法的光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的光伏水泵控制方法的流程圖；

圖3是圖1所示的光伏水泵系統(tǒng)中光伏陣列和升壓電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖2所示的光伏水泵控制方法中雙閉環(huán)控制的控制流程示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的光伏水泵控制方法的流程圖；

圖6是圖5所示的光伏水泵控制方法的步驟5023中的轉(zhuǎn)矩控制模式下的最大功率點(diǎn)跟蹤的流程圖；

圖7是對(duì)應(yīng)于圖6所示的最大功率點(diǎn)跟蹤的兩點(diǎn)式擾動(dòng)法示意圖；

圖8是圖5所示的光伏水泵控制方法的步驟502中的基于MPPT的id＝0電流策略轉(zhuǎn)矩控制示意圖；

圖9是圖5所示的光伏水泵控制方法的步驟502中的轉(zhuǎn)速控制示意圖；

圖10是圖5所示的光伏水泵控制方法的步驟502中的基于MPPT的MTPA電流策略轉(zhuǎn)矩控制示意圖；

圖11是對(duì)應(yīng)于圖5所示的光伏水泵控制方法的步驟502的基于MPPT的cosφ＝1電流策略轉(zhuǎn)矩控制示意圖；

圖12是圖5所示的光伏水泵控制方法的步驟502中的基于MPPT的異步電機(jī)矢量控制示意圖；

圖13是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的光伏水泵控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方式的光伏水泵控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實(shí)施方式中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒(méi)有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)所要求保護(hù)的技術(shù)方案。

本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種光伏水泵控制方法，其可應(yīng)用于如圖1所示的光伏水泵系統(tǒng)。如圖1所示的光伏水泵系統(tǒng)包括：用于提供光伏電能的光伏陣列101，直接連接于光伏陣列101且用于升高母線電壓的升壓電路102，以及用于將母線電壓變換為交流電壓以驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)104的逆變電路103。其中，升壓電路102采用Boost升壓結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，本實(shí)施方式的光伏水泵控制方法包括：

步驟201：跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

步驟202：根據(jù)光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率和水泵電機(jī)的工作參數(shù)對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行控制。

由于光伏陣列既不是恒壓源也不是恒流源，而是一個(gè)非線性直流電源，再加上其輸出性能易受外界影響，所以可以通過(guò)控制光伏陣列的工作點(diǎn)，保證其輸出功率最大。本實(shí)施方式可以通過(guò)MPPT(Maxmum Power Point Tracking的簡(jiǎn)稱，最大功率點(diǎn)跟蹤)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出電壓，控制光伏陣列的輸出功率為最大值。同時(shí)，還可以控制水泵電機(jī)的功率跟蹤光伏陣列的輸出功率，使得水泵電機(jī)能夠充分利用光伏電能。

步驟203：實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)。其中，水泵電機(jī)的工作參數(shù)包括：水泵轉(zhuǎn)速。

步驟204：根據(jù)檢測(cè)到的光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制升壓電路輸出的母線電壓與輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

步驟204具體包括：

子步驟2041：根據(jù)水泵轉(zhuǎn)速估算升壓電路需要提供的母線電壓最小值。該母線電壓最小值即為滿足水泵工作的逆變電路所需的母線電壓。

子步驟2042：將升壓電路的母線電壓與光伏陣列的輸出電壓的倍數(shù)控制在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，以使得升壓電路的母線電壓大于或者等于母線電壓最小值。

其中，在控制升壓電路進(jìn)行升壓時(shí)，需要考慮升壓電路輸出的母線電壓和光伏陣列的輸出電壓之間的關(guān)系。如圖3所示，Boost升壓電路的輸出電壓V_bus(母線電壓)與電感電流變化量(即光伏陣列輸出電流紋波大小)存在以下關(guān)系式(1)：

其中，V_bus為母線電壓，V_pv為光伏陣列電壓，L為電感大小，T表示開(kāi)關(guān)周期。當(dāng)光伏陣列工作在某一電壓點(diǎn)時(shí)，電感L和開(kāi)關(guān)周期T不變的情況下，電感電流變化量與母線電壓成正比，即母線電壓越高，電感電流紋波越大，導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)越大。為了減小電感紋波電流和輸出功率波動(dòng)，本實(shí)施方式依據(jù)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)動(dòng)態(tài)地將母線電壓與光伏陣列輸出電壓的倍數(shù)控制在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)某一特定值，使得電感紋波電流保持在可接受范圍內(nèi)。在一個(gè)例子中，還可以依據(jù)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)以及光伏陣列最大輸出功率點(diǎn)跟蹤動(dòng)態(tài)地將母線電壓與光伏陣列輸出電壓的倍數(shù)控制在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)某一特定值。經(jīng)過(guò)發(fā)明人反復(fù)驗(yàn)證，針對(duì)輸出電壓等級(jí)較低的光伏陣列，當(dāng)該預(yù)設(shè)區(qū)間為[1.1，1.5]時(shí)，光伏陣列的電感紋波電流較小，且升壓電路的母線電壓也能夠滿足水泵的工作要求。

在一個(gè)例子中，可以根據(jù)光伏陣列的輸出電壓與預(yù)設(shè)區(qū)間中某一特定值的乘積等于升壓電路的母線電壓，通過(guò)判斷該乘積是否大于或者等于母線電壓最小值來(lái)確定是否需要調(diào)節(jié)升壓電路的占空比。例如，當(dāng)該乘積大于母線電壓的最小值時(shí)，則可以維持升壓電路的占空比，當(dāng)該乘積小于母線電壓的最小值時(shí)，則可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小或者調(diào)節(jié)升壓電路的占空比使得該乘積大于或者等于母線電壓最小值。

其中，Boost升壓電路的升壓控制可以采用外環(huán)母線電壓PI調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)。其中，外環(huán)母線電壓PI調(diào)節(jié)即母線參考電壓(如母線電壓最小值)與實(shí)際檢測(cè)到的母線電壓的差值進(jìn)行比例積分PI(PI即proportional integral的簡(jiǎn)稱)調(diào)節(jié)，以得到應(yīng)輸入至升壓電路的參考電流(即光伏陣列的輸出電流)，內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)可以為對(duì)調(diào)節(jié)得到的光伏陣列應(yīng)輸出的參考電流與光伏陣列實(shí)際的輸出電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到升壓電路的占空比，通過(guò)該占空比控制Boost升壓電壓進(jìn)行升壓，從而使得母線實(shí)際電壓跟隨母線參考電壓，滿足逆變電路的電壓要求。圖4為前述外環(huán)母線電壓PI調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)的控制示意圖?，F(xiàn)結(jié)合圖4，對(duì)本實(shí)施方式的光伏水泵控制方法中母線電壓的控制過(guò)程說(shuō)明如下：

通過(guò)電壓傳感器及采樣電路檢測(cè)光伏陣列輸出電壓(V_pv)，計(jì)算光伏陣列開(kāi)路電壓V_oc及CVT電壓值。其中，CVT電壓值＝0.78*V_oc。通過(guò)電流傳感器及采樣電路檢測(cè)光伏陣列輸出電流I_pv，計(jì)算得到光伏陣列功率P_pv＝V_pv*I_pv，并對(duì)P_pv進(jìn)行濾波，作為光伏陣列輸出功率。其中，可以采用CVT電壓值作為升壓電路應(yīng)輸出的參考電壓的初始值(即V_{ref_dc}的初始值)，并根據(jù)光伏陣列當(dāng)前的輸出功率和輸出電壓，以及水泵運(yùn)行速度，不斷更新V_{ref_dc}。其中，V_{ref_dc}通過(guò)自適應(yīng)控制算法計(jì)算得到。其中，自適應(yīng)控制算法包括：獲取水泵轉(zhuǎn)速反饋，基于水泵轉(zhuǎn)速估算逆變電路所需母線電壓最小值，結(jié)合光伏陣列的輸出電壓以及輸出功率，通過(guò)Boost升壓電路將母線電壓與光伏陣列的輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，這樣，既能滿足逆變電路對(duì)母線電壓的要求，又能使光伏陣列輸出電流紋波較小。在自適應(yīng)控制算法中，V_{ref_dc}與光伏陣列輸出功率和輸出電壓存在以下關(guān)系：V_{ref_dc}＝f(P_pv，V_pv，Sp_fbk)，光伏陣列P_pv輸出功率越大，逆變電路可輸出功率就越大，可輸出的水泵速度就越高，V_{ref_dc}就越大，反之，P_pv輸出功率越小，逆變電路可輸出功率就越小，可輸出的水泵速度就越小，V_{ref_dc}就越小，對(duì)于電壓等級(jí)較低的光伏陣列而言，V_{ref_dc}可以基本控制在V_pv*[1.1，1.5]的范圍內(nèi)。

在V_{ref_dc}確定之后，通過(guò)電壓傳感器及采樣電路檢測(cè)母線側(cè)實(shí)際的母線電壓V_{fbk_dc}，對(duì)V_{fbk_dc}與V_{fbk_dc}的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，輸出直流側(cè)參考電流I_{ref_dc}。

然后，通過(guò)電流傳感器及采樣電路檢測(cè)直流側(cè)實(shí)際的輸出電流I_{fbk_dc}，對(duì)I_{ref_dc}與I_{fbk_dc}的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，以PWM(Pulse Width Modulation的簡(jiǎn)稱，脈沖寬度調(diào)制)方式輸出占空比，驅(qū)動(dòng)Boost升壓電路中的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷，使得Boost升壓電路的母線實(shí)際電壓跟隨母線參考電壓。

本實(shí)施方式可以通過(guò)外環(huán)母線電壓PI調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)，使得Boost升壓電路輸出的母線電壓大于或者等于逆變電路所需電壓，從而通過(guò)升壓電壓將光伏陣列的輸出電壓升壓至逆變電路所需母線電壓，滿足水泵工作需要。

采用本實(shí)施方式的光伏水泵控制方法，由于根據(jù)直流側(cè)電流波動(dòng)與升壓電路輸出的母線電壓之間的關(guān)系確定出了母線電壓維持的電壓區(qū)間，從而降低了直流側(cè)的紋波電流，使得后級(jí)水泵電機(jī)的輸出保持穩(wěn)定，因此，本實(shí)施方式通過(guò)對(duì)母線電壓自適應(yīng)(即依據(jù)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)動(dòng)態(tài)地將母線電壓與光伏陣列輸出電壓的倍數(shù)控制在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)某一特定值，使得電感紋波電流保持在可接受范圍內(nèi))控制，不僅可以滿足逆變電路所需母線電壓要求，同時(shí)也起到了穩(wěn)定直流側(cè)電流的作用，所以可以省去Boost升壓電路輸入端的電容，為水泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了空間。同時(shí)，由于通過(guò)MPPT跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，控制母線電壓跟隨光伏陣列的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光伏電壓，所以保證了光伏陣列實(shí)時(shí)輸出最大功率。

本發(fā)明的第二實(shí)施方式涉及一種光伏水泵控制方法。第二實(shí)施方式在第一實(shí)施方式的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：在第二實(shí)施方式中，還通過(guò)對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，并計(jì)算光伏陣列輸出功率是否大于水泵額定功率來(lái)確定水泵電機(jī)的控制方式，使得水泵電機(jī)在充分利用光伏陣列的電能的同時(shí)，保證光伏水泵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

如圖5所示，本實(shí)施方式的光伏水泵控制方法包括：

步驟501：跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

步驟502：根據(jù)光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率和水泵電機(jī)的工作參數(shù)對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行控制。

步驟503：實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)。其中，水泵電機(jī)的工作參數(shù)包括：水泵轉(zhuǎn)速。

步驟504：根據(jù)檢測(cè)到的光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制升壓電路輸出的母線電壓與輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

步驟502具體包括：

子步驟5021：判斷光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率是否大于或者等于水泵電機(jī)的額定輸出功率與預(yù)設(shè)功率值之和，若光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率大于或者等于水泵電機(jī)的額定輸出功率與預(yù)設(shè)功率值之和，則執(zhí)行子步驟5032，若光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率小于水泵電機(jī)的額定輸出功率，則執(zhí)行子步驟5033。其中，預(yù)設(shè)功率值可以根據(jù)水泵額定功率的大小進(jìn)行設(shè)定，預(yù)設(shè)功率值例如可以在水泵電機(jī)額定功率的3％～10％之間取值，在一個(gè)例子中，預(yù)設(shè)功率值例如取5％。通過(guò)增加預(yù)設(shè)功率值可以使光伏輸出功率大小與水泵電機(jī)額定功率的判斷具有滯回功能，避免水泵轉(zhuǎn)矩控制與速度控制頻繁切換，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

子步驟5022：運(yùn)行速度控制模式。

其中，速度控制模式用于將水泵電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

子步驟5023：運(yùn)行轉(zhuǎn)矩控制模式。

其中，轉(zhuǎn)矩控制模式用于控制水泵電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩跟隨光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

步驟501中，可以采用最大功率點(diǎn)跟蹤擾動(dòng)得到光伏陣列的最大功率點(diǎn)，在一個(gè)例子中，根據(jù)光伏陣列輸出電壓和電流計(jì)算得到光伏陣列的輸出功率，并以此為依據(jù)進(jìn)行MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤控制。

如圖6所示，為步驟501中的MPPT的流程圖。其中，采用的MPPT包括：

步驟601：由CVT恒壓控制進(jìn)入MPPT。

其中，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)光伏陣列輸出電壓，計(jì)算光伏陣列開(kāi)路電壓V_oc和CVT電壓，并進(jìn)行CVT恒電壓控制，當(dāng)CVT電壓與光伏陣列的實(shí)際輸出電壓之差小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)(即CVT電壓與光伏陣列的實(shí)際電壓基本相同時(shí))，延遲一段時(shí)間，進(jìn)入MPPT控制。

步驟602：定時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率。

其中，采用電流傳感器檢測(cè)光伏陣列輸出電流，實(shí)時(shí)計(jì)算光伏陣列功率P_pv＝V_pv*I_pv，對(duì)P_pv進(jìn)行濾波，作為光伏陣列當(dāng)前時(shí)刻輸出功率，并記錄上個(gè)時(shí)刻輸出功率。

步驟603：根據(jù)前后兩拍的輸出功率尋找光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

其中，判斷前后兩拍輸出功率大小，動(dòng)態(tài)中尋找光伏陣列的最大功率點(diǎn)時(shí)，可以按照預(yù)設(shè)擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔU定時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率。如圖7所示，若P_i>P_i-1，則U_ref＝U_ref+ΔU，若P_i<P_i-1，則U_ref＝U_ref-ΔU，得到一個(gè)參考電壓U_ref，在尋找過(guò)程中不斷地更新U_ref，使U_ref逐漸逼近每一時(shí)刻光伏陣列的最大功率點(diǎn)的電壓U_m，保證光伏陣列在不同的光照強(qiáng)度和溫度下，MPPT尋找的每一點(diǎn)都是最大功率P_m。

步驟602中，在光照強(qiáng)度和溫度較低的情況下，光伏陣列的輸出功率較小，此時(shí)，可以減小電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔU，在光照強(qiáng)度和溫度較高時(shí)，光伏陣列的輸出功率較大，此時(shí)可以增加電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)ΔU，通過(guò)改變電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)，可以提高M(jìn)PPT的速度和精度。

每一次MPPT擾動(dòng)得到一個(gè)參考電壓U_ref，通過(guò)電壓傳感器檢測(cè)光伏陣列輸出電壓V_pv，對(duì)V_pv進(jìn)行濾波得到U_fbk，兩者做差U_ref-U_fbk后，進(jìn)行電壓PI調(diào)節(jié)。

步驟603中，定時(shí)計(jì)算光伏陣列輸出功率P_pv，并進(jìn)行多次平均濾波得到輸出功率P_{pv_flt}，將P_{pv_flt}與水泵電機(jī)的額定功率P_{e_mot}進(jìn)行比較，在步驟5021中，根據(jù)比較結(jié)果運(yùn)行對(duì)應(yīng)的控制模式。本實(shí)施方式的MPPT采用CVT控制和兩點(diǎn)式擾動(dòng)法相結(jié)合，從而能夠兼顧最大功率點(diǎn)跟蹤的速度和精度。

在子步驟5023中，可以得到最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一個(gè)基準(zhǔn)電壓，對(duì)該基準(zhǔn)電壓與光伏陣列輸出電壓的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩電流給定值，并采用開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制算法控制水泵電機(jī)跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

在運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制模式時(shí)，暫停步驟501中的最大功率點(diǎn)跟蹤擾動(dòng)，對(duì)前述基準(zhǔn)電壓與光伏陣列的輸出電壓的差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到速度補(bǔ)償量，并獲取水泵電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，將該速度補(bǔ)償量疊加至當(dāng)前轉(zhuǎn)速，若疊加后的轉(zhuǎn)速大于或者等于水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，則控制水泵電機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速下的開(kāi)環(huán)速度控制及電流矢量控制；若疊加后的轉(zhuǎn)速小于水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，則對(duì)疊加后的速度進(jìn)行開(kāi)環(huán)速度控制及電流矢量控制。

子步驟5022和子步驟5023之后，返回步驟501，根據(jù)實(shí)際檢測(cè)的最大功率點(diǎn)的輸出功率與水泵電機(jī)的額定輸出功率與預(yù)設(shè)功率值之和之間的關(guān)系判斷是執(zhí)行子步驟5022還是5023。

步驟502中的水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率控制方式既適用于同步電機(jī)，也適用于異步電機(jī)。下面結(jié)合圖8、9、10、11，對(duì)速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式在同步電機(jī)、異步電機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明。

如圖8所示，為隱極式永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式的控制流程圖。

當(dāng)子步驟5021中判斷出最大功率點(diǎn)的輸出功率小于水泵電機(jī)額定輸出功率與預(yù)設(shè)功率值之和時(shí)，速度控制模式被關(guān)閉，開(kāi)啟轉(zhuǎn)矩控制模式。其中，水泵電機(jī)可以采用無(wú)位置傳感器的開(kāi)環(huán)矢量控制模式。電機(jī)的q軸內(nèi)環(huán)采用轉(zhuǎn)矩電流控制，d軸內(nèi)環(huán)采用勵(lì)磁電流控制，因同步電機(jī)為隱極式電機(jī)，故d軸采用id＝0的電流控制策略，q軸外環(huán)采用轉(zhuǎn)矩控制策略。其中，q軸采用MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤擾動(dòng)，得到一個(gè)基準(zhǔn)電壓U_ref，進(jìn)行電壓PI調(diào)節(jié)控制輸出轉(zhuǎn)矩電流參考值，采用開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制模式控制水泵電機(jī)運(yùn)行，開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩控制能夠快速跟蹤光伏陣列最大功率點(diǎn)。

如圖9所示，為隱極式永磁同步電機(jī)采用速度控制模式的控制流程圖。當(dāng)子步驟5021中判斷出最大功率點(diǎn)的輸出功率大于或者等于水泵電機(jī)額定輸出功率時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制模式被關(guān)閉，開(kāi)啟速度控制模式。即暫停MPPT擾動(dòng)，記憶此刻擾動(dòng)基準(zhǔn)電壓U_*ref，將基準(zhǔn)電壓U_*ref與實(shí)際輸出電壓的差值進(jìn)行PI控制，輸出速度補(bǔ)償量，與電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行速度SP_*ref進(jìn)行疊加，并將兩者速度疊加后作為速度給定值，速度給定限幅最大值為電機(jī)額定速度，當(dāng)速度給定值達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，控制水泵電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)判斷出最大功率點(diǎn)的輸出功率小于水泵電機(jī)的額定功率時(shí)，再開(kāi)啟轉(zhuǎn)矩控制模式，關(guān)閉速度控制模式，因此，本實(shí)施方式可以在光伏陣列的最大功率點(diǎn)不滿足水泵電機(jī)額定輸出需求時(shí)，控制水泵電機(jī)跟隨最大功率點(diǎn)進(jìn)行功率輸出，在光伏陣列的最大功率點(diǎn)滿足水泵電機(jī)的額定輸出需求時(shí)，控制水泵電機(jī)定速運(yùn)行，保證電機(jī)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，提高光伏陣列電能利用效率。

永磁同步電機(jī)電流控制方法除了id＝0控制策略外，還有最大轉(zhuǎn)矩最小電流比控制MTPA控制，功率因數(shù)等于1即cosφ＝1等常見(jiàn)控制方法。如圖10所示，為MTPA控制與MPPT控制相結(jié)合的水泵電機(jī)控制方法流程圖。如圖11所示，為cosφ＝1與MPPT控制相結(jié)合的同步電機(jī)控制方法流程圖。如圖12所示，為MPPT與電流矢量控制相結(jié)合的異步電機(jī)控制方法流程圖。

本實(shí)施方式將MPPT控制與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制方法相結(jié)合，使得電機(jī)能夠在充分利用光伏陣列的最大輸出功率的同時(shí)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實(shí)現(xiàn)時(shí)可以合并為一個(gè)步驟或者對(duì)某些步驟進(jìn)行拆分，分解為多個(gè)步驟，只要包含相同的邏輯關(guān)系，都在本專利的保護(hù)范圍內(nèi)；對(duì)算法中或者流程中添加無(wú)關(guān)緊要的修改或者引入無(wú)關(guān)緊要的設(shè)計(jì)，但不改變其算法和流程的核心設(shè)計(jì)都在該專利的保護(hù)范圍內(nèi)。

本發(fā)明第三實(shí)施方式涉及一種光伏水泵控制裝置，應(yīng)用于如圖1所示的光伏水泵系統(tǒng)。如圖1所示的光伏水泵系統(tǒng)包括：用于提供光伏電能的光伏陣列101，直接連接于光伏陣列101且用于升高母線電壓的升壓電路102，以及用于將母線電壓變換為交流電壓以驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)104的逆變電路103。其中，升壓電路102采用Boost升壓結(jié)構(gòu)。

如圖13所示，本實(shí)施方式的光伏控制裝置300包括：

跟蹤模塊301，用于跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

檢測(cè)模塊302，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)，該工作參數(shù)可以包括：水泵轉(zhuǎn)速。

第一控制模塊303，用于根據(jù)檢測(cè)到的光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制升壓電路輸出的母線電壓與輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

第二控制模塊304，用于根據(jù)光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率和水泵電機(jī)的工作參數(shù)對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行控制。

其中，預(yù)設(shè)區(qū)間根據(jù)Boost升壓電路輸出的母線電壓與光伏陣列的輸出電壓之間的關(guān)系確定：

Boost升壓電路的輸出電壓V_bus(母線電壓)與電感電流變化量存在以下關(guān)系式(1)：

其中，V_bus為母線電壓，V_pv為光伏電池電壓，L為電感大小，T表示開(kāi)關(guān)周期。當(dāng)光伏陣列工作在某一電壓點(diǎn)時(shí)，電感L和開(kāi)關(guān)周期T不變的情況下，電感電流變化量與母線電壓成正比，即母線電壓越高，電感電流紋波越大，導(dǎo)致輸出功率波動(dòng)越大。為了減小電感紋波電流和輸出功率波動(dòng)，本實(shí)施方式將母線電壓與光伏陣列輸出電壓的倍數(shù)控制在在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，使得電感紋波電流保持在可接受范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)發(fā)明人反復(fù)驗(yàn)證，該預(yù)設(shè)區(qū)間為[1.1，1.5]時(shí)，電感紋波電流波動(dòng)不影響光伏水泵系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

第一控制模塊303采用外環(huán)母線電壓PI調(diào)節(jié)和內(nèi)環(huán)電流PI調(diào)節(jié)，既可保證Boost升壓電路輸出母線電壓與光伏陣列輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)，從而保證直流側(cè)電流紋波最小，同時(shí)通過(guò)第二控制模塊304通過(guò)跟隨跟蹤模塊301檢測(cè)到的光伏陣列的最大功率點(diǎn)，還可以使得水泵電機(jī)充分利用光伏電能。

采用本實(shí)施方式的光伏水泵控制裝置，由于根據(jù)直流側(cè)電流波動(dòng)與升壓電路輸出的母線電壓之間的關(guān)系確定出了母線電壓與光伏陣列的輸出電壓的倍數(shù)所在的合理區(qū)間，從而降低了直流側(cè)的紋波電流，既能滿足后級(jí)逆變驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)運(yùn)行所需的母線電壓，又能使得光伏系統(tǒng)穩(wěn)定輸出。因此，本實(shí)施方式通過(guò)對(duì)母線電壓進(jìn)行控制，起到了穩(wěn)定直流側(cè)電流的作用，所以可以省去Boost升壓電路輸入端的電容，為水泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了空間。同時(shí)，由于通過(guò)MPPT跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)，保證了光伏陣列實(shí)時(shí)輸出最大功率。

不難發(fā)現(xiàn)，本實(shí)施方式為與第一實(shí)施方式相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)實(shí)施例，本實(shí)施方式可與第一實(shí)施方式互相配合實(shí)施。第一實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第一實(shí)施方式中。

值得一提的是，本實(shí)施方式中所涉及到的各模塊均為邏輯模塊，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)邏輯單元可以是一個(gè)物理單元，也可以是一個(gè)物理單元的一部分，還可以以多個(gè)物理單元的組合實(shí)現(xiàn)。此外，為了突出本發(fā)明的創(chuàng)新部分，本實(shí)施方式中并沒(méi)有將與解決本發(fā)明所提出的技術(shù)問(wèn)題關(guān)系不太密切的單元引入，但這并不表明本實(shí)施方式中不存在其它的單元。

本發(fā)明第四實(shí)施方式涉及一種光伏水泵控制裝置。第四實(shí)施方式在第三實(shí)施方式的基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：在第四實(shí)施方式中，通過(guò)第二控制模塊控制水泵電機(jī)跟隨光伏陣列的最大功率點(diǎn)，從而可以在充分利用光伏陣列的輸出功率的同時(shí)，保證光伏水泵系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

如圖14所示，本實(shí)施方式的光伏控制裝置300包括：

跟蹤模塊301，用于跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

檢測(cè)模塊302，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)，該工作參數(shù)可以包括：水泵轉(zhuǎn)速。

第一控制模塊303，用于根據(jù)檢測(cè)到的光伏陣列的輸出功率、輸出電壓以及水泵電機(jī)的工作參數(shù)控制升壓電路輸出的母線電壓與輸出電壓的倍數(shù)維持在預(yù)設(shè)區(qū)間內(nèi)。

第二控制模塊304，用于根據(jù)光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率和水泵電機(jī)的工作參數(shù)對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行控制。

其中，第二控制模塊304包括：

判斷子模塊3041，用于判斷光伏陣列的最大功率點(diǎn)的輸出功率是否大于或者等于水泵電機(jī)的額定輸出功率與預(yù)設(shè)功率值之和，并在大于或者等于時(shí)，觸發(fā)速度控制子模塊3042，在小于水泵電機(jī)的額定輸出功率時(shí)，觸發(fā)轉(zhuǎn)矩控制子模塊3043。

速度控制子模塊3042，用于將水泵電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至水泵電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)矩控制子模塊3043，用于控制水泵電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩跟隨光伏陣列的最大功率點(diǎn)。

本實(shí)施方式將MPPT控制與水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制方法相結(jié)合，使得電機(jī)能夠在充分利用光伏陣列的最大輸出功率的同時(shí)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

由于第二實(shí)施方式與本實(shí)施方式相互對(duì)應(yīng)，因此本實(shí)施方式可與第二實(shí)施方式互相配合實(shí)施。第二實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)在本實(shí)施方式中依然有效，在第二實(shí)施方式中所能達(dá)到的技術(shù)效果在本實(shí)施方式中也同樣可以實(shí)現(xiàn)，為了減少重復(fù)，這里不再贅述。相應(yīng)地，本實(shí)施方式中提到的相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)也可應(yīng)用在第二實(shí)施方式中。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，該程序存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一個(gè)設(shè)備(可以是單片機(jī)，芯片等)或處理器(processor)執(zhí)行本申請(qǐng)各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤(pán)等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。