1. 研究背景与内容
光伏水泵技术作为光伏领域最有发展前景的技术之一,一直以来都是研究的热点,如何提高光伏水泵系统光电转化效率,也一直是光伏领域研究的重点。
要提高光伏水泵群控系统光电转化的效率,就必须保证在任何条件下,光伏阵列始终处于最大功率输出状态。光伏水泵系统中,当已运行的水泵处于饱和运行状态之后,何时开启一台新水泵才能使系统的效率最高是研究的关键 [1] [2] 。如果采用基于模型的阵列功率估算来寻找最优切换点,会过于依赖光伏阵列数学模型的精确度。环境的变化、光伏组件特性不一致等诸多因素都会影响到估算的准确性。为了更准确地获取阵列功率,本文提出了采用非均衡功率扰动搜索阵列的最大功率。本文研究的主要内容有:
1) 在光伏水泵并联系统中,采用非均衡功率扰动搜索光伏阵列的最大功率,获取更加准确的阵列功率。
2) 对已运行的水泵采用比例控制的基础上加入频率闭环,保证搜索过程中的稳定性。
2. 光伏水泵系统的非均衡功率搜索
2.1. 光伏水泵群控系统
光伏水泵群控系统由群控器、光伏阵列、变频器和光伏水泵四部分组成。其中,光伏阵列将太阳能转化为电能为光伏水泵提供运行所需的能量;每台变频器分别控制一台同一功率等级的光伏水泵;群控器作为群控系统的控制中枢与变频器实时通信,采集光伏水泵的运行参数,并向变频器发送指令,进而调度光伏水泵的运行,确保光伏水泵系统在当前光照条件下能够高效地运行 [3] [4] [5] [6] 。
2.2. 非均衡功率的扰动搜索法
在光伏水泵群控系统中,各台水泵的输出功率是相同的,但当已运行的水泵都处于饱和状态后,何时开启一台新的水泵是研究的重点,本文采用非均衡功率的扰动搜索寻找光伏水泵的最优投切点。
该方法在水泵运行达到饱和后,保持已运行水泵频率不变,启动一台未运行的水泵作为功率搜索水泵,功率搜索水泵仅起到搜索阵列最大功率的作用。功率搜索水泵与饱和水泵的输出功率不同,因此称为非均衡扰动搜索。当阵列功率增加到系统的最优切换点时,此时功率搜索水泵与饱和水泵运行于相同状态下,即可达到系统的效率最优。
2.3. 空闲水泵的扰动搜索
如图1所示,假设系统存在3组水泵,水泵1、2处于运行状态,水泵3处于停机状态。各水泵采用
比例控制,水泵1、2的电压给定相等。当阵列功率还不足以使水泵1、2保持满载运行时,由群控器下发水泵1、2的电压给定值调节阵列电压并搜索最大功率点。
如图2所示,随着阵列功率逐渐增加,水泵转速达到饱和,阵列工作点逐渐偏离了最大功率点,由A变为B。由于此时水泵已经处于饱和状态,系统无法搜索阵列的最大功率。因此开启水泵3,搜索阵列最大功率点,保持已运行的水泵1、2频率不变。搜索过程中,阵列工作点逐渐由B向最大功率点C移动。当阵列的最大功率逐渐增大到系统的最优切换点,即同时运行三台水泵的打水量高于两台水泵饱和运行时。此时水泵3完全投入运行,改变其电压给定值,使各水泵频率相等,运行于最大功率点。
2台水泵转速达到饱和,若此时阵列功率开始降低,两台水泵的输出功率逐渐降低,直到阵列功率降至运行一台水泵与两台的最优切换点,此时单独运行一台水泵的打水量要高于同时运行两台,则关停
图1. 群控系统水泵运行状态
图2. 阵列与水泵状态
水泵2,由水泵1单独运行。
图3所示为最大功率搜索过程中的仿真波形,图中水泵1为已运行水泵,水泵2为功率搜索水泵,阵列的最大功率点电压为400 V。图3(a)为水泵1达到50 Hz后,启动水泵2并搜索阵列最大功率的过程。可以看出,先启动水泵1,频率达到50 Hz稳定后水泵1到达饱和,启动水泵2,改变水泵2的电压给定,开始最大功率点的搜索。图3(b)为水泵2搜索过程中阵列电压的变化,可以看出随着水泵2的搜索,阵列电压逐渐向最大功率点靠近,最后达到稳定。
(a)
(b)
Figure 3. Unbalance power disturbing MPPT simulation waveforms
图3. 非均衡功率扰动搜索的仿真波形
![](//html.hanspub.org/file/10-1010212x13_hanspub.png)
Figure 4. Algorithm when tracking MPP
图4. 搜索过程中水泵控制算法
(a)
(b)
Figure 5. Simulation waveforms after sudden drop in array power
图5. 搜索过程中水泵控制算法
3. 搜索过程中的稳定性问题
光伏水泵群控系统在正常的运行过程中,如果受外界因素的影响,可能会出现阵列功率大幅度跌落的情况,此时阵列电压将无法保持稳定,如果处理不当,对正在运行的水泵以及整个系统都会产生很大的影响 [7] [8] [9] [10] 。
为了保持搜索过程中系统的稳定,防止阵列功率大幅跌落导致系统崩溃,我们在比例控制的基础上加入频率闭环,如图4所示。由于频率闭环的作用,消除了功率搜索过程电压波动对水泵输出频率造成的影响。搜索过程中即使阵列功率有较大幅度跌落,系统仍可保持稳定,同时频率闭环退出工作,重新搜索阵列最大功率点。
图5为搜索过程中,阵列功率突然跌落后的仿真波形。从图5(a)中可以看出,由于阵列功率跌落,正在进行功率搜索的水泵2被关停,水泵1从饱和状态跌落,此时由水泵1重新进行最大功率搜索,寻找新的最大功率点。图5(b)为阵列功率跌落前后的阵列电压变化,从图中可以看出,跌落之前水泵2正在进行最大功率点的搜索,由于阵列功率的突然跌落,水泵2停止运行,最大功率搜索停止,但当水泵1开始搜索之后,最大功率搜索重新开始,逐渐向最大功率电靠近,直至达到稳定。
从图5中可以看出,由于水泵采用了比例控制,当功率大幅跌落之后,虽然对整个系统会造成一定的影响,但系统仍然能迅速反应,保持稳定,不会出现系统崩溃的情况,提高了系统的稳定性。
4. 结论
本文采用非均衡阵列最大功率搜索的方法,搜索过程中既不会影响已处在饱和运行状态下的其他水泵,又能够更加准确的找到系统的最优切换点,提高了系统的效率。同时在比例控制的基础上加入频率闭环,降低了系统因外界环境变化崩溃的可能,提高了系统的稳定性,适合在实际工程中使用。