高效高性能光伏水泵专用变频器的研究与设计

　　当今，随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位。现在，在我国大西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远地区，很多人喝不到干净的饮用水，而这些地区同时又是太阳能资源非常丰富的地区，因此，在这些地区发展光伏水泵技术具有明显的社会效益和经济效益。然而，目前市场上所售的多为普通变频器，用于本系统中，不能很好地实现各种保护功能，同时也不具备太阳电池的最大功率点跟踪功能，造成太阳电池容量的巨大浪费。本文介绍一种高效高性能的光伏水泵专用变频器。

　　1 光伏水泵系统的组成

　　光伏水泵系统的组成如图1所示。

　　图1 光伏水泵系统组成

　　本系统的主要输入参量为日照强度(Φ)，输出参量为水的流量(θ)，系统总效率为η=Hθ/Φ，其中H为扬程;MPPT和电压变换器部分就是本系统所研究的对象。

　　由图1可知，光伏阵列为系统的能量输入端，当日照强度Φ一定时，其最大输出功率也为定值，本系统所研制的变频器主要实现的功能之一就是使光伏阵列时刻工作在此最大功率点处，即MPPT问题;功能之二是使系统输出电压与负载特性之间的匹配为最优，即电机的恒V/f控制。由以上两个方面可知，在日照强度Φ和太阳电池容量一定的情况下，系统的效率达到最高，即在保持水泵扬程不变的前提下水流量可达到最大。

    2 系统的主电路结构

　　1)电路拓扑

　　系统的主电路拓扑如图2所示。

　　图2 主电路拓扑

　　2)系统的功率器件

　　本系统的功率器件采用功率MOSFET，功率MOSFET为电压控制型单极性器件，没有少数载流子的存储效应，输入阻抗高，动作快，工作频率高，不存在二次击穿，驱动功率小，并且驱动电路简单;同时，由于具有正温度系数，可以自动均衡电流，不会产生过热点，因此，系统采用两个功率MOSFET并联，扩大了电流的容量，从而降低了系统的成本。同时，从主电路中可以检测出太阳电池电压、直流母线电流、电机的U相和V相电流值等，以实现系统的各种保护。

　　3 系统的控制电路

　　3.1 系统的控制电路功能

　　本系统的控制电路是以Intel公司生产的新一代16位单片机80C196MC为控制核心构成的全数字式智能控制电路，其主要功能是在软件的控制下，根据必要的外部信息完成系统的下述各项功能：