1、引言
独立太阳能扬水系统对于解决偏远地区人畜饮水、农业及防护林灌溉等生态问题具有广阔的应用前景，因此得到了广泛的重视。对于采用交流电动机驱动的水泵，需要使用逆变控制器。控制器必须具备以下两个功能：逆变功能—将太阳能电池阵列输出的直流电变换为驱动电动机所需的三相交流电；最大功率点跟踪（mppt）功能—根据光照强度实时调节输出频率、保证系统输出最大功率。与采用“通用变频器＋最大功率点跟踪控制器”的控制系统相比，专用变频器集逆变和最大功率点跟踪控制功能于一体，具有结构简单、可靠性高、动态特性好、成本低等优点。专用变频器的设计除了保证硬件电路和结构满足技术规格要求外，最大功率点跟踪控制规律的设计非常重要。关于最大功率点跟踪算法已有大量的研究成果，并在太阳能扬水系统中得到了很好的推广和应用，例如常压法、扰动观测法（pao）及增导纳法（ict）等等，但这些经典的方法在无蓄电池的太阳能扬水系统中都难以取得理想的控制效果。
国外已有成熟的太阳能扬水专用变频器，如丹麦grundfos公司的solartronic系列产品，但额定电压偏低，无法与国产水泵配套。国内也有相关产品的研究与开发，但由于前几年市场极其有限，未能形成真正意义上的批量产品。而且现有的产品均采用经典的最大功率点跟踪方法，控制特性有待进一步改善。
本开发项目结合新疆哈德地区沙漠高速公路防沙林太阳能扬水滴灌试验系统的研究，提出多重判据和混成最大功率点跟踪法，并根据太阳能电池阵列的参数、微处理器（mpu）的性能，对变频器输出频率的最小步长进行了优化，在此基础上开发出使用定点mpu的专用变频器。为了验证各种方法的控制效果，建立了两套相同的太阳能扬水试验系统进行对比实验和长期连续运行实验。历时两年的实验结果表明：新方法具有更好的动态响应特性和最大功率点跟踪效果；专用变频器各项技术指标优良，性能稳定，可靠性高。
2、独立太阳能扬水系统的构成与特性
本文介绍的独立太阳能扬水系统由图1所示的三个部分组成：太阳能电池阵列、专用变频器和使用鼠笼式三相异步电动机的水泵。基于在太阳能扬水系统中蓄电不如蓄水的设计思路，没有配置蓄电池，达到简化系统、降低成本的目的。
太阳能电池是一种非线性电源，其输出特性与结构、材料、光照强度及环境温度等因素密切相关。图2为输出电压、电流及功率的特性曲线。由图2可知，输出功率存在一个极大值，即最大功率点。输出电流—电压特性则以最大功率点为界，左侧的区域内电流基本保持恒定，称为恒流区，而右侧的区域内电压变化较小，称为恒压区。
专用变频器用于控制水泵转速，其控制电路以mpu为核心，实现直流—交流逆变控制和最大功率点跟踪。在无蓄电池的独立太阳能扬水系统中，水泵所需的功率由太阳能电池直接提供，太阳能电池阵列的直流输出电压随着变频器输出频率的增高而下降。因此通过调节变频器的输出频率，可以对太阳能电池阵列的工作点进行控制。在恒压区内增高输出频率，恒流区内降低输出频率，即可实现最大功率点的跟踪。同时，由于没有蓄电池对直流电压起支撑作用，当水泵转速过高或光照强度迅速降低时，如果不能及时地调低变频器的输出频率，太阳能电池阵列的电压将迅速下降，导致变频器欠压保护动作。因此，对控制器的动态特性提出了更高的要求。
3、专用变频器的设计
3.1 主电路及结构的设计
开发的专用变频器的电路构成与通用变频器相似，如图3所示。其设计要点如下：
（1）太阳能电池阵列输出直流电，可以直接向逆变电路供电。为了防止电流向太阳能电池阵列倒流，在输入电路安装反向阻断二极管。
（2）平波电容对直流电压有一定的支撑作用，有利于改善系统特性。由于输入是直流电压，可以配置较小的电容，为通用变频器的一半甚至更小。
（3）因为主要用于偏远地区，对变频器的可靠性有很高的要求，所以逆变电路全部采用集成度高、可靠性好的智能功率模块。
（4）合理设计滤波和吸收电路，达到与通用变频器相同的抗静电、脉冲群和雷击浪涌干扰的能力。
（5）小功率变频器（2.2kw以下）采用自然风冷，大功率变频器采用强迫风冷，并根据散热器温度控制冷却风扇，减少运转时间，尽可能延长维护周期。
（6）使用的环境条件比较恶劣，采用全金属外壳，防护等级不低于ip53。
3.2 最大功率点跟踪控制规律设计
最大功率点跟踪控制规律需要满足三方面的要求：跟踪速度、跟踪精度及系统稳定性。
在无蓄电池作为电压支撑的独立太阳能扬水系统中，稳定性问题主要是电压稳定问题。控制规律的动态特性稍不理想，就会造成太阳能电池阵列输出电压急剧下降，变频器欠压保护，系统停止运行。而常压法由于直接控制工作点电压，可以较好地解决系统的稳定性问题。其基本原理是近似认为不同条件下最大功率点的电压不变，运行中当实测电压大于设定最大功率点参考电压vref时，增高输出频率；反之，则降低输出频率。输出频率f由式（1）决定，式中δf>0为调频步长。
但vref的选取依赖于太阳能电池阵列的特性，实际运行时可能偏离最大功率点，所以应设法根据系统的运行状态实时地调整参考电压。
在本项目的前期研究中，提出了表1所示的多重判据法，通过检测直流电压和输入电流，直接以δp、δv和δi的符号为判据，调节系统的工作点。由于能够对输出频率调节的控制效果和光照强度变化同时进行判别，克服了经典方法的缺点，系统的动态跟踪特性得到改善。
专用变频器采用多重判据法和常压法相结合的混成最大功率点跟踪控制。多重判据法和常压法交替运行，多重判据法执行周期短于1s，实时跟踪最大功率点，为下一个常压法执行周期（约10s）提供最佳的参考电压值。因此，系统既具有快速的动态跟踪特性，又具有良好的稳定性。
3.3 最小步长优化
在多重判据法执行期间，最小步长δfmin直接影响跟踪精度。如果δfmin过大，会使工作点在最大功率点两侧摆动，跟踪精度低；如果δfmin过小，则其所对应的δv、δi很小，经过电压传感器、电流传感器和a/d转换器后，mpu无法识别，从而造成最大功率点判断错误，系统有可能在低功率点长时间运行。根据太阳能电池阵列、电压/电流传感器和a/d转换器的参数，结合实验结果，可用式（2）对最小步长进行优化。
式中: vo—太阳能电池阵列开路电压
vmp，imp—最大功率点电压与电流
frate—水泵额定运行频率
kv，ki—电压/电流传感器的增益
vad—a/d转换器参考电压
n—a/d转换器位数
3.4 控制电路的设计
控制电路以富士通90f462控制芯片为核心，主要具备下列控制功能：
（1）逆变控制功能。采用两相脉宽调制，在保证输出正弦波电流的同时，减小开关损耗。载波频率可调，出厂设置5khz。
（2）最大功率点跟踪控制功能。根据实测的系统响应特性，为了保证最大功率跟踪功能的正常运行，同时使系统具有尽可能高的响应速度，合理的控制周期为数十毫秒。
（3）全自动运行功能。根据太阳能电池阵列的电压，自动启动或停止系统运行，优化的启动控制减少了重复启动次数。
（4）运行数据存储功能。为了便于对无人值守系统运行状态的监管，控制电路中设有日历和存储芯片，可以保存长达8年的运行数据，并通过操作面板或通讯端口调阅。
（5）水位监控功能。设有多个水位传感器接口，监控蓄水池及深井水位，既防止蓄水池溢出，又防止水泵因空抽运行而过热损坏。
（6）齐全的保护功能。包括欠压保护、过压保护、过流保护和模块过热保护等。
4、实验系统及结果
2004年7月，在清华大学深圳研究生院校园内建成两套完全相同的系统（图4）。每套系统的太阳能电池阵列的峰值功率2200w；变频器额定功率1500w,最高输出频率50hz；三相220v潜水泵的额定输入频率50hz，功率1500w，流量/扬程14（m3/h）/20m；设置4个高度（6、11、16、19m）的出水口用于对比实验。
图5为变频器的输出电流波形，5khz的开关频率保证了输出电流具有良好的正弦波形。
图6为确认多重判据法跟踪特性的实验结果，输出功率曲线与光照强度曲线非常吻合，表明系统具有出色的跟踪特性。
图7为采用混成最大功率跟踪控制的实验结果，在不同的天气状况下均表现良好，尤其在光照强度快速变化时，能够及时调整输出频率，有效控制直流电压，保证系统稳定运行。
经2005年全年运行实验，变频器工作稳定，关键器件的温升均在允许范围内，每套系统全年累计发电1940kw·h，扬水15600m3（扬程11m）。
5、结束语
开发的太阳能扬水专用变频器，性能稳定，可靠性高。采用混成最大功率点跟踪控制，能够满足无蓄电池独立太阳能扬水系统对动态控制特性的要求；全自动运行和数据存储功能，适用于偏远地区无人值守系统的运行与管理；良好的防护结构，保证在恶劣环境中正常使用。系列产品的额定功率从400w至11kw，将组织批量生产和市场推广。
