[发明专利]一种高效全自动光伏水泵系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏水泵，具体涉及一种基于智能控制算法实现MPPT的高效全自动光伏水泵系统，涉及到太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水泵、计算机控制、检测技术与自动化装置等多个学科的最新技术问题。

背景技术

光伏水泵系统,具有无污染、全自动、运行成本低等优点，其基本工作原理是利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，然后通过控制器驱动电机带动水泵运行，特别适用于无电地区经济作物灌溉、温棚作物的种植；我国是农业大国，对灌溉的需求量比较大，光伏水泵可以满足国内干旱地区灌溉的要求，同时也是解决供水、饮水、荒山绿化、水土流失最佳方案，具有巨大的经济效益和环境效益。

国内对光伏水泵的研究起步较晚，到90年代左右，由于国家的优惠政策和扶持措施，国内涌现了一批致力于光伏水泵系统的研究单位，其中主要有：合肥工业大学的教育部光伏技术中心、北京太阳能研究所等；部分国内研究者已研究了独立光伏水泵系统配置的方法，探索了软件实现最大功率跟踪的途径，并完成全数字式的光伏水泵系统控制器的样机设计，分别在青海的海西州都兰县巴隆乡、新疆石河子市北泉镇等地建立起了数个光伏水泵系统的试验点，经过较长时间的观察测试，系统基本运行稳定，能初步解决当地的农业灌溉或饮水问题，显示了巨大的和广阔的应用前景。

虽然光伏水泵系统已得到初步的发展，但是还存在如下的问题：

1.目前，市场上的光伏水泵样机都是基于扰动观察法实现太阳能电池的最大功率工作点的跟踪，该方法在到达最大功率点附近之后，存在左右振荡的现象，造成能量损耗；尤其在气候条件变化频繁时，情况更为严重，会存在跟踪误判的现象，不能实现对光伏阵列最大功率点快速、准确跟踪，系统效率低，不能充分利用太阳能。

2.普通光伏水泵系统大多由光伏电池厂家提供，所选叶片泵扬程较低，不能符合部分地区高扬程要求，且泵的效率一般较低；另外，选用通用的电机和水泵，在运行中经常因匹配性不好而出现各种故障。

因此，亟待开发能够新型高效全自动水泵系统，克服上述缺点；一方面，要研究自适应MPPT算法，使之完成对光伏阵列最大功率点的快速稳定的跟踪；另一方面，有针对性对水泵的负载特性进行专门的研究，开发出小功率、高扬程、高效率的专用水泵，使之在不同环境下，仍具有较高的扬程和系统效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光伏MPPT控制器不能实时准确跟踪最大功率工作点和光伏水泵效率低等缺陷，公开了一种基于神经网络的光伏MPPT预测控制的高效全自动光伏水泵系统。

本发明采用如下技术方案：一种高效全自动光伏水泵系统，由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变桥、直流无刷电机、蓄电池、反电势检测电路、隔离电路、驱动电路、Atmega128控制器、光伏水泵和液位传感器组成，光伏阵列的输出端子连接DC/DC变换器的输入端， DC/DC电路输出端连接蓄电池和DC/AC逆变桥的输入端；Atmega128控制器的输出端接入隔离电路，隔离电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接DC/AC变换器输入端，DC/AC逆变桥的输出端分别接无刷直流电机、反电势检测电路的输入端，反电势检测电路的输出端接Atmega128控制器，直流无刷电机的输出端接光伏水泵，进行深井抽水，液位传感器的输出端接Atmega128控制器，将当前液位传给控制器，实现对液位的实时检测。

所述Atmega128控制器要实现的功能主要有：基于神经网络的光伏MPPT预测控制、PID控制、PWM信号的产生模块、直流无刷电机控制、电流电压的检测、水位打干检测和显示操作模块。

高效全自动光伏水泵系统的控制方法按照如下步骤进行：

（1）Atmega128控制器完成初始化后,依次对水泵的输出端的电流值、电压值进行采样，判断电压、电流参数是否正常，若参数不正常，对系统实行停止的操作。  

（2）若参数正常，控制器调用基于神经网络的光伏MPPT预测控制算法，通过神经网络模型训练光伏阵列的光强、温度的样本数据，训练完成后的数据就是所预测的光伏阵列的最大电压工作电压Uom。

（3）将实际输出电压Udc与最大功率点工作电压Uom的比较值输入到Atmega128控制器的PID调节器，改变控制器的内部定时器生成的PWM波的占空比，从而对DC/DC变换器进行直流斩波，调整实际输出电压Udc，使光伏阵列工作在最大功率点。