摘要 介绍一种直流电压输入、三相交流输出的多功能户用光伏水泵变频驱动电源。该电源可选择太阳能电池阵列、蓄电池或风能发现整流输出直流电压作为输入，通过MPPT控制方法实现最大功率点跟踪，从而高效地将太阳能或风能转化为电能来拖动水泵。电源主体包括DC-DC升压和DC-AC变频逆变两部分，同时具有过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护以及自动打干保护等故障保护措施。
关键字 变频；光伏水泵；SVPWM；正激变换器
(Hefei University of Technology；Research Center of PV SystemEngineering of the ministry of Education.Hefei Anhui 230009, China )
LAI Jidong, SUJianhui,ZHANG Guorong
：(Hefei University of Technology；Research Center of PV SystemEngineering of the ministry of Education.
Abstract A kind of multifunctional photovoltaic pum ping inverter can choose secondary cell、photovoltaic panels or commutating electromotive force from windlass mill as its input. The control method of maximal power point tracking is adopted, so that the energy of sun or wind is inverted into electrical potential energy efficiently to drive photovoltaic pump. The device contains DC-DC and DC-AC two parts. A novel complex forward converter is used in the DC-DC part and PS21564 (Intelligent Power Module) is adopted in the DC-AC part. In addition, it has over-voltage and over-current etc protections.
Keywords inverter; photovoltaic pump; SVPWM; forward converter
0 引言
在我国西部及西北地区，水和电力是极为紧张的资源。但该地区有较其他地方更加丰富的太阳能及风能等自然资源，对光伏水泵变频驱动电源的研究正是针对这种状况提出的。因地制宜、扬长避短，直接利用太阳能及风能发电而非传统的水力发电做为水泵的驱动电源来提取地下水资源，当风能及太阳能都不很充足时还可以选用蓄电池作为驱动电源的输入，从而可以很好地解决广大农牧民的生活和农业用水问题。因此，对户用光伏水泵变频驱动电源的研究具有十分重要的利民意义和巨大的商业市场价值。
1 户用光伏水泵变频驱动电源的结构和基本工作原理
1.1 户用光伏水泵系统结构
如图1 所示，用户可以选择风能发电、太阳能电池、蓄电池中的一种作为光伏水泵变频驱动电源的直流电压输入。由于风机、太阳能电池及蓄电池均为低压系列，一般有12、24、36、48V等电压等级，所以在电源中设计了一个DC-DC升压前级电路，升压后作为后级DC-AC逆变电路的输入，再经逆变的交流电作为水泵驱动电机的输入，从而拖动水泵提水。光伏水泵变频驱动电源是其核心。
1.2 户用光伏水泵变频驱动电源硬件结构
如图2所示，电源DC-DC升压环节采用复合式单端正激变换器，DC-AC 逆变后级主电路选择了三菱公司最新生产的智能功率模块PS21564，该款模块采用第5代IGBT工艺，内置优化后的栅极驱动和保护电路。电源的主控芯片，选择了Microchip公司生产的16位单片机Dspic30F2010，此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机。而且该单片机内巧妙地添加了DSP功能，使其同时具有单片机（MCU）的控制功能以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力。芯片外围有电压检测、故障检测以及打干水位检测等电路。
2 主电路拓扑选择及工作过程分析
2.1 DC-DC主电路拓扑选择
在中小功率场合，由于正激变换器具有电路拓扑简单、电压升降范围宽而被广泛应用。但是正激变换器是单向磁化，所以其固有的一个缺点是需要附加电路实现变压器的磁复位。而磁复位绕组使得变压器结构复杂，且功率开关管需承受两倍的电源电压应力。针对这一情况，采用了如图2 所示的一种复合式单端正激变换器，从图中可以明显看到，电路中没有额外的去磁绕组，去磁由连在变压器初次级绕组之间的二极管D1及连在次级绕组的电容C5来完成，这使得高频变压器体积减小、电路简洁。图中C3、C4、C5为关断缓冲电容，延缓功率器件关断时电压的增长速度，减小功率器件的关断损耗。电容数值不可过大，以限制开通时流经功率器件的放电电流，改善主电路的换流工况。C5为聚丙烯类(CBB)薄膜电容，当Q1 关断时，接受电路换流中变压器转移来的激磁能量，同时有隔直作用；当Q1导通时，C5将激磁能量转移到负载上去，使整个电路的功率传输效率得以提高。
2.2 复合式单端正激电路工作过程简单分析
如图2 所示，复合式正激变换器由变压器T、功率管Q1、二极管D1和D2、电容C3 、C4 、C5 和C6 组成。当Q1导通、D1关断、D2导通时，变压器T 副边和电容C5一起向负载供电；当Q1关断、D1关断、D2导通时，由变压器漏磁能量向负载馈送能量；当Q1关断、D1 导通、D2关断时，电路的激磁能量向电容C5 转移。
2.3 DC-AC主功率模块PS21564简介
PS21564 是三菱公司推出的第四代功率模块，它将变频器几乎所有硬件集成到一个模块中，使元器件之间没有了传统的引线相连。其特点包括：内置三相交流输出的IGBT，只需一个15V驱动电源，2种保护，双列直插式封装，不采用任何光耦直接与单片机或其他PWM输出口耦合，从而省略至少6套隔离电路。
3 空间电压矢量PWM（SVPWM）
3.1 磁通正弦PWM 基本原理
现在变频器的PWM控制方法很多,经典的SPWM控制主要是从最初的追求电压正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，空间电压矢量调制算法是利用磁通正弦原理的一种PWM 方法，从电机的角度出发，目的在于使交流电机产生圆形磁场。它是以三相对称正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆为基准，通过选择功率器件的不同开关模式，使电机的实际磁链尽可能逼近理想磁链圆，从而生成SPWM波。
电机的理想供电电压为三相正弦，其表达式为
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按照合成电压矢量的定义（由Park变换）
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为电压空间矢量，与之相似，定义磁链空间矢量为
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为磁链空间矢量，若忽略定子电阻的影响，则可由空间电压矢量对时间积分得到，即
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式中:
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其中，Ψm为电机磁链的幅值，即为理想磁链圆的半径。
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当供电电源保持压频比不变时，磁链圆半径是固定的。
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