一种大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算法.pdf

本发明公开了一种大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算法，具备宽光照范围内运行、弃光少、出水量大、易冗余且可靠性高等优点的大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算法。本发明的有益效果在于适用于大功率光伏水泵提水系统，通过采用小功率光伏水泵单元冗余匹配分担大功率光伏阵列功率输出的方式，确保系统在光照强度较低情况下仍然可实现提水，从而提高系统运行效率以及对太阳能的利用率，尽可能减少甚至避免弃光情况的发生。此外，采用出水量优化控制算法，确保系统在不同工况下均保持出水量最大。

权利要求书
1.  一种大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算法，其特征在 于，步骤包括：
(1)确定k光伏水泵运行台数的最小运行数kmin和最大运行数量 kmax；
(2)计算kmin情况下Qpv系统出水量；
(3)在kmin基础上增加单元个数k直至kmax，计算此时的Qpv并和 前一次Qpv进行对比；
(4)找到Qpv最大时所对应的k；
(5)大功率光伏水泵系统根据(4)获得的k进行控制。

2.  根据权利要求1所述的大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控 制算法，其特征在于，上述kmin、kmax的确定是根据kmin≤k≤kmax， 其中ceil和floor分别表示向上和向下 取整，Ppv为光伏阵列输出功率，Ps为单个水泵输出约束功率，Pmin为 单个水泵输出最低功率。

3.  根据权利要求2所述的大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控 制算法，其特征在于，水泵转速n与单个水泵功率Pu三次方成正比即 n＝f(Pu)，确定水泵最低转速nmin。

4.  根据权利要求3所述的大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控 制算法，其特征在于，nmin＝max(nmin1,nmin2)，nmin1＝0.6nmp，nmp为水泵额 定转速；nmin2为水泵实际运行最小扬程对应的最低转速。

说明书一种大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算法
技术领域
本发明涉及一种大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算 法。
背景技术
光伏水泵系统利用太阳能作为能源输入，可不依赖于电网而独立 工作，将该系统应用于那些阳光资源丰富又远离大电网的边远地区， 可很好地解决当地生活用水及农牧业用水问题。而对于农业灌溉等用 水需求大及地下水埋深的情况，往往需要采用大功率光伏水泵系统才 能满足需求。在大功率光伏水泵系统中，为获得所需电压和功率等级， 一般采用太阳能电池串并联组合而成的光伏阵列提供直流电，电力变 换装置采用单一功率单元结构或多功率单元结构。采用单一功率单元 系统结构如图1所示，系统采用光伏阵列1供电，配备一个与之功率 相匹配的变频器2作为电力变换装置，驱动同一功率等级电机以带动 光伏水泵3提取地下水。这一系统的优点是系统配置结构简洁，控制 方式简单，仅由变频器自身即可完成系统的自动运行控制。然而，这 一系统结构也存在以下不足：1)弃光严重。由于系统功率等级高， 系统需要较大功率来克服自身电机及水泵空载运行转矩。由于采用大 功率变频器作为电力变换装置，变频器中高功率等级功率器件以及变 压器损耗较大。这样，在光照较低时，会出现由于光伏阵列输出功率 不足以克服光伏水泵启动转矩，而使系统停止工作，产生弃光现象， 单元功率等级越高弃光越严重。2)出水量不高；受弃光影响，系统 仅在光照强时段内运行提水，这就造成系统对光照强度过于依赖，系 统出水量低。3)冗余性差。采用单一电力变换装置的大功率光伏水 泵系统结构，在所需功率等级发生变化时，变频器、光伏水泵及驱动 电机需要随之改变以匹配功率等级需求。一旦功率等级需求发生变 化，系统电力变换装置以及水泵都须重新设计，系统扩展性较弱。4) 可靠性不高。由于该系统采用单一变频器和光伏水泵结构，只要中间 某一环节出现故障，系统就不得不停止工作。如其中的变频器、水泵 电机或水泵，任何一个部件损坏都将致使系统无法运行，系统停止供 水。
对于采用多功率单元光伏水泵系统，为在不同光照条件下获得光 伏阵列最大功率输出，单元变频器一般带有光伏阵列最大功率跟踪功 能，通过对光伏阵列输出电压控制，使系统在不同光照条件下实现最 大功率运行。然而，若系统所有单元均同时工作且进行最大功率跟踪， 即每个单元都对光伏阵列电压进行调节以使本单元实现对光伏阵列 的最大功率跟踪，这可能会导致光伏阵列输出电压波动大，甚至引起 整个系统的失稳。另外，在光照较弱情况下，所有单元同时工作会导 致光伏阵列输出功率主要用于克服单元的自身损耗，无法提水，产生 弃光现象，系统出水量少。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大功率光伏水泵系统群控 出水量最大化控制算法，弃光少、出水量大、冗余性好且可靠性高， 可通过简单增减功率单元的方式来满足不同功率等级需求，系统可在 宽范围光照条件下工作，在某个单元出现故障时，系统仍可完成提水 工作。而且，通过出水量优化控制算法，系统在不同功率条件下均可 实现出水量最大，确保系统高效运行，极大提高系统提水量。
本发明是通过以下技术方案来实现的。
一种大功率光伏水泵系统群控出水量最大化控制算法，步骤包 括：
(1)确定k光伏水泵运行台数的最小运行数kmin和最大运行数量 kmax；
(2)计算kmin情况下Qpv系统出水量；
(3)在kmin基础上增加单元个数k直至kmax，计算此时的Qpv并和 前一次Qpv进行对比；
(4)找到Qpv最大时所对应的k；
(5)大功率光伏水泵系统根据(4)获得的k进行控制。
进一步地，上述kmin、kmax的确定是根据kmin≤k≤kmax， 其中ceil和floor分别表示向上和向下 取整，Ppv为光伏阵列输出功率，Ps为单个水泵输出约束功率，Pmin为 单个水泵输出最低功率。
进一步地，水泵转速n与单个水泵功率Pu三次方成正比即 n＝f(Pu)，确定水泵最低转速nmin。
进一步地，nmin＝max(nmin1,nmin2)，nmin1＝0.6nmp，nmp为水泵额定转速； nmin2为水泵实际运行最小扬程对应的最低转速。
本发明的有益效果：
1、本发明系统在相同输出功率条件下系统出水量更大。
2、本发明系统可在更宽的光照条件下工作运行，系统运行效率 高。
3、本发明系统易于冗余，根据不同功率等级要求，只需要增减 单元个数就可满足需求。
附图说明
图1为大功率光伏水泵系统结构示意图；
图2为本发明大功率光伏水泵系统控制方案示意图；
图3为本发明光伏水泵系统群控策略示意图；
图4为变速调节时水泵的工作特性曲线示意图；
图5为本发明光伏水泵群出水量最大寻优算法示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
光伏水泵系统利用太阳能作为能源输入，经过太阳能电池的光电 转换以及电力电子装置的电力变换，驱动电机带动水泵抽取地下水。 作为以提取地下水为目的的光伏水泵系统，为使系统高效运行，主要 需满足两点：一是尽可能多地将太阳能转化为电能；二是在功率一定 情况下系统出水量最大。
本发明大功率光伏水泵系统配置方案如图2所示，系统采用小功 率水泵单元冗余匹配大功率光伏阵列结构形式，通过增加上位机监控 实现对所有单元的统一控制。光伏水泵系统群控制策略框图如图3所 示，上位机通过监测光伏阵列电压电流，实现对阵列最大输出功率跟 踪控制，最大功率跟踪控制输出单元水泵频率。此外，出水量寻优算 法根据光伏阵列输出功率，计算所需运行光伏水泵单元个数，输出控 制器据此控制单元运行个数，实现在不同功率输出下保持系统出水量 最大。出水量最大化寻优控制算法如图5所示，下面介绍出水量寻优 控制算法实现过程。
在光伏阵列输出功率一定情况下，可有不同数量单元水泵来匹配 该功率输入，具体可用数学表达式(1)来表示。
Ppv＝kPu          (1)
式中Ppv为光伏阵列输出功率，Pu为单元输出功率，k光伏水 泵运行台数。
从式(1)可得，光伏水泵单元输出功率Pu＝Ppv/k，在光伏阵列输 出功率Ppv一定情况下，单元输出功率Pu由运行台数k决定。换句话 说，系统为匹配光伏阵列输出功率Ppv，可有不同单元组合方式，那 么如何选择一种方式可使系统出水量最大？下面通过考虑系统约束 条件，推导出一种以出水量最大为目标的控制算法。
光伏水泵系统中，水泵转速一般不低于其额定转速60％，即调 速范围为：
nmin1≤n≤nmp          (2)
式中nmp为水泵额定转速，nmin1＝0.6nmp。
为确保光伏水泵系统正常提水，系统除须满足水泵自身转速要 求，还需满足一定扬程条件及水泵管路系统要求。不同转速n下光伏 水泵出水量Q与扬程H的关系曲线示意图如图4所示。图中曲线1、 2分别为转速n1、n2时水泵特性曲线，曲线3为水泵管路系统特性 曲线，该曲线与水泵出水量-扬程关系曲线的交点即为水泵运行工况 点。为使光伏水泵扬程不低于所需最小扬程，水泵实际运行转速n应 该大于该最小扬程对应的最低转速nmin2，即水泵转速还需满足约束 条件
n≥nmin2          (3)
因此，为确保系统在满足扬程条件下实现提水，既要满足水泵工 作在允许的调速范围，又要满足扬程要求，因而水泵最最低转速为：
nmin＝max(nmin1,nmin2)        (4)
光伏水泵系统中，水泵转速与功率三次方成正比列关系，这里用 函数关系式(5)表示：
n＝f(Pu)           (5)
对于水泵系统，通过实验可获得转速与功率对应关系，如表1所 示：
表1 n＝f(P)函数表
P P1 P2 P3 ··· Ps n n1 n2 n3 ··· ns
根据转速功率函数表n＝f(P)，可获得满足水泵自身特性要求及 满足最小扬程要求最低转速nmin1，nmin2对应的单元功率Pmin1，Pmin2。 同时，受单元功率等级约束Pu≤Ps。换句话说，为保证系统正常提水， 水泵单元功率Pu须满足以下条件：
P min 1 ≤ P u ≤ P s P min 2 ≤ P u ≤ P s - - - ( 6 ) ]]>
令Pmin＝max(Pmin1,Pmin2)，则式(6)等价于：
Pmin≤Pu≤Ps          (7)
光伏阵列输出功率Ppv一定时，由式(1)可求得单元功率 Pu＝Ppv/k，将其代入式(7)可求得运行单元个数与功率间关系式为：
P pv P s ≤ k ≤ P pv P min - - - ( 8 ) ]]>
同时，为了满足单元个数k为整数要求，令 ceil和floor分别表示向上和向下取整， 则
kmin≤k≤kmax          (9)
以上基于功率平衡原理推导了在光伏阵列输出功率一定情况 下，可投入运行光伏水泵单元个数范围。在满足功率守恒条件可运行 光伏水泵单元个数k中，选择几个单元系统出水量最大？下面从系统 出水量角度出发，推导水量与光伏水泵单元个数的函数关系。
假设系统中个光伏水泵单元功率等级相同，单元的出水量为Qu， 则k个单元运行的系统出水量Qpv为：
Qpv＝kQu          (10)
基于水泵原理特性，水泵出水量Qu与水泵转速n成正比列关系， 假设比例系数为α，则单元水泵出水量与转速间关系可用式(11)表 述，
Qu＝αn          (11)
由式(5)、(10)以及(11)可得出水量与功率间函数关系式 为：
Qpv＝αkf(Pu)          (12)
结合式(1)可得，
Q pv = αkf ( P pv k ) - - - ( 13 ) ]]>
从上式可看出，在光伏阵列输出功率Ppv与比例系数α一定情况 下，出水量为关于单元开启个数k的函数，要实现出水量Qpv最大， 即为找到一个k使Qpv最大，即

s.t.Kmin≤k≤Kmax，k∈int    (14)
本发明出水量最大化寻优控制算法流程如图5所示，首先根据单 元水泵转速功率表以及转速出水量比例系数α，基于水泵最低转速 nmin1，nmin2确定单元最小功率Pmin1和Pmin2，再根据光伏阵列输出功率 Ppv计算开启单元个数边界kmin,kmax。为保证系统正常运行，单元最 小单元功率取Pmin＝max(Pmin1，Pmin2)，最小功率Pmin1，Pmin2对应最大单元 个数分别为kmax1＝Ppv/Pmin1,kmax2＝Ppv/Pmin2，则运行单元个数最大为 kmax＝min(kmax1,kmax2)。若单元以最大输出功率运行，即当单元在额定功 率Ps下运行时，对应开启单元个数最小kmin。因此，系统光伏水泵 单元运行个数范围为kmin≤k≤kmax。基于该可运行单元个数范围，结 合出水量与光伏阵列输出功率间函数关系式，可进行出水量Q最大 化寻优计算。具体过程为：首先基于最小单元运行个数kmin计算出水 量，然后依次增加单元个数k进行出水量Q计算，并与前一次出水 量计算值进行比较，直到找出出水量最大值对应单元个数k，寻优计 算结束。然后，系统根据优化计算所得单元个数进行控制，从而确保 不同光伏阵列输出功率条件下出水量最大。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟 悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限 制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修 饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。