光伏水泵用永磁电机设计与性能分析

光伏水泵用永磁电机设计与性能分析

黎吉武

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摘要：现阶段，高精度、高速度以及动态响应性能优良的驱动系统，已经成为一种新的发展趋势。目前，日益严峻的化石能源使用带来的环境污染问题引起世界各国的关注，促使世界各国在节能减排的同时加强推进能源结构变革，逐步深化可再生能源的工程应用的研究。随着社会的不断发展，能源问题日益突出。煤炭、石油等能源不可能长久使用，同时这些能源在使用过程中会带来污染等问题，所以寻求新能源是更为迫切的。本文主要对光伏水泵用永磁电机设计与性能进行分析，详情如下。

关键词：光伏水泵用；永磁电机；设计；性能分析

引言

光伏水泵系统是利用太阳电池光生伏打效应发电,之后通过一系列电力电子、电机、水泵等控制及执行环节从江河湖泊或深井中提水，并对提取的水进行作业灌溉或人畜用水等。由于不需要电网供电或者内燃机驱动，光伏水泵系统成了农村对抗干旱、脱贫致富的绿色抓手，十分适合干旱缺水地区以及偏远缺电、无电地区，如我国西北地区、云贵高原地区。

1光伏水泵的研究意义

作为太阳能光电开发应用的一个重要分支，光伏水泵系统能静音、无污染地将太阳辐射能转化为电能，之后辅以电力电子变换技术控制电动机驱动水泵从江河湖泊或深井中提水。与风力提水、柴油机提水单元相比，光伏扬水无需燃料消耗和大量的机械传动，系统规模可大、中、小并举，具有易安装、低运营成本、清洁无污染等优点，被认为是目前最有可能满足无电、缺电区域保障农作物灌溉和人畜饮水的首选方案。

2光伏水泵多泵控制技术

光伏水泵提水系统是集光、机、电、控制技术等多学科交叉、结合的体现，在太阳电池及电力电子技术的不断进步和突飞猛进发展的时代，光伏取水已慢慢成为一种绿色节能、文明而时尚的产品。光伏水泵系统主要由太阳能电池组件、控制系统与变压环节、驱动电机、水泵和储水系统等组成，太阳能电池组件模块为整个光伏水泵系统提供能源，太阳能电池组件在受到阳光斜射时的光电转换效率低于直射，现有的太阳能光伏水泵的太阳能电池模块大多为固定安装，不可随太阳位置变化而旋转。此外，在系统安装运行过程中，国家目前尚未出台相关标准来规定对光伏水泵系统中的启动功率进行限定,在绝大多数情况下，工程人员只能依靠经验设计技术参数，为了能让提水系统在太阳辐照强度低时能运行畅通良好,在系统配置时往往会加大对太阳能电池组件的配置，这样导致在太阳辐照强度高时能量的损失，并且无形中增加了光伏水泵系统的投入成本。

3光伏水泵用永磁电机设计与性能分析

3.1基于物联网的智能光伏水泵灌溉系统分析

光伏水泵系统是以清洁的太阳能作为动力源，以太阳能电池板为主要设备，经过光电转换，提供电能。之后通过电能管理、电子控制、电机运作、水泵开合等控制执行模块将地下水或者深井水等水源提取出来并进行灌溉的系统。随着信息化技术和电子技术的快速发展，人类对自然能源比如太阳能的利用技术也是突飞猛进，全球的光伏技术也随之发展。光伏的基本工作原理包括大功率的、机械化的跟踪模式，这种模式可以获得光伏阵列的海量数据，以便构建光伏控制模型。通过构造求解方法以及绘制光伏阵列的功率输出曲线，动态调整每一块太阳能光伏阵列的工作参数，并拟合到功率输出曲线中，以此得出光伏阵列的最大功率输出。基于扰动控制的自动巡游跟踪法也是目前研究中应用较广的方法，这种方法不直接检测外部环境的变化，而是直接检测设备内部的光生电流信息，以此保持跟踪最大输出功率。当前对控制算法的应用也较为广泛，如人工智能技术、模糊逻辑控制技术等，结合精密处理器的发展，都提升了光伏阵列的数据追踪功能。随着太阳能利用技术的不断发展，利用太阳能驱动光伏水泵系统在干旱地区的灌溉工作具有明亮的发展前景。电容器充放电功能应用于水泵控制系统中效果非常棒，控制成效明显。自动化工作方式能够解放人力，对太阳能的需求较高，这一系统不仅可以应用于农田灌溉，还可以应用于干旱地区的日常居民用水供水、畜牧业饮用水供给以及鱼塘供水排水等产业。

3.2设计主程序

控制磁链与推力属于其核心，能够直接决定控制系统各类性能。以往控制直接推力的方法为调整推力以及磁链滞环，通过误差进行控制精度的控制，即有差系统。关于这一有差行为，不只是体现在动态，即定子磁链与电磁推力均一直处在升降与比较之间，始终进行不停脉动，唯有平均值才会进行给定值跟踪。基于该理论特征，使其具备较快动态性能的优势，导致脉动较大。以电压预测为基础控制直接推力，依据推力与磁链误差，预测下一时间节点的参考电压，通过调制空间矢量的方法明确开合逆变器的时间，且可以仿真验证该方法将磁链波动和推力降低的实效性。现阶段，一些研究人员把模糊、滑模控制有机结合控制直接推力。主程序首先通过main()函数来执行，其通过DSPBIOS系统进行设计，不同于前后台设计，该函数中不能添加死循环语句，不然系统难以进入到操作系统，从而致使系统出错。main()在这一软件系统中，主要用来初始化各个DSP寄存器、显示各个模块的输入参数与变量、初始定位触发中断。在完成初始化之后，由DSP/BIOS执行程序控制权，通过系统内核来调度任务。

3.3控制技术研究

控制装置内装有可编程控制器、可视化界面。可编程控制器用于接收手动指令输入、液位信号、光照强度信号等，根据控制逻辑启动水泵，并与光伏提灌逆变控制器、可视化界面进行通讯，执行相应控制动作，采集相关运行参数，并在可视化界面上显示系统运行参数。控制系统在分析光伏组件和水泵运行特点基础上，采集光伏组件输出功率、水泵运行状况两方面的反馈数据，通过对自动控制系统的组成、控制参数的选择和算法进行优化，可动态控制水泵机组的起停操作，使参数采集和系统运行满足自动运行的需要。

结语

光伏水泵系统是采用太阳能光伏发电直接供电的提水系统。光伏发电及常规水泵提水是比较成熟的技术，但光伏水泵是一个新的技术方向，由于太阳辐射实时变化，导致光伏发电功率也变化，如何让水泵适应这种变化，同时保持较高工作效率是一个挑战。变频永磁直驱技术，符合国家政策推广的需要，更有利于国家实现“双碳”目标，减轻国家制定的节能减排目标的压力，缩小国内与国外能源利用率的差距，从源头上提高工业生产系统的效率。将对整个电力行业节能改造起到推动和促进作用，利国利民。

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