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摘要：本文介绍了一种基于PID调节的远程光伏水泵控制系统。采用动态PID算法的综合控制方法，可以有效提高系统的效率及稳定性的方法，实现系统高效跟踪与稳定运行。本文描述了系统的组成结构并给出了核心部件控制器的详细设计方案。
关键词：光伏水泵控制系统；设计；实现
一、引言
太阳能是新能源领域最具潜力的可再生能源，光伏扬水是太阳能最具应用潜力的领域之一。“阳光抗旱提水工程”是省委省政府“兴水强滇”战略的重要组成部分，2011年以来，阳光抗旱提水工程采用光伏水泵控制系统在我省已推广应用多年，至今为止，工作效率低，稳定性差是制约其推广的主要瓶颈。而实际应用表明，现有光伏水泵控制系统的效率一般在70%左右。现有光伏水泵控制系统跟踪功率的途径主要采用对太阳能光伏发电系统的工作电压的跟踪进而调节变频器频率的方法，通常采用对变频器进行中间平均电压设置的方法，理论计算和实际测试表明，这种方法存在12%的误差。因此，现有的功率跟踪方式单一，效率低下，需要进一步采用新的最大功率跟踪方法。本文提出了一种新的控制方法。
二、研究的意义与必要性
目前通过调整变频器的电压和频率已经可以实现MTTP最大输出功率跟踪，研究表明380V电机光伏方阵在冬天和夏天，早间和下午，极限条件下光伏方阵MTTP电压会有近80伏的变化，而目前基于变频器的水泵控制系统多数采用中间平均电压法，这样，就导致在很多时间和季节系统不能运行在最大输出功率点，同时每天早晚温差都会有12%的输出功率误差。根据目前光伏提水系统的应用情况，在太阳能光伏电池组件、变频器、水泵的基础上建立控制模型及控制算法，并设计控制器，实现对系统多点跟踪取样，针对设计的控制模型及组态，设计基于动态PID调节的控制算法，进一步设计综合平衡的控制模型及算法，控制变频器的输出功率，完善对系统的最大功率跟踪和控制，可以进一步提高系统15%的综合效率。
从相关文献看出，目前，国内外光伏水泵技术的研究重点主要集中在太阳热的利用、太阳能的转化、电能存储控制。光伏水泵系统技术的研究难点为最大功率点跟踪技术、系统匹配及控制策略的改进优化。国外研究热点主要集中于电力负载消费、提升光伏能量利用率、热能回流利用及降低能量需求量等，国内则大多数是通过增加其部件实现光伏水泵自动化、智能化和多功能化。而在太阳热的收集转化及提高系统利用率等核心技术领域的研究仍然空白点较多。
三、系统分析
首先对太阳能光伏发电最大功率跟踪采用多点跟踪及动态综合平衡的方法，实现系统最大输入功率的跟踪；对水泵、变频器的工作参数跟踪取样，对运行功率进行反馈跟踪，实现输出功率的最大跟踪；最后同时对输入最大功率和输出最大功率的跟踪控制，建立控制模型，实现动态PID算法，进而实现对整个系统效率的提高。而PID控制器是过程控制中应用最为广泛的控制方法。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
四、PID控系统设计
如图1所示，为一种光伏水泵远程控制系统的硬件结构框图，包括：太阳能光伏发电装置1、控制器、变频器和水泵；太阳能光伏发电装置与变频器连接，用于通过变频器向水泵供电；控制器与变频器连接，用于向变频器发送控制指令，以实现变频控制水泵的电机转动；控制器还与水泵连接，用于实时获取水泵的电机转速。太阳能光伏发电装置与变频器连接，用于通过变频器向水泵供电；所述控制器与变频器连接，向变频器发送控制指令，以实现变频控制水泵的电机转动；控制器还与水泵连接，用于实时获取水泵的电机转速。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。而目前，PID控制与神经网络、遗传算法、灰色控制等智能控制技术结合，对于解决非线性、模型不确定性、大滞后等问题，也取得了很好的控制效果。
目前通过调整变频器的电压和频率已经可以实现MTTP最大输出功率跟踪，研究表明380V电机光伏方阵在冬天和夏天，早间和下午，极限条件下光伏方阵MTTP电压会有近80伏的变化，而目前基于变频器的水泵控制系统多数采用中间平均电压法，这样，就导致在很多时间和季节系统不能运行在最大输出功率点，同时每天早晚温差都会有12%的输出功率误差。根据目前光伏提水系统的应用情况，在太阳能光伏电池组件、变频器、水泵的基础上建立控制模型及控制算法，并设计控制器，实现对系统多点跟踪取样，针对设计的控制模型及组态，设计基于动态PID调节的控制算法，进一步设计综合平衡的控制模型及算法，控制变频器的输出功率，完善对系统的最大功率跟踪和控制，可以进一步提高系统15%的综合效率。
新研发的控制器，首先对太阳能光伏发电最大功率跟踪采用多个参数，动态综合平衡算法，实现系统最大输入功率的跟踪；其次对水泵、变频器的工作参数跟踪取样，对运行功率进行反馈跟踪，实现输出功率的最大跟踪；最后同时对輸入最大功率和输出最大功率的跟踪控制，实现系统的最大效率的提高。在系统中，对太阳能光伏电池对个参数的采集跟踪，采用动态PID算法，并结合多点MPPT算法，是采用一种综合平衡的方法来实现对太阳能光伏发电的最大跟踪；对水泵运行状态的跟踪，实现水泵的高效运行；综合提升系统效率。
五、控制器的设计
如图2所示，为一种光伏水泵远程控制系统的控制器的结构框图，控制器包括：单片机、短信控制器22、电机测速接口电路23和485接口电路；短信控制器与单片机连接，用于单片机通过短信控制器对外收发短信，以实现远程控制；所述电机测速接口电路与单片机连接，用于单片机通过电机测速接口电路获取水泵的电机转速值；485接口电路与单片机连接， 用于单片机通过485接口电路连接变频器，以控制变频器及获取变频器的参数。 其中，单片机使用STM8S207S8；短信控制器采用SIM900A；485接口电路采用SP485芯片及其厂商推荐电路设计的外围电路；所述电机测速接口电路采用常规编码器测速电路方案；变频器采用森兰变频器。
在工作过程中，控制器，上电后，单片机发送指令，初始化短信控制器，并实时检测短信控制器是否收到信的短信，如果收到，则解析短信，根据预定的短信格式，获取命令码，并更加解析命令码，通过485接口电路，利用modbus协议向变频器发送命令，并实时读取变频器的参数，获取变频器的功率输出。根据变频器的相关参数和读取到的水泵的電机转速，结合PID调节算法，实时调整变频器频率。
六、结语
本文提出一种预电压设置与步长变化扰动观察法的多点MTTP算法与调压调速相结合的动态PID算法的综合控制方法，可以有效提高效率及稳定性的方法，即在光照和温度激烈变化时，反馈回路快速检测光伏方阵功率变化，反馈回路及时消除水泵转速误差，有效控制系统震荡，实现系统高效跟踪与稳定运行。同时，这种光伏水泵远程控制系统，提供了一种通过短信方式远程控制的光伏水泵系统，同时能够变频控制水泵电机，提高了能源的利用率，方案成本低，性价比高。
参考文献：
[1]苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究[D]. 合肥工业大学 2003.
[2]刘红光，刘琼，刘桂锋，等.国内外光伏水泵系统专利情报分析——基于专利组合分析视角[J].情报杂志.2013（05）.
[3]刘家宏，徐鹤，王浩，高占义，严晋跃，李润杰，于赢东. 太阳能光伏水泵提水灌溉修复草场的水资源要求[J]. 干旱区资源与环境. 2013（06）
[4]朱勋梦，王文仪，刘祖明，张剑钢，昝锦羽，廖华，张卫东，李艳雄，李光明. 光伏及光热一体化的工艺性能分析[J]. 云南师范大学学报（自然科学版）. 2013（02）
[5]查咏. 牧区户使用光伏提水系统经济性分析[J]. 内蒙古水利. 2012（03）
[6]丛小青，贾自强，袁丹青，张建，王光辉. 太阳能光伏水泵系统损失分析与优化设计[J]. 可再生能源. 2011（01）
[7]朱亦丹，孙佩石，张国荣，苏建徽. 一种可靠高效的BLDC光伏水泵控制器设计[J]. 电力电子技术. 2010（08）
[8]程荣香，张瑞强. 光伏提水技术在农作物灌溉上的应用[J]. 可再生能源. 2008（01）
[9]林文贤，吕恩荣. 云南省太阳能辐射资源研究——总辐射[J]. 云南师范大学学报（自然科学版）. 1990（Z1）
[10]唐正艳，李勇，陈克禄，王如竹. 我国太阳能产业专利状况分析[J]. 可再生能源. 2011（05）
关键词：光伏水泵控制系统；设计；实现
一、引言
太阳能是新能源领域最具潜力的可再生能源，光伏扬水是太阳能最具应用潜力的领域之一。“阳光抗旱提水工程”是省委省政府“兴水强滇”战略的重要组成部分，2011年以来，阳光抗旱提水工程采用光伏水泵控制系统在我省已推广应用多年，至今为止，工作效率低，稳定性差是制约其推广的主要瓶颈。而实际应用表明，现有光伏水泵控制系统的效率一般在70%左右。现有光伏水泵控制系统跟踪功率的途径主要采用对太阳能光伏发电系统的工作电压的跟踪进而调节变频器频率的方法，通常采用对变频器进行中间平均电压设置的方法，理论计算和实际测试表明，这种方法存在12%的误差。因此，现有的功率跟踪方式单一，效率低下，需要进一步采用新的最大功率跟踪方法。本文提出了一种新的控制方法。
二、研究的意义与必要性
目前通过调整变频器的电压和频率已经可以实现MTTP最大输出功率跟踪，研究表明380V电机光伏方阵在冬天和夏天，早间和下午，极限条件下光伏方阵MTTP电压会有近80伏的变化，而目前基于变频器的水泵控制系统多数采用中间平均电压法，这样，就导致在很多时间和季节系统不能运行在最大输出功率点，同时每天早晚温差都会有12%的输出功率误差。根据目前光伏提水系统的应用情况，在太阳能光伏电池组件、变频器、水泵的基础上建立控制模型及控制算法，并设计控制器，实现对系统多点跟踪取样，针对设计的控制模型及组态，设计基于动态PID调节的控制算法，进一步设计综合平衡的控制模型及算法，控制变频器的输出功率，完善对系统的最大功率跟踪和控制，可以进一步提高系统15%的综合效率。
从相关文献看出，目前，国内外光伏水泵技术的研究重点主要集中在太阳热的利用、太阳能的转化、电能存储控制。光伏水泵系统技术的研究难点为最大功率点跟踪技术、系统匹配及控制策略的改进优化。国外研究热点主要集中于电力负载消费、提升光伏能量利用率、热能回流利用及降低能量需求量等，国内则大多数是通过增加其部件实现光伏水泵自动化、智能化和多功能化。而在太阳热的收集转化及提高系统利用率等核心技术领域的研究仍然空白点较多。
三、系统分析
首先对太阳能光伏发电最大功率跟踪采用多点跟踪及动态综合平衡的方法，实现系统最大输入功率的跟踪；对水泵、变频器的工作参数跟踪取样，对运行功率进行反馈跟踪，实现输出功率的最大跟踪；最后同时对输入最大功率和输出最大功率的跟踪控制，建立控制模型，实现动态PID算法，进而实现对整个系统效率的提高。而PID控制器是过程控制中应用最为广泛的控制方法。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
四、PID控系统设计
如图1所示，为一种光伏水泵远程控制系统的硬件结构框图，包括：太阳能光伏发电装置1、控制器、变频器和水泵；太阳能光伏发电装置与变频器连接，用于通过变频器向水泵供电；控制器与变频器连接，用于向变频器发送控制指令，以实现变频控制水泵的电机转动；控制器还与水泵连接，用于实时获取水泵的电机转速。太阳能光伏发电装置与变频器连接，用于通过变频器向水泵供电；所述控制器与变频器连接，向变频器发送控制指令，以实现变频控制水泵的电机转动；控制器还与水泵连接，用于实时获取水泵的电机转速。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。而目前，PID控制与神经网络、遗传算法、灰色控制等智能控制技术结合，对于解决非线性、模型不确定性、大滞后等问题，也取得了很好的控制效果。
目前通过调整变频器的电压和频率已经可以实现MTTP最大输出功率跟踪，研究表明380V电机光伏方阵在冬天和夏天，早间和下午，极限条件下光伏方阵MTTP电压会有近80伏的变化，而目前基于变频器的水泵控制系统多数采用中间平均电压法，这样，就导致在很多时间和季节系统不能运行在最大输出功率点，同时每天早晚温差都会有12%的输出功率误差。根据目前光伏提水系统的应用情况，在太阳能光伏电池组件、变频器、水泵的基础上建立控制模型及控制算法，并设计控制器，实现对系统多点跟踪取样，针对设计的控制模型及组态，设计基于动态PID调节的控制算法，进一步设计综合平衡的控制模型及算法，控制变频器的输出功率，完善对系统的最大功率跟踪和控制，可以进一步提高系统15%的综合效率。
新研发的控制器，首先对太阳能光伏发电最大功率跟踪采用多个参数，动态综合平衡算法，实现系统最大输入功率的跟踪；其次对水泵、变频器的工作参数跟踪取样，对运行功率进行反馈跟踪，实现输出功率的最大跟踪；最后同时对輸入最大功率和输出最大功率的跟踪控制，实现系统的最大效率的提高。在系统中，对太阳能光伏电池对个参数的采集跟踪，采用动态PID算法，并结合多点MPPT算法，是采用一种综合平衡的方法来实现对太阳能光伏发电的最大跟踪；对水泵运行状态的跟踪，实现水泵的高效运行；综合提升系统效率。
五、控制器的设计
如图2所示，为一种光伏水泵远程控制系统的控制器的结构框图，控制器包括：单片机、短信控制器22、电机测速接口电路23和485接口电路；短信控制器与单片机连接，用于单片机通过短信控制器对外收发短信，以实现远程控制；所述电机测速接口电路与单片机连接，用于单片机通过电机测速接口电路获取水泵的电机转速值；485接口电路与单片机连接， 用于单片机通过485接口电路连接变频器，以控制变频器及获取变频器的参数。 其中，单片机使用STM8S207S8；短信控制器采用SIM900A；485接口电路采用SP485芯片及其厂商推荐电路设计的外围电路；所述电机测速接口电路采用常规编码器测速电路方案；变频器采用森兰变频器。
在工作过程中，控制器，上电后，单片机发送指令，初始化短信控制器，并实时检测短信控制器是否收到信的短信，如果收到，则解析短信，根据预定的短信格式，获取命令码，并更加解析命令码，通过485接口电路，利用modbus协议向变频器发送命令，并实时读取变频器的参数，获取变频器的功率输出。根据变频器的相关参数和读取到的水泵的電机转速，结合PID调节算法，实时调整变频器频率。
六、结语
本文提出一种预电压设置与步长变化扰动观察法的多点MTTP算法与调压调速相结合的动态PID算法的综合控制方法，可以有效提高效率及稳定性的方法，即在光照和温度激烈变化时，反馈回路快速检测光伏方阵功率变化，反馈回路及时消除水泵转速误差，有效控制系统震荡，实现系统高效跟踪与稳定运行。同时，这种光伏水泵远程控制系统，提供了一种通过短信方式远程控制的光伏水泵系统，同时能够变频控制水泵电机，提高了能源的利用率，方案成本低，性价比高。
参考文献：
[1]苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究[D]. 合肥工业大学 2003.
[2]刘红光，刘琼，刘桂锋，等.国内外光伏水泵系统专利情报分析——基于专利组合分析视角[J].情报杂志.2013（05）.
[3]刘家宏，徐鹤，王浩，高占义，严晋跃，李润杰，于赢东. 太阳能光伏水泵提水灌溉修复草场的水资源要求[J]. 干旱区资源与环境. 2013（06）
[4]朱勋梦，王文仪，刘祖明，张剑钢，昝锦羽，廖华，张卫东，李艳雄，李光明. 光伏及光热一体化的工艺性能分析[J]. 云南师范大学学报（自然科学版）. 2013（02）
[5]查咏. 牧区户使用光伏提水系统经济性分析[J]. 内蒙古水利. 2012（03）
[6]丛小青，贾自强，袁丹青，张建，王光辉. 太阳能光伏水泵系统损失分析与优化设计[J]. 可再生能源. 2011（01）
[7]朱亦丹，孙佩石，张国荣，苏建徽. 一种可靠高效的BLDC光伏水泵控制器设计[J]. 电力电子技术. 2010（08）
[8]程荣香，张瑞强. 光伏提水技术在农作物灌溉上的应用[J]. 可再生能源. 2008（01）
[9]林文贤，吕恩荣. 云南省太阳能辐射资源研究——总辐射[J]. 云南师范大学学报（自然科学版）. 1990（Z1）
[10]唐正艳，李勇，陈克禄，王如竹. 我国太阳能产业专利状况分析[J]. 可再生能源. 2011（05）