基于DSP的光伏推流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果分析

雷增強(qiáng)， 艾矯燕， 劉 剛， 梁 奎

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

基于DSP的光伏推流系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果分析

雷增強(qiáng)， 艾矯燕， 劉 剛， 梁 奎

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

為解決水產(chǎn)養(yǎng)殖中溶氧濃度低、分布不均衡及常規(guī)增氧設(shè)備能耗高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的光伏推流系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TMS320F2812 為主控芯片，通過(guò)電壓、電流檢測(cè)電路對(duì)太陽(yáng)能光伏陣列的輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電切換，并采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方法保證了光伏陣列的最大功率輸出。用該系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)7 m、寬5 m、深1 m的淺水區(qū)域進(jìn)行連續(xù)5 d的推流實(shí)驗(yàn)，并與相同條件下無(wú)推流時(shí)的溶氧濃度空間分布情況進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，無(wú)推流情況下，試驗(yàn)區(qū)域從岸邊到湖中溶氧濃度分布呈現(xiàn)由低到高的梯度分布；推流后的溶氧濃度空間分布趨于均衡，且比無(wú)推流時(shí)的濃度均值提高1～2 mg/L。研究表明，光伏推流能大大降低能耗，提高水體溶氧濃度，改善水體溶氧分布均衡性，對(duì)提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的密度和產(chǎn)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；溶氧分布均衡性；光伏推流；最大功率點(diǎn)跟蹤

溶氧含量是水產(chǎn)養(yǎng)殖的關(guān)鍵因子之一，而增氧裝置是水產(chǎn)養(yǎng)殖的常用設(shè)備[1-3]。現(xiàn)有的增氧裝置主要有葉輪式增氧機(jī)、水車(chē)式增氧機(jī)、射流式增氧機(jī)和渦流式增氧機(jī)等，大都采用常規(guī)電力，功率大，能耗高，且大多是對(duì)局部水域增氧[4-5]。水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中由于光照、水草生長(zhǎng)等因素的差異，其溶氧濃度分布呈現(xiàn)較大的差異，具有非均衡性。魚(yú)類(lèi)有趨氧的特性，極易聚集到溶氧濃度較高的區(qū)域，這就限制了單位面積的養(yǎng)殖量。目前常用的增氧裝置注重提高溶氧濃度，而業(yè)界對(duì)提高水體溶氧空間分布均衡性的研究尚較少。

本研究基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的小功率淺水光伏推流系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能電池板提供電力，不消耗化石能源。DSP具有低功耗、高精度數(shù)據(jù)采集、快速運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)[6]。光伏發(fā)電系統(tǒng)采用MPPT控制，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，增大了光伏發(fā)電的功率輸出，對(duì)增加水產(chǎn)養(yǎng)殖水體循環(huán)、提高水體溶氧的濃度、改善水體溶氧空間分布均衡性，具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

光伏推流系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏陣列、TMS320F2812DSP主控芯片、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源切換電路、水泵、蓄電池等部分組成(圖1)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

采用太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能作為系統(tǒng)能量來(lái)源，實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓和電流，計(jì)算輸出功率。當(dāng)光伏陣列的輸出功率大于負(fù)載功率時(shí)，光伏陣列同時(shí)對(duì)負(fù)載供電和對(duì)蓄電池充電；當(dāng)光伏陣列輸出功率低于負(fù)載功率時(shí)，光伏陣列和蓄電池同時(shí)向負(fù)載供電。

為保障系統(tǒng)能在持續(xù)3個(gè)陰雨天的情況下每天持續(xù)工作10 h，根據(jù)太陽(yáng)能電池板與蓄電池的容量計(jì)算公式，并適當(dāng)考慮蓄電池和太陽(yáng)能電池板的耗損，選用賽維LDK250PAFW(B) 型太陽(yáng)能電池板，2片太陽(yáng)能電池板串聯(lián)，其單板最大功率250 W，工作電壓30.5 V。推流水泵采用上海昭升電機(jī)有限公司的ZQB-48型直流潛水泵，其額定電壓48 V，額定功率180 W。蓄電池選用華富6-CNJ-38(12V38Ah)型，4組串聯(lián)成48 V。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路通過(guò)一個(gè)6 mΩ的采樣電阻，經(jīng)運(yùn)放LM358放大后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換由DSP讀出。電壓檢測(cè)電路采用電阻分壓的方式。由于系統(tǒng)工作在室外，一天中的溫差變化較大，需要對(duì)蓄電池充電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用溫度傳感器DS18B20實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的溫度檢測(cè)。系統(tǒng)中溫度補(bǔ)償是-4 mV/℃，即對(duì)于2 V的蓄電池，基準(zhǔn)溫度25℃，溫度每上升1度，電壓補(bǔ)償-4 mV。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

充放電控制及電源切換使用功率MOS管作開(kāi)關(guān)元件。系統(tǒng)中選用IRFP150作開(kāi)關(guān)元件，漏源極最大電壓100 V，導(dǎo)通電阻0.055 Ω，漏極最大電流20 A，能夠滿(mǎn)足該控制器的性能指標(biāo)。DSP發(fā)出PWM控制信號(hào)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)芯片工作。本系統(tǒng)采用美國(guó)IR公司專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)單個(gè)MOSFET而設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)器，其輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平兼容[7]。驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)芯片IR2117的外圍電路采用自舉技術(shù)，由二極管MUR1100和電容組成。其原理為：當(dāng)VS被拉低到地時(shí)，+15 V電源就會(huì)通過(guò)自舉二極管MUR1100對(duì)自舉電容充電，從而為VB提供一個(gè)電源，芯片內(nèi)部的推挽結(jié)構(gòu)使HO端口得到一個(gè)10～15 V的驅(qū)動(dòng)電壓。

2.3 能量切換電路

光伏電池、蓄電池和水泵之間的切換通過(guò)兩路DC/DC直流降壓變換電路實(shí)現(xiàn)[8]。能量切換電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)DSP測(cè)得的光伏電池的輸出功率大于水泵的額定功率時(shí)，開(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S2撥向3，光伏電池以最大功率點(diǎn)給水泵供電的同時(shí)也給蓄電池充電；當(dāng)輸出功率小于水泵的額定功率時(shí)，開(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S2撥向1端，蓄電池和光伏電池共同給水泵供電。開(kāi)關(guān)S2的1端、3端均有防反充二極管。

圖3 能量切換電路

系統(tǒng)中DC/DC降壓變換電路為BUCK降壓電路。通過(guò)調(diào)節(jié)TMS320LF2812DSP的事件管理模塊(EV)產(chǎn)生的PWM波的占空比大小來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓和最大功率跟蹤[9]。電路由開(kāi)關(guān)MOS管、續(xù)流二極管、濾波電感和濾波電容組成。續(xù)流二極管選用MUR820，濾波電感200 μH，濾波電容470 μF。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 最大功率跟蹤模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括電壓、電流和溫度的檢測(cè)模塊、最大功率跟蹤模塊、三階段充電模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊等。最大功率跟蹤(MPPT)[10-11]是光伏系統(tǒng)中對(duì)光伏組件的輸出功率進(jìn)行跟蹤，使光伏組件始終工作在最大功率點(diǎn)(圖4)。本系統(tǒng)采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

圖4 最大功率跟蹤程序流程圖

最大功率跟蹤是根據(jù)調(diào)節(jié)PWM的占空比d來(lái)控制開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)[12-14]。設(shè)定初始占空比d和擾動(dòng)步長(zhǎng)Δd，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)得的電壓U(k)和電流I(k)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻光伏組件的輸出功率P(k)，并與下一時(shí)刻的P(k+1)進(jìn)行比較。若P(k)=P(k+1)，則當(dāng)前時(shí)刻光伏組件達(dá)到了最大功率輸出；若P(k)P(k+1)，則當(dāng)前時(shí)刻光伏組件未達(dá)到最大輸出功率，應(yīng)減小占空比，d=d-Δd；再重新計(jì)算輸出功率并與上一時(shí)刻的進(jìn)行比較，直至找到最大功率點(diǎn)。

3.2 三階段充電模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用三階段充電模式[15-16]。根據(jù)鉛酸蓄電池的使用說(shuō)明，過(guò)放點(diǎn)電壓U(a)為42 V，循環(huán)充電電壓U(c)為58.4 V。蓄電池端電壓U(b)為檢測(cè)到的蓄電池兩端的電壓值。第一階段，U(b)小于U(a)，以小電流恒流方式給蓄電池充電，直至蓄電池電壓升至過(guò)放點(diǎn)電壓；第二階段，U(b)大于U(a)但小于U(c)，以大電流恒流方式給蓄電池充電；第三階段，當(dāng)U(b)大于等于U(c)，以恒壓充電方式充電，當(dāng)充電電流I(b)≤0.38 A一段時(shí)間后充電結(jié)束(圖5)。但是，當(dāng)DSP測(cè)得的光伏電池的輸出功率大于水泵的額定功率且蓄電池為預(yù)充電狀態(tài)，圖3中的S1斷開(kāi)以避免水泵損壞；而在恒壓充電后期，當(dāng)檢測(cè)到充電電流I(b)<3 A時(shí)，開(kāi)關(guān)S2打空，蓄電池既不充電也不放電，水泵的功率全部由光伏電池提供。水泵不工作時(shí)，系統(tǒng)按三階段充電模式充電。

圖5 三階段充電程序流程圖

4 推流效果分析

4.1 試驗(yàn)區(qū)域及數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，在蓄電池滿(mǎn)電的情況下，有效日照達(dá)到10 h，系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行32 h，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)200 m、寬100 m 的人工湖，水深約1 m。測(cè)量了7 m×5 m大小區(qū)域的溶氧濃度值，將試驗(yàn)區(qū)域劃分為35個(gè)1 m×1 m的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格為一個(gè)采樣點(diǎn)(圖6)。

圖6 實(shí)驗(yàn)區(qū)域網(wǎng)格劃分

溶氧測(cè)量深度為水面下約20 cm。水泵放置在平行湖岸且靠近岸邊的位置，垂直湖岸向湖中推流，水泵出水口在水面下約20 cm。在同一實(shí)驗(yàn)區(qū)域，選取溫度、光照強(qiáng)度等條件差異不大的10 d，其中5 d不推流，另外5 d進(jìn)行推流，推流時(shí)將水泵出水口放置在水下5 cm處，分別測(cè)量?jī)煞N情況的溶氧濃度平均值，并對(duì)比分析。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為每天的8:30～10:30，分別測(cè)量8:30、9:30、10:30這3個(gè)時(shí)刻各采樣點(diǎn)的溶氧濃度。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每次測(cè)量均在5 min內(nèi)完成。

為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域溶氧濃度分布差異，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的35個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合插值。用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給實(shí)驗(yàn)區(qū)域的溶氧濃度插值[17-20]，以采樣點(diǎn)的坐標(biāo)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，溶氧濃度值作為網(wǎng)絡(luò)輸出，在MATLAB平臺(tái)上調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，得到了400×600個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)插值結(jié)果。

4.2 溶氧濃度空間分布擬合

分別根據(jù)無(wú)推流和有推流時(shí)的3個(gè)時(shí)刻得到的400×600個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)插值結(jié)果繪制濃度分布圖(圖7、圖8)，通過(guò)顏色的變化來(lái)表示溶氧濃度值的高低，顏色越深表示溶氧越低，顏色越淺表示溶氧越高。X軸表示湖岸，Y軸垂直湖岸。此外，還根據(jù)插值結(jié)果繪制了溶氧濃度頻率分布直方圖(圖9)。

無(wú)推流時(shí)，3個(gè)時(shí)刻的岸邊顏色均較深，離岸邊越遠(yuǎn)的地方顏色越淺，溶氧濃度分布呈明顯的梯度分布；有推流情況下，8:30時(shí)刻，溶氧濃度空間呈現(xiàn)梯度分布，隨著時(shí)間的推移，濃度分布分層現(xiàn)象逐漸減?。坏?0:30時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)區(qū)域顏色沒(méi)有明顯的差異，不再呈現(xiàn)梯度分布。從圖9可以看出，9:30時(shí)刻，推流前后溶氧濃度范圍由3～5.5 mg/L增加到了4.8～5.8 mg/L；10:30時(shí)刻，推流前后溶氧濃度范圍由4.2～7.2 mg/L增加到了7.2～8.2mg/L。整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的溶氧濃度，有推流時(shí)比無(wú)推流時(shí)要高出1～2 mg/L，而且推流后溶氧濃度更加集中，分布更加均勻。因此，推流能有效改善溶氧濃度的空間分布均衡性，提高溶氧濃度。

圖7 無(wú)推流情況下溶氧濃度分布濃度圖

圖8 推流情況下溶氧濃度分布濃度圖

圖9 無(wú)推流和推流情況下溶氧濃度頻率分布直方圖

5 結(jié)論

光伏推流系統(tǒng)通過(guò)光伏電池的光電轉(zhuǎn)換，用蓄電池儲(chǔ)存能量，可以確保連續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力，能有效提高水體中溶氧的分布均衡性，推流后的溶氧濃度比推流前的提高了1～2 mg/L。研究結(jié)果對(duì)提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的密度和產(chǎn)量具有現(xiàn)實(shí)意義。但是，系統(tǒng)對(duì)溶氧空間分布均衡性的改善區(qū)域還比較小，對(duì)較大區(qū)域的研究還有待開(kāi)展。

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Design and effect analysis of photovoltaic push flow system based on DSP

LEI Zengqiang,AI Jiaoyan,LIU Gang,LIANG Kui

(InstituteofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)

To solve the problems of low DO concentration,unbalanced DO distribution in water and high energy consumption of conventional aerators in aquaculture,a DSP-based solar push-flow system was designed in this paper.The system uses TMS320F2812 as the main controller,and through tracking the output power of the photovoltaic array by voltage and current detecting circuit,achieves the switch between battery charge and discharge;moreover,maximum power point tracking (MPPT) method was used to assure the maximum power output of PV array.The system was used in a 5-day push flow experiment in a 7 m×5 m shallow water area and the DO concentration spatial distribution was compared with that in none push flow situation.The results showed that,in none push flow situation,the DO concentration presented an obvious gradient distribution from the water shore to center area.While after a certain time of push flow,the DO concentration spatial distribution tended to balanced and the concentration improved.The research shows that PV push flow can reduce energy consumption significantly,increase DO concentration,improve the balance of DO spatial distribution and has practical significance to increase aquaculture density and production.

aquaculture;photovoltaic push flow;distribution of dissolved oxygen balance;MPPT

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.012

2016-06-14

2016-09-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61563002)；廣西科技計(jì)劃主席基金項(xiàng)目(1517-08)

雷增強(qiáng)(1991—)，男，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)控制與檢測(cè)裝置。E-mail：leizengq@126.com

艾矯燕(1970—)，女，教授，碩導(dǎo)，研究方向：智能信息處理與應(yīng)用。E-mail：aijy@gxu.edu.cn

S969.321

A

1007-9580(2017)01-063-06