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光伏发电技术 储能系统 ★ 5.0

用于混合光伏/风力水泵系统的六相感应电机无传感器V/f控制及任意功率分配能力

Sensorless V/f Control with Arbitrary Power Sharing Capability for Six-Phase Induction Machines in Hybrid PV/Wind Water Pumping Systems

作者 Mohammed El-Nagar · Ragi R. Hamdy · Ayman S. Abdel-Khalik · Eman Hamdan · Mostafa S. Hamad · Shehab Ahmed
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2025年9月
技术分类 光伏发电技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 混合可再生水泵系统 六相感应电机 无传感器V/f控制 功率共享控制 能量利用
语言:

中文摘要

本文提出了一种专为偏远地区设计的新型混合可再生能源水泵系统(WPS),该系统利用太阳能光伏(PV)和风能驱动一台六相感应电机(6PIM)。与传统的三相电机相比,6PIM具有更好的容错性、可扩展性,并降低了变流器的额定容量。所提出的模块化架构为每组三相绕组配备了专用的功率变流器,实现了独立控制,提高了系统的可靠性。为简化实施并降低成本,采用了无传感器电压 - 频率(V/f)控制策略。这消除了对电流和速度传感器的需求,使得该方法特别适用于离网水泵应用,因为在这些应用中,鲁棒性比快速动态响应更为关键。这项工作的一个关键贡献是将灵活的功率共享控制集成到V/f控制框架中,据作者所知,这是其首次应用于多相驱动。该系统通过在200马力模型上根据实际的太阳能和风能曲线进行仿真,以及在配备模拟离心泵负载的1.5马力样机上进行实验测试得到验证。结果表明,所提出的控制方案在不同的输入和负载条件下能够实现稳定运行和高效的能源利用。

English Abstract

This paper presents a novel hybrid renewable water pumping system (WPS) designed for remote areas, utilizing solar photovoltaic (PV) and wind energy to drive a six-phase induction machine (6PIM). Compared to conventional three-phase machines, the 6PIM offers improved fault tolerance, scalability, and reduced converter ratings. The proposed modular architecture assigns each three-phase winding set a dedicated power converter, enabling independent control and enhancing system reliability. To simplify implementation and reduce cost, a sensorless voltage-to-frequency (V/f) control strategy is adopted. This eliminates the need for current and speed sensors, making the approach especially suitable for off-grid water pumping applications where robustness is more critical than fast dynamic response. A key contribution of this work is the integration of flexible power-sharing control into the V/f framework, marking, to the best of the authors' knowledge, its first application in multiphase drives. The system is validated through simulations on a 200 HP model under realistic solar and wind profiles, as well as experimental tests on a 1.5 HP prototype with an emulated centrifugal pump load. Results demonstrate the effectiveness of the proposed control scheme in achieving stable operation and efficient energy utilization under varying input and load conditions.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的六相感应电机混合新能源水泵系统具有重要的战略参考价值。论文核心创新在于将光伏与风能耦合驱动六相电机,并采用无传感器V/f控制实现灵活功率分配,这与我司在光伏水泵逆变器和多能互补系统领域的技术路线高度契合。

技术价值方面,六相电机架构的模块化设计思路可直接应用于我司SG系列光伏水泵逆变器的升级迭代。相比传统三相方案,六相拓扑可降低单个变流器的功率等级要求,这对于大功率水泵系统(如论文验证的200马力级别)的成本优化和可靠性提升具有实际意义。无传感器控制策略的简化设计符合偏远地区应用场景对低维护成本的刚性需求,与我司"因地制宜"的解决方案理念一致。

更具战略意义的是论文展示的多能源协同控制能力。当前我司PowerTitan储能系统和光储一体化方案已具备多源管理基础,该技术中的任意功率分配算法可为我司开发"光伏+风电+储能"的水利灌溉系统提供控制层面的技术储备,特别是在中东、非洲等风光资源互补性强的市场。

技术挑战主要集中在两个层面:一是六相电机及其驱动系统的供应链成熟度有限,产业化需要评估成本增量与性能提升的平衡点;二是V/f控制虽简化了实现,但动态响应能力的局限性需在变负载工况下进一步验证。建议我司研究院跟踪该技术方向,在高可靠性要求的农业灌溉和海水淡化等细分场景开展适配性评估,结合现有SG33/40CX等成熟平台进行原型验证,探索差异化竞争优势。