邢國棟畢業(yè)設計論文

1、<p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題目：光伏水泵控制系統(tǒng)設計</p><p>　　院 系：工學院電氣與電子工程系 </p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級：電氣工程1104 </p><p>　　姓 名

2、：邢國棟 </p><p>　　學 號：201102011133 </p><p>　　指導教師：劉學軍 </p><p><b>　　煙臺南山學院教務處</b></p><p><b>　　二〇一五年五月</b>&

3、lt;/p><p>　　煙臺南山學院畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明</p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。</p><p>　

4、　論文作者簽名： </p><p>　　年 月 日</p><p>　　煙臺南山學院關(guān)于畢業(yè)設計（論文）使用授權(quán)的說明</p><p>　　本人完全了解煙臺南山學院有關(guān)保留、使用學士學位論文的規(guī)定，即：學校有權(quán)保留、送交論文的復印件，允許論文被查閱，學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印或其他復制手段保存論文。<

5、/p><p>　　指導教師簽名： 　 論文作者簽名： </p><p>　　年 月 日　　 　　 年 月 日</p><p>　　光伏水泵控制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘要</b></p>&l

6、t;p>　　本設計研究了光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進行了工作原理分析，其動力電源由太陽能電池組提供。DC/DC部分采用boost升壓電路，將太陽能電池輸出的低電壓升為高電壓；DC/AC部分選用電壓型三相橋式逆變器電路，完成機泵的變頻驅(qū)動和輸入電壓的穩(wěn)定控制。</p><p>　　本文分析了太陽能電池的工作原理，提出了系統(tǒng)控制策略，采用最大功率跟蹤，采用恒壓式CVT法實現(xiàn)。用PI調(diào)節(jié)，PWM輸出，不同的負載用不同的P

7、WM脈沖寬度，主要對光伏水泵系統(tǒng)進行硬件設計。選用TI公司生產(chǎn)的專用電機控制的、高性能的32位DSPTMS32042406。采用B00stst 電路圖外，進行了電路參數(shù)的選擇。</p><p>　　變頻系統(tǒng)逆變單元采用智能控制模塊。選用三夌公司的PM50RSA120模塊。</p><p>　　本文對系統(tǒng)軟件進行設計，主要設計了主程序和中斷服務程序。并繪制了流程圖。</p>&

8、lt;p>　　關(guān)鍵詞： 光伏水泵系統(tǒng) 光伏電池板 最大功率點跟蹤 三相逆變器</p><p>　　THE DESIGN OF PHOTOVOLTAIC WATER-PUMP CONTROL SYSTEM </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper studies the str

9、ucture of photovoltaic pumping systems, power supply is provided by a solar battery; DC / DC boost booster circuit part, the low voltage of the solar cell output of promoted high voltage; DC / AC part of the selection vo

10、ltage three-phase bridge reverse variable circuit, complete stability control and input voltage variable frequency drive pump of.</p><p>　　This paper analyzes the solar cell works proposed control strategy,

11、using the maximum power point tracking, to achieve constant pressure type CVT method. With PI regulator, PWM output and different loads with different PWM pulse width, mainly photovoltaic pumping system hardware design.

12、Selection of TI's motor control of the production of special, high-performance 32-bit DSPTMS32042406. B00stst circuit diagram using external, carried out the selection circuit parameters.</p><p>　　Invert

13、er system inverter unit using intelligent control module. Ling's PM50RSA120 choose three modules.</p><p>　　In this paper, the system software design, the main design of the program and interrupt service

14、routine. And draw a flow chart.</p><p>　　Keywords: PV pumping system Solar array MPPT Three phase inventor </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b>&

15、lt;/p><p>　　1.1 光伏水泵系統(tǒng)的影響及意義1</p><p>　　1.2 光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理1</p><p>　　1.2.1 光伏陣列1</p><p>　　1.2.2 變頻器2</p><p>　　1.2.3 電機及水泵3</p><p>　　1.3 光

16、伏水泵系統(tǒng)的發(fā)展前景3</p><p>　　1.4 本文研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　第2章 光伏水泵系統(tǒng)的基本原理5</p><p>　　2.1 光伏水泵系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2 太陽能電池板特性6</p><p>　　2.3 系統(tǒng)控制策略8</p>&

17、lt;p>　　2.3.1 最大功率點跟蹤8</p><p>　　2.3.2 控制策略的實現(xiàn)10</p><p>　　2.4 光伏水泵控制的集中結(jié)構(gòu)形式12</p><p>　　第3章 光伏水泵系統(tǒng)硬件的設計14</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設計14</p><p>　　3.1.

18、1 DC/DC boost升壓電路14</p><p>　　3.1.2 DC/AC逆變器的設計16</p><p>　　3.1.3 DSP芯片選型及電源電路的設計17</p><p>　　3.2 采樣電路設計18</p><p>　　第4章 光伏水泵系統(tǒng)軟件設計20</p><p><b>

19、;　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p>　　附錄I 光伏水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖26</p><p>　　附錄II 三相逆變橋原理圖27</p><p>　　

20、附錄III DSP及周邊電路接線圖28</p><p>　　附錄IV 程序清單29</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 光伏水泵系統(tǒng)的影響及意義</p><p>　　近些年來，伴隨著全球“糧食問題”、“能源問題”等一些問題的惡劣化，光伏產(chǎn)業(yè)逐步的發(fā)展成熟，越來越被一些發(fā)

21、達國家所看好，被譽為用清潔能源替代化石能源的最為有效的產(chǎn)業(yè)整合產(chǎn)品。由此，大力發(fā)展光伏技術(shù)，并將其用于水泵系統(tǒng)，合理而有效地開發(fā)地下水資源，將給偏遠干旱地區(qū)帶來巨大生態(tài)和經(jīng)濟效益，水力資源和電力資源的缺乏嚴重制約著發(fā)展中國家農(nóng)村和偏遠干旱地區(qū)發(fā)展，但是這些地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，如何利用好這些地區(qū)的一級能源，是我們現(xiàn)在要重點研究的問題[1]。光伏水泵技術(shù)具有如下優(yōu)點：不消耗化石燃料和其他有機能源、無污染，對環(huán)境的保護和能源的節(jié)約都十分

22、的有利，太陽能電池不僅使用壽命長，而且維修費用較低，使用這一技術(shù)使得生活供水和干旱地區(qū)灌溉等方面的應用都有很大程度的改善。特別是我國的西部地區(qū)以及西亞等地區(qū)氣候十分干燥，常年干旱且少雨，這些地區(qū)極度的缺水，是當今世界急于解決幾大難題之一。由于極度缺乏水，導致土地的沙漠化速度加快，生態(tài)環(huán)境也日益惡化，沙漠正在和人類打一場持久仗。在一些極度干旱地帶，甚至連飲用水問題都得不到解決，嚴重影響了當?shù)氐慕?jīng)濟建設和社會發(fā)展。值得慶喜的是，根據(jù)相關(guān)水資

23、源資料，在這些地</p><p>　　1.2 光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理</p><p>　　光伏水泵系統(tǒng)大致由四部分組成（光伏水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見附錄I）：</p><p><b>　?。?）光伏陣列</b></p><p><b>　?。?）變頻逆變器</b></p><p&

24、gt;<b>　?。?）電機</b></p><p><b>　?。?）水泵</b></p><p>　　1.2.1 光伏陣列</p><p>　　光伏陣列由大多數(shù)的太陽電池串、并聯(lián)構(gòu)成，它的作用是直接把太陽能轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，他能夠利用逆變器將直流電轉(zhuǎn)成交流電以供使用。</p><p>　　

25、太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形的結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式兩大類，按材料可將其分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結(jié)晶形、ⅢV族、ⅡⅥ族和磷化鋅等[3]。</p><p>　　太陽能電池可以根據(jù)所用材料的不同，可分為：單晶硅太陽能電池、多晶體薄膜太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池等，其中單晶硅太陽能電池的發(fā)展已將比較成熟，在實際當中大量

26、被應用，已居主導地位[4]。</p><p>　　(1) 單晶硅太陽能電池</p><p><b>　　硅太陽能電池分為：</b></p><p>　?。?）單晶硅太陽能電池</p><p>　?。?）多晶硅薄膜太陽能電池</p><p>　?。?）非晶硅薄膜太陽能電池三種。</p>

27、<p>　　(2) 多晶體薄膜電池</p><p>　　多晶體薄膜電池當中，硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率相對于非晶硅薄膜太陽能電池來說，效率高，成本也較單晶硅電池低，并且可用于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘含有劇毒，會對環(huán)境造成嚴重的污染。因此，用它做太陽能電池并不是一種很好的方案，需要慎重利用[2]。</p><p><b>　　(3) 納米晶電池</b>&l

28、t;/p><p>　　納米晶體化學能太陽能電池是是一種新型的太陽能電池，它具有廉價的成本、簡單的工藝及穩(wěn)定的性能的優(yōu)點，是一種很有應用前景的太陽能電池。這種電池的研究起步較晚，正處于開發(fā)階段，相信在不久的將來，它就可以批量上市了。</p><p>　　1.2.2 變頻器</p><p>　　(1) 逆變器的作用</p><p>　　逆變器的主要

29、功能是如表1.1所示：</p><p>　　表1.1 逆變器的功能</p><p>　　(2) 逆變器的分類</p><p>　　逆變器的類型種類繁多，但主要可按以下進行分類如表1.1所示：</p><p>　　表1.2 逆變器的分類</p><p>　　1.2.3 電機及水泵</p><p&

30、gt;　　光伏水泵系統(tǒng)只要充分利用太陽能，就可以完成對農(nóng)田的灌溉等。除此之外，國外對這種技術(shù)的推崇，可以充分表明，光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)的具有非常廣闊的發(fā)展前景。光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)的起步相對來說較晚，結(jié)合我國的國情，這種技術(shù)可以在我國西部及干旱地帶得到充分的利用，必將帶動這些地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。</p><p>　　以這些條件為前提，一般的光伏水泵系統(tǒng)按照日出而作，日入而息的工作特點，想要使光伏水泵的利用率達到最高，我們需要

31、考慮更多的東西，它不象普通電動機那樣可以認為是一直由恒定的電壓電源來帶動它工作的。</p><p>　　光伏水泵系統(tǒng)中水泵的選擇與設計也甚有特點。根據(jù)不同用戶對流量、揚程的不同要求，按經(jīng)濟性、可靠性大致可按表1.3選擇泵型：</p><p>　　表1.3 泵型選擇</p><p>　　1.3 光伏水泵系統(tǒng)的發(fā)展前景</p><p>　　光

32、伏水泵系統(tǒng)技術(shù)的先進性和合理性已經(jīng)得到了聯(lián)合國國際開發(fā)署(UNDP)、世界銀行(WB)、亞太經(jīng)社會(ESCAP)等國際組織部的充分肯定[7],在這些國際組織的大力支持下,數(shù)萬臺不同規(guī)格的光伏水泵已在不同地區(qū)和國家運行，并且起到了關(guān)鍵性的作用,尤其是在中東、非洲等一些發(fā)展中國家,已為許多貧困、干旱地區(qū)的人民帶來相當可觀的經(jīng)濟效益,幫助了這些地區(qū)加快了脫貧步伐。。因此許多發(fā)達國家看中了光伏水泵系統(tǒng)的應用前景，已優(yōu)先著手于發(fā)展光伏水泵系統(tǒng)控制

33、技術(shù)。在中東、非洲及不少缺水嚴重國家更是注意到了這項技術(shù)所帶來的巨大好處，也在紛紛研究和改善這項技術(shù)，希望通過此種技術(shù)來改善干旱地帶的缺水狀況，拉動當?shù)氐慕?jīng)濟建設，提高人民的生活質(zhì)量，從根本上解決吃水難的問題。</p><p>　　光伏水泵具有諸多的優(yōu)點，如無噪聲、全自動(日出而作，日落而停)、高可靠、供水量與蒸發(fā)量適配性好等。1958年，我國開始研究太陽能電池的研制；在1971年首次成功地將太陽能電池應用于發(fā)射

34、的東方紅2號衛(wèi)星上[8]；1973年以后用于地面，太陽電池開始僅用于小功率電源系統(tǒng)，如航標燈及鐵路信號、高山氣象站儀器信號等，功率都一般都較小，隨著國家對光伏產(chǎn)業(yè)及光伏市場發(fā)展的大力支持，太陽能電池更加廣泛地被應用于各個行業(yè)，解決目前越來越嚴重的能源危機。</p><p>　　1.4 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　（1）設計出系統(tǒng)的整體拓撲結(jié)構(gòu)，選取主電路拓撲。</p&g

35、t;<p>　?。?）了解太陽能電池板特性，根據(jù)光伏水泵系統(tǒng)的應用特點來探討了恒定電壓法、電導增量法等一些最大功率點跟蹤方法的原理和特點[9]。</p><p>　　（3）詳細設計控制策略。</p><p>　?。?）基于DSPTMS320LF2406A芯片進行硬件部分的設計，選出boost電路及主電路的器件型號，設計采樣電路使之符合要求。</p><p&

36、gt;　?。?）畫出程序流程框圖。</p><p>　　第2章 光伏水泵系統(tǒng)的基本原理</p><p>　　光伏水泵系統(tǒng)直接利用太陽電池陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，通過光伏水泵控制器驅(qū)動電機和水泵負載，完成抽水功能[10]。本章將對光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光伏陣列輸出特性及光伏水泵最大功率跟蹤控制策略進行討論。</p><p>　　2.1 光伏水泵系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)<

37、;/p><p>　　一般地，光伏水泵系統(tǒng)由光伏陣列、變頻逆變器、電動機和水泵構(gòu)成。如圖2.1所示：</p><p>　　圖2.1 光伏水泵基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，輸送給逆變器；逆變器將此電能轉(zhuǎn)換成適當?shù)男问捷斔徒o電機；電動機一般采用異步電機、直流電機、永磁同步電機等，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能；水泵把電機輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)楸脙?nèi)工作體的運

38、動，使流體能量增加，以達到提升、輸送和增壓的目的[11]。</p><p>　　本文研究的光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示，動力電源由太陽能電池組提供；DC/DC部分采用boost升壓電路，將光伏水泵系統(tǒng)的太陽能電池輸出的低電壓升為高電壓；電壓型三相橋式逆變器電路主要用于DC/AC部分，完成光伏水泵的變頻驅(qū)動和輸入電壓的穩(wěn)定控制。</p><p>　　圖2.2 光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p

39、><p>　　2.2 太陽能電池板特性</p><p>　　（1）太陽電池工作原理</p><p>　　太陽電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導體P．N結(jié)的光生伏打效應。因為太陽能電池可直接將光能轉(zhuǎn)換成電能，圖2.2所示即為太陽能電池的等效電路。圖中，為光伏電池輸出的負載電流；為通過P-N結(jié)的總擴散電流；為P—N結(jié)電容；為串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電

40、極與硅表面間接觸電阻等組成；為旁路電阻，主要由硅片的邊緣 不清潔或體內(nèi)的缺陷引起[12]。</p><p>　　圖2.2 光照時太陽能電池的等效電路</p><p>　　太陽能電池是一種具有強烈非線性的直流電源，理想的太陽能電池的I-V關(guān)系式如下式表示：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>

41、　　其中I為PN結(jié)的電流(A)；為反向飽和電流(A)；V為外加電壓(V)：q是電子電荷(1. 6C)；K是玻耳茲曼常數(shù)(1．38×J／K)；T是絕對溫度(K)。</p><p>　?。?）光伏陣列輸出特性曲線</p><p>　　太陽電池的I-U特性是指在某一確定的日照強度和溫度下，如圖2.3中實線所示是太陽電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系。此外，利用I-U特性曲線數(shù)據(jù)通過計算

42、后可以做出P-U特性曲線，如圖2.3中虛線所示。</p><p>　　圖2.3 太陽電池I-U和P-U特性曲線</p><p>　　從I-U特性曲線可以看出日照強度和穩(wěn)定確定的條件下，太陽能輸出電流隨電壓變化不是特別明顯，而電壓在一定范圍類恒定，一旦超過這個范圍。它的輸出電流會隨著電壓的增大而減小。</p><p>　　在給定日照情況下，太陽電池短路時，即U=0，

43、此時電流最大，稱為短路電流；太陽電池開路時，即I=0，此時電壓最大，稱為開路電壓。電池輸出功率最大的點稱為最大功率點Pm；該點所對應的電壓，稱為最大功率點電壓；該點所對應的電流，稱為最大功率點電流。</p><p>　　太陽能光伏電池特性受溫度和日照強度影響。溫度與照度每時每刻都在改變，因此只有對其外接負載做出適當?shù)乜刂疲拍艿玫阶畲蟮妮敵龉β?，否則太陽能光伏電池將可能會因大氣變化而無法提供足夠的能量給負載，甚至

44、導致其崩潰并造成應用上的缺失</p><p>　　2.3 系統(tǒng)控制策略</p><p>　　2.3.1 最大功率點跟蹤</p><p>　　光伏陣列的輸出受日照強度、環(huán)境溫度和負載情況等條件影響，具有非線性特征。并且其為了提高光伏陣列的利用效率，要求光伏陣列在任何日照下都工作在最大功率點處[13]。目前常用的最大功率點跟蹤控制方法有：</p>&l

45、t;p><b>　?。?）恒壓式CVT</b></p><p><b>　　（2）電導增量法</b></p><p><b>　?。?）干擾觀察法</b></p><p><b>　　（4）功率回授法</b></p><p>　?。?）真正最大功率點

46、跟蹤等。</p><p><b>　　（a）CVT法</b></p><p>　　具體的CVT法如表2.2所示：</p><p>　　表2.1 CVT法</p><p><b>　　（b）電導增量法</b></p><p>　　由太陽能電池的P—V曲線可以看出，在最大功率點

47、處有／=0，由于P=IV，通過簡單的數(shù)學推導可以得出在最大功率點處有以下式子成立</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　因此導納的增量可以決定是否已經(jīng)達到最大功率點，從而在該點處停止對工作點的干擾。這就避免了在最大功率點左右振蕩，且能做到快速跟蹤[14]。如果條件不成立，MPPT工作點擾動方向可以通過和的關(guān)系來計算。導納增量法的數(shù)學依據(jù)是

48、在最大功率點處功率對電壓的導數(shù)為0。由于P—V曲線為一單峰曲線，因此采用導納增量法進行最大功率跟蹤時并無原理性誤差，是個理想的MPPT跟蹤方法[16]。</p><p>　　電導增量法流程圖如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 電導增量法流程圖</p><p>　　（c）擾動觀察法（P&Q）</p><p>　　電導增量法

49、與擾動觀察法殊途同歸，差別僅在于邏輯判斷式與測量參數(shù)的取舍。雖然電導增量法仍然是以改變光伏電池輸出電壓來達到最大功率點，但是接著修改邏輯判斷式來減少在最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象，使其更能適應日照強度和溫度瞬息變化的氣候條件。</p><p><b>　?。╠）功率回授法</b></p><p>　　由于恒定電壓法無法隨環(huán)境條件的改變自動跟蹤到最大功率點，在此基礎(chǔ)上加入輸

50、出功率對電壓變化率的判斷，以適應天氣的變化，從而達到最大功率點跟蹤，即改變輸出功率，判斷／是否等于0，當／=0時即工作在最大功率點[19]。</p><p><b>　?。╡）最優(yōu)梯度法</b></p><p>　　最優(yōu)梯度法是一種以梯度算法為基礎(chǔ)的多位無約束最優(yōu)化問題的數(shù)值計算法。最優(yōu)梯度法保留了擾動觀察法的各種優(yōu)點，同時藉由一個類似動態(tài)的擾動量來改變在太陽能輸出功

51、率曲線上電壓的收斂速度。</p><p><b>　?。╢）TMPPT法</b></p><p>　　具體的TMPPT法如表2.3所示[7]：</p><p>　　表2.3 TMPPT法</p><p>　　由于太陽電池的伏安特性曲線／在最大功率點左側(cè)變化很大，負載電流的微小擾動都會使陣列電壓有較大的波動，因此，對系統(tǒng)

52、的穩(wěn)定性極為不利，在進行最大功率點追蹤的過程中，電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)設計時要求系統(tǒng)有較快的響應速度，使系統(tǒng)處于恒電壓區(qū)域以內(nèi)進行追蹤[21]。</p><p>　　2.3.2 控制策略的實現(xiàn)</p><p>　?。╝）DC/DC控制原理圖如圖2.5所示：</p><p>　　圖2.5 DC/DC原理圖</p><p>　　Boost電路的MP

53、PT控制框圖如圖2.6所示：</p><p>　　圖2.6 Boost電路MPPT控制框圖</p><p>　　為最大功率跟蹤的給定電壓值，為光伏陣列輸出的反饋電壓，和的誤差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后控制變頻逆變器的PWM脈沖生成，從而起到改變機泵負載特性的作用。</p><p>　　MPPT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示：</p><p>　　圖2.7

54、 MPPT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　?。╞）DC/AC控制</p><p>　　在光伏水泵中實現(xiàn)CVT式最大功率點跟蹤的原理框圖如圖2.5所示。圖中是經(jīng)最大功率點跟蹤后的boost輸出電壓，是boost電路中電容的電壓值。輸出的電壓和實際反饋電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出給定頻率f，再通過V/F控制輸出控制電壓u，調(diào)節(jié)逆變輸出電壓的頻率與幅值，從而改變光伏陣列的負載阻

55、抗。不同的PWM脈寬對應不同的負載阻抗。</p><p>　　圖2.8 CVT式最大功率點跟蹤原理框圖</p><p>　　當>時，PI調(diào)節(jié)器輸出給定頻率增加，電機轉(zhuǎn)速升高，負載增大，光伏陣列輸出電流增加，從而使光伏陣列反饋電壓減小，向給定電壓以靠近；當<時，PI調(diào)節(jié)器輸出給定頻率減小，電機轉(zhuǎn)速下降，負載減小，光伏陣列輸出電流減小，從而使光伏陣列反饋電壓增大，向給定電壓靠近。

56、</p><p>　　2.4 光伏水泵控制的集中結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　圖2.9所示是適合小型供水場合，是專門用于供水的無人值守交流光伏水泵系統(tǒng)。</p><p>　　圖2.9 微型供水系統(tǒng)</p><p>　　圖2.10所示是具有多種用途，性能價格比較優(yōu)越，可以滿足無電用戶的用電要求的供水系統(tǒng)。</p><p&

57、gt;　　圖2.10 多種用途供水系統(tǒng)</p><p>　　光伏水泵系統(tǒng)硬件的設計</p><p>　　3.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設計</p><p>　　如圖3.1所示是光伏系統(tǒng)的硬件設計，主要包括DC/DC升壓電路變換部分和DC/AC變頻逆變部分，DC/DC升壓部分采用boost升壓電路；DC/AC逆變部分采用電壓型三相橋式逆變電路[22]（原理圖見附錄II）

58、本設計以10kW三相光伏水泵裝置為設計目標，假設太陽能電池輸出電壓=300V進行設計，交流側(cè)線電壓=380V，可以由公式3.1計算出逆變器直流輸入側(cè)的電壓。</p><p><b>　　（3.1）</b></p><p>　　其中M為調(diào)制度，取0.8，代入數(shù)據(jù)可以算出=800V</p><p>　　圖3.1 光伏水泵系統(tǒng)硬件設計圖</p

59、><p>　　3.1.1 DC/DC boost升壓電路</p><p>　　Boost升壓器的設計主要是確定關(guān)鍵元件，即輸出濾波電容C、儲能電感L、開關(guān)管VT以及二極管VD，由于電感L中流過直流電流，它必須設計在最大的負載電流下不飽和[9]。如圖3.2所示為boost電路。</p><p>　　圖3.2 Boost電路拓撲</p><p>

60、<b>　?。╝）電容C的選擇</b></p><p>　　穩(wěn)壓電源達到穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓穩(wěn)定在所需的恒定值，只要適當選擇電容C，輸出紋波可做得足夠小，當要求紋波為，直流輸出電流為時，由于在管子導通期間全部負載由C供電，因此選擇C取決于下式：</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中為開關(guān)管的

61、導通時間，，代入上式中可得：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　由，f=20K，=800V，紋波取0.1，可計算得 C=3910</p><p><b>　　（b）電感L的選擇</b></p><p>　　電感電流包括直流平均值及紋波分量兩部分。假定忽略其電路的內(nèi)部

62、損耗，則，其中是從電源取出的平均電流，也是流入電感的平均電流，故有：</p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　選擇值，應使電感的峰值電流不大于最大平均直流電流的20%，這樣可以防止電感飽和，也減小了VT中的峰值電流、電壓和損耗。</p><p><b>　　選擇紋波分量:</b></p&g

63、t;<p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　則電感L為：</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)可計算得L=0.7mH</p><p><b>　　（c）晶體管的選擇</b&

64、gt;</p><p>　　晶體管VT上承受的最大電壓是，選擇管子的集電極電壓額定值應留有一定的裕量，通常取晶體管額定電壓為實際工作電壓的1.5~2倍。</p><p>　　晶體管VT在期間流過電流就是該期間內(nèi)電感流過的電流，也就是輸入電流，假定電路內(nèi)部沒有損耗， ，流過VT的電流峰值為，據(jù)此來選擇晶體管的集電極電流。</p><p>　　由上述依據(jù)應選取的晶體管U

65、=1200V，I=40A，選用IHW40T120（1200V/40A），英飛凌，To-247封裝。</p><p><b>　?。╠）二極管的選擇</b></p><p>　　在晶體管VT導通期間，二極管VD截止，這時VD上承受的電壓為，選擇二極管的額定電壓時，通常取二極管額定電壓為實際工作電壓的1.5~2倍[9]。</p><p>　　在晶體

66、管VT截止期間，二極管VD導通，VD中流過的電流為輸出電流與電容C充電之和，也就是期間電感L中流過的電流，即輸入電流，流過VD的電流峰值為，據(jù)此來選擇二極管的額定電流[9]。</p><p>　　由上述可選二極管的額定電壓U=1200V，額定電流I=1.2=1.233.3=40A。</p><p>　　3.1.2 DC/AC逆變器的設計</p><p>　　逆變回

67、路中常用的開關(guān)元件主要包括：功率MOSFET、智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）和IGBT等。</p><p>　　功率MOSFET是一種電壓型開關(guān)器件，其開關(guān)頻率高、導通壓降小、價格低廉且驅(qū)動電路較為簡單，現(xiàn)已廣泛應用于中小型開關(guān)電源和汽車電子中。但是由于設計工藝的原因，很難設計出既能承受高電壓又能承受大電流的功率MOSFET，而且由于MOSFET的正溫度系數(shù)特性，當MOSF

68、ET承受電壓增大時，其導通電阻也相應增加，應用優(yōu)勢逐漸減弱。</p><p>　　很多中小功率通用變頻系統(tǒng)的逆變單元都采用智能功率IPM(Intelligent Power Module)模塊。IPM模塊具有以下特點：體積小，功能多，使用方便。根據(jù)設計容量的要求，IPM模塊選用三菱公司的PM50RSA120。IPM模塊與IGBT及其驅(qū)動電路的組件相比，它們的顯著特點如表3.1所示[23]：</p>

69、<p>　　表3.1 IGBT的特點</p><p>　　3.1.3 DSP芯片選型及電源電路的設計</p><p>　?。╝）芯片DSP TMS320LF2406A簡介（原理圖見附錄III）</p><p>　　DSPTMS320LF2406A是TI公司生產(chǎn)的專門用于電機控制的高性能32位DSP。其主要特點如表3.2所示：</p>&l

70、t;p>　　圖3.2 DSP芯片的特點</p><p>　　（b）DSP電源設計</p><p>　　DSP2406A的工作電源是3.3V，它對電源的可靠性要求較高。系統(tǒng)輔助電源模塊提供的最低電壓是5V，所以要進行電壓轉(zhuǎn)換。如圖3.3所示:</p><p>　　圖3.3 DSP電源穩(wěn)壓</p><p>　　TPS73XX是一款電壓調(diào)

71、節(jié)器，它的輸出電壓可以是固定的，也可以是可調(diào)的。本系統(tǒng)采用5V轉(zhuǎn)3.3V專用芯片TPS7333。</p><p>　　3.2 采樣電路設計</p><p>　　(a)本系統(tǒng)直流母線電壓采樣電路如圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 直流母線電壓采樣</p><p>　　電路工作原理為：光耦OP1A工作在線性放大狀態(tài)，對電壓進行隔離

72、，運放A1B和光耦OP1B形成了一個電壓負反饋，當A1A的3腳電壓高于2腳電壓時，l腳輸出電壓升高，使光耦OP1B的輸出電流增加，A1A的2腳電壓升高，最終使運放A1A的3腳和2腳電壓相等，以保證輸出和輸入成線性關(guān)系。選取電阻R63與R66相等，且因兩光耦為同類型，所以。由于電壓較高，忽略光耦的壓降，于是可得輸入輸出電壓比為：</p><p><b>　　(3.7)</b></p>

73、;<p>　　適當?shù)剡x擇R64、R6l和R62就能選擇合適的反饋電壓。</p><p>　　（b）交流輸出電流采樣如圖3.5所示：</p><p>　　霍爾電流傳感器選用HNC161 ，輸出電流范圍為：125mA±0.5%</p><p>　　圖3.5 交流電流輸出采樣</p><p>　　令R305=R306，從電

74、流采樣電路可知：</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　要使輸出電壓在0~3.3V之間就要適當選擇R300、R302和R303。</p><p>　　（c）溫度采樣如圖3.6所示：</p><p>　　溫度采樣用溫度傳感器TC1047實現(xiàn)。TC1047的溫度測量范圍是，輸出電壓是l 00mV

75、~1．75V。采樣電路如圖，采樣電路輸入輸出關(guān)系是： </p><p>　　圖3.6 溫度采樣電路</p><p>　　光伏水泵系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　系統(tǒng)程序主要由主程序和中斷子程序組成，主程序要完成系統(tǒng)的初始化，然后打開中斷，進入主循環(huán)，等待中斷事件發(fā)生。定時器上溢中斷程序完成電路的各種電壓、電流和溫度采樣，進行MPPT跟蹤，DC/DC控制和DC/

76、AC控制，由V/F算出輸出電壓，并對脈寬的計算調(diào)制。其主程序及中斷子程序如圖4.1和圖4.2所示。</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖4.1 主程序框圖</p><p>　　圖4.2 中斷子程序框圖</p><

77、;p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設計內(nèi)容主要包括光伏水泵系統(tǒng)的構(gòu)成、太陽電池陣列的最大功率跟蹤及優(yōu)化控制、系統(tǒng)硬件部分和軟件部分設計。</p><p>　　在系統(tǒng)設計時通過要充分考慮系統(tǒng)的各個相關(guān)參數(shù)的匹配并要獲取實際運行數(shù)據(jù)，也具有良好的示范效果，達到了設計要求，但是系統(tǒng)還是需要進行長期的經(jīng)濟性分析，進一步優(yōu)化系統(tǒng)設計，并能通過使用獲取更

78、多的數(shù)據(jù)，來改進設計軟件，提高系統(tǒng)設計準確性和便捷性。 提出了系統(tǒng)控制策略，采用最大功率跟蹤，采用恒壓式CVT法實現(xiàn)。用PI調(diào)節(jié)，PWM輸出，不同的負載用不同的PWM脈沖寬度。硬件設計選用TI公司生產(chǎn)的專用電機控制的、高性能的32位DSPTMS32042406。設計了B00stst 電路圖，進行了電路參數(shù)的選擇，數(shù)據(jù)合理。</p><p>　　變頻系統(tǒng)逆變單元采用智能控制模塊，選用三夌公司的PM50RSA120模

79、塊。</p><p>　　本文對系統(tǒng)軟件進行設計，主要設計了主程序和中斷服務程序。并繪制了流程圖。</p><p>　　并討論了一些最大功率點跟蹤算法，對比了它們各自的優(yōu)缺點，設計出可實行的控制策略，來對太陽能電池板進行最大功率的輸出。整體上完成了該課題的任務要求。</p><p>　　本文未盡之處，如光電水泵壞了之后的替換等。希望其他同學能在研究過程中繼續(xù)深入和改

80、進。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在導師劉學軍教授的悉心指導下完成的。在書寫論文中，劉老師都能及時回應我所提出的問題，并能給出獨到的見解與意見，使我受益匪淺。論文研究期間，劉老師傾注了大量的心血，多次對論文進行審閱，給予了我很多幫助與鼓勵，令我終生難忘。在論文完成之際，請允許我向尊敬的導師劉老師表示最誠摯的謝意。</p&g

81、t;<p>　　在這里，我還要感謝煙臺南山學院及工學院的所有老師、同學，感謝家人、朋友的鼓勵和支持。</p><p>　　最后，感謝家人在我學習期間對我不懈的支持，感謝所有在我人生路上給與我?guī)椭耐瑢W老師。也感謝在百忙之中參與我論文評審的專家老師，在此深表敬意！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[

82、1]李維斌，曹潔，吳鵬川，張云鳳.太陽能光伏水泵控制系統(tǒng)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2010,36（6）:46-51.</p><p>　　[2]陳珂.砷化鎵納米線太陽能電池研究[D].杭州：浙江大學，2012.</p><p>　　[3]許偉民，何湘鄂，趙紅兵，馮秋紅.太陽能電池的原理及種類[J].發(fā)電設備，2011,</p><p>　　25（2）：137-14

83、0.</p><p>　　[4]盛男. 交流異步電機光伏水泵控制系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2010.</p><p>　　[5]陳建華. 具有光伏水泵控制功能的新型變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D].長沙：湖南大學，2008.</p><p>　　[6]劉程. 基于MPPT的戶用光伏水泵變頻控制器的研制[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2009.</p>&l

84、t;p>　　[7]吳華波.基于擾動觀察法的最大功率跟蹤的實現(xiàn)[J].電測與儀表，2010,47（539）：42-46.</p><p>　　[8]程啟明，程尹曼，汪明媚，倪仁杰.光伏電池最大功率點的跟蹤方法[J].上海：上海電力學院學報，2009,25（4）：346-352.</p><p>　　[9]杜少武.現(xiàn)代電源技術(shù)[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2010.</p>

85、;<p>　　[10]李從飛，陳凡，劉滌塵.IPM使用過程中若干問題的研究[J].電氣應用，2005,24（10）：98-102.</p><p>　　[11]黃安，王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京;機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[12]胡壽松. 自動控制原理[M]. 南京：科學出版社，2005.</p><p>　　[13]張衛(wèi)寧等

86、. TMS320C28X系列DSP的CPU與外設[M]. 北京：清華大學出版社，2004.</p><p>　　[14]張興，曹仁賢等. 太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.</p><p>　　[15]賈自強.光伏水泵系統(tǒng)設計與試驗研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學，2010.</p><p>　　[16]蘇建徽. 光伏水泵系統(tǒng)及其控

87、制的研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學，2003.</p><p>　　[17]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[18]程善美，付中奇.基于dsPIC30F6010 空間矢量PWM 的實現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2006，40（6）：113-114.</p><p>　　[19]袁立強，趙爭鳴，陳昆侖等. 光伏

88、水泵系統(tǒng)的電磁兼容性設計[J]. 電工電能新技術(shù)，2002，21(3)：25-27.</p><p>　　[20]鞠洪新，余世杰，蘇建徽等．基于空間矢量ＰＷＭ法的光伏水泵變頻控制系統(tǒng)[J]. 太陽能學報，2005，26(2)：151-164.</p><p>　　[21] Singh B，Swamy C，Singh B P．Analysis and development of a low

89、—cost permanent magnet brushless DC motor drive for PV-array fed water pumping system[J]．Solar Energy Materials and Solar Cells，1997，5l(1)：55-67．</p><p>　　[22] Moussi B A．A performance optimization of a phot

90、ovoltaic induction motor puming system[J]．Renewable Energy，2004，29(14)：2167-2181．</p><p>　　[23] Rauschenbach H S．Solar Cell Array Design Handbook[M]．Litton Educational Publishing Inc，1980．</p><p&g

91、t;　　[24] Ogasawara．S，Akagi．H．The generalized theory of indirect Vector control for AC</p><p>　　Machines[J].IEEE Trans．Industry AppIications，1988，24(3)：470-478.</p><p>　　附錄I 光伏水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p&g

92、t;<p>　　附錄II 三相逆變橋原理圖</p><p>　　附錄III DSP及周邊電路接線圖</p><p><b>　　附錄IV 程序清單</b></p><p>　　switch(AB C)//換相程序，ABC=5, 4, 6, 2, 3, 1</p><p>　　} case 5:

93、 //上管極性均取反，上管P}下管高電平</p><p>　　setReg(PWM-OUT,48648);//10 111110 00 001000</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 4:</b></p><p>　

94、　setReg(PWM-OUT,48672);//10 111110 00 100000</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 6:</b></p><p>　　setReg(PWM-OUT,47904);//10 111011 00 100000</p>&

95、lt;p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 2:</b></p><p>　　setReg(PWM-OUT,47874);//10 111011 00 000010</p><p><b>　　break;</b></p><p>&

96、lt;b>　　case 3:</b></p><p>　　setReg(PWM-OUT,44802);//10 101111 00 000010</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　case 1:</b></p><p>　　setReg(