【文章內(nèi)容簡介】 1）設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取主電路拓?fù)洹? （ 2）了解太陽能電池板特性，根據(jù)光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)來探討了恒定電壓法、電導(dǎo)增量法等一些最大功率點(diǎn)跟蹤方法的原理和特點(diǎn) [9]。 （ 3）詳細(xì)設(shè)計(jì)控制策略。 （ 4）基于 DSPTMS320LF2406A 芯片進(jìn)行硬件部分的設(shè)計(jì)，選出 boost 電路及主電路的器件型號(hào)，設(shè)計(jì)采樣電路 使之符合要求。 （ 5）畫出程序流程框圖。 xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 第 2 章 光伏水泵系統(tǒng)的基本原理 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(dòng)電機(jī)和水泵負(fù)載，完成抽水功能 [10]。本章將對(duì)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(jìn)行討論。 光伏水泵系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 一般地，光伏水泵系統(tǒng)由光伏陣列、變頻逆變器、電動(dòng)機(jī)和水泵構(gòu)成。如圖 所示： 圖 光伏水泵基本結(jié)構(gòu)圖 其中光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽斔徒o逆變器；逆變器將此電能轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男问捷斔徒o電機(jī)；電動(dòng)機(jī)一般采用異步電機(jī)、直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)等，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能；水泵把電機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楸脙?nèi) 工作體的運(yùn)動(dòng)，使流體能量增加，以達(dá)到提升、輸送和增壓的目的 [11]。 本文研究的光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示，動(dòng)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(dòng)和輸入電壓的穩(wěn)定控制。 xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 圖 光伏水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 太陽能電池板特性 （ 1）太陽電池工作原理 太陽電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體 P． N 結(jié)的光生伏打效 應(yīng)。 因?yàn)樘柲茈姵乜芍苯訉⒐饽苻D(zhuǎn)換成電能，圖 所示即為太陽能電池的等效電路。圖中， LI 為光伏電池輸出的負(fù)載電流； DI 為通過 PN 結(jié)的總擴(kuò)散電流； jC 為 P— N 結(jié)電容； sR 為串聯(lián)電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面間接觸電阻等組成； shR 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]。 圖 光照時(shí)太陽能電池的等效電路 太陽能電池是一種具有強(qiáng)烈非線性的直流電源，理想的太陽能電池的 IV 關(guān)系式如下式表示： 0 ex p ( ) 1qVII KT???????? () 其中 I 為 PN 結(jié)的電流 (A)； 0I 為反向飽和電流 (A)； V 為外加電壓 (V)： q 是電子電荷 (1. 6? 1910? C)； K 是玻耳茲曼常數(shù) (1． 38 2310? J／ K)； T 是絕對(duì)溫度 (K)。 （ 2）光伏陣列輸出特性曲線 太陽電池的 IU 特性是指在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，如圖 中實(shí)線所示 xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 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 IU 特性曲線數(shù)據(jù)通過計(jì)算后可以做出 PU 特性曲線，如圖 中虛 線所示。 圖 太陽電池 IU 和 PU 特性曲線 從 IU 特性曲線可以看出日照強(qiáng)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(gè)范圍。它的輸出電流會(huì)隨著電壓的增大而減小。 在給定日照情況下，太陽電池短路時(shí)，即 U=0，此時(shí)電流最大，稱為短路電流 scI ；太陽電池開路時(shí)，即 I=0，此時(shí)電壓最大，稱為開路電壓 ocU 。電池輸出功率最大的點(diǎn)稱為最大功率點(diǎn) Pm；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓 mU ；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流 mI 。 太陽能光伏電池特性受溫度和日照強(qiáng)度影響。溫度與照度每時(shí)每刻都在改變，因此只有對(duì)其外接負(fù)載做出適當(dāng)?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(huì)因大氣變化而無法提供足夠的能量給負(fù)載，甚至導(dǎo)致其崩潰并造成應(yīng)用上的缺失 xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 系統(tǒng)控制策略 最大功率點(diǎn)跟蹤 光伏陣列的輸出受日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)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(diǎn)處 [13]。目前常用的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法有： （ 1）恒壓式 CVT （ 2）電導(dǎo)增量法 （ 3）干擾觀察法 （ 4）功率回授法 （ 5）真正最大功率點(diǎn)跟蹤等。 （ a） CVT 法 具體的 CVT 法如表 所示： 表 CVT 法 （ 1） 光伏陣列在光照強(qiáng)度不同的情況下最大功率輸出點(diǎn)幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)附近時(shí)要忽略溫度效應(yīng)，這表明最大功率點(diǎn)總是近似在某一個(gè)恒定的電壓值附近，把最大功率點(diǎn) 跟蹤簡化為穩(wěn)壓控制，這就是 CVT 控制的理論依據(jù) [18]。 （ 2） CVT 法的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 控制簡單 （ 2） 可靠性高 （ 3） 穩(wěn)定性好。 （ b）電導(dǎo)增量法 由太陽能電池的 P— V曲線可以看出，在最大功率點(diǎn)處有 dP ／ dV =0，由于 P=IV，通過簡單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出在最大功率點(diǎn)處有以下式子成立 //dI dV I V?? （ ） 因此導(dǎo)納的增量可以決定是否已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)，從而在該點(diǎn)處停止對(duì)工作點(diǎn)的干擾。這就避免了在最大功率點(diǎn)左右振蕩，且能做到快速跟蹤 [14]。如果條件不成立，MPPT 工作點(diǎn)擾動(dòng)方向可以通過 /dVdI 和 I/V? 的關(guān)系來計(jì)算。導(dǎo)納增量法的數(shù)學(xué)依據(jù)是在最大功率點(diǎn)處功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為 0。由于 P— V 曲線為一單峰曲線，因此采用導(dǎo)納增量法進(jìn)行最 大功率跟蹤時(shí)并無原理性誤差，是個(gè)理想的 MPPT 跟蹤方法 [16]。 電導(dǎo)增量法流程圖如圖 所示： xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 圖 電導(dǎo)增量法流程圖 （ c）擾動(dòng)觀察法（ Pamp。Q） 電導(dǎo)增量法與擾動(dòng)觀察法殊途同歸，差別僅在于邏輯判斷式與測(cè)量參數(shù)的取舍。雖然電導(dǎo)增量法仍然是以改變光伏電池輸出電壓來達(dá)到最大功率點(diǎn)，但是接著修改邏輯判斷式來減少在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象，使其更能適應(yīng)日照強(qiáng)度和溫度瞬息變化的氣候條件。 （ d）功率回授法 由于恒定電壓法無法隨環(huán)境條件的改變自動(dòng)跟蹤到最大功率點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上加入輸出功率對(duì)電壓變 化率的判斷，以適應(yīng)天氣的變化，從而達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤，即改變輸出功率，判斷 dP ／ dV 是否等于 0，當(dāng) dP ／ dV =0 時(shí)即工作在最大功率點(diǎn) [19]。 （ e）最優(yōu)梯度法 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(jì)算法。最優(yōu)梯度法保留了擾動(dòng)觀察法的各種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)藉由一個(gè)類似動(dòng)態(tài)的擾動(dòng)量來改變?cè)谔柲茌敵龉β是€上電壓的收斂速度。 （ f） TMPPT 法 xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 具體的 TMPPT 法如表 所示 [7]： 表 TMPPT 法 （ 1） 由光伏陣列伏安特性曲線可知，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)于同一輻照度的最大功率點(diǎn)位置也將變化 ， 光伏陣列在不同太陽輻照度下輸出最大功率點(diǎn)位置 不同 [7]。 （ 2） 鑒于 CVT 控制的局限性，它只能是一定環(huán)境條件下的最大功率點(diǎn)跟蹤，在不同條件下仍有功率損失。 （ 3） CVT 控制方式和其他控制方式都有各自的特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取合理的控制方式。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了 CVT 控制方式。 由于太陽電池的伏安特性曲線 dU ／ dI 在最大功率點(diǎn)左側(cè)變化很大，負(fù)載電流的微小擾動(dòng)都會(huì)使陣列電壓有較大的波動(dòng)，因此，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性極為不利，在進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤的過程中，電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要求系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)處于恒電壓區(qū)域以內(nèi)進(jìn)行追蹤 [21]。 控制策略的實(shí)現(xiàn) （ a） DC/DC 控制原理圖如圖 所示： 圖 DC/DC 原理圖 Boost 電路的 MPPT 控制框圖如圖 所示： xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 圖 Boost 電路 MPPT 控制框圖 *mpptU 為最大功率跟蹤的給定電壓值， pvU 為光伏陣列輸出的反饋電壓， *mpptU 和pvU 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(jī)泵負(fù)載特性的作用。 MPPT 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 MPPT 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ b） DC/AC 控制 在光伏水泵中實(shí)現(xiàn) CVT 式最大功率點(diǎn)跟蹤的原理框圖如圖 所示。 圖中 *dcU 是經(jīng)最大功率點(diǎn)跟蹤后的 boost 輸出電壓 ， dcU 是 boost 電路中電容的電壓值。 輸出的電壓和實(shí)際反饋電壓比較后產(chǎn)生誤差電壓 U? ，經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器后輸出給定頻率 f，再通 xxxx 學(xué)院本科設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 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(fù)載阻抗。不同的 PWM 脈寬對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載阻抗。 圖 CVT 式最大功率點(diǎn)跟蹤原理框圖 當(dāng) dcU *dcU 時(shí) ， PI 調(diào)節(jié)器輸出給定頻率增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，負(fù)載增大，光伏陣列輸出電流增加，從而使光伏陣列反饋電壓 dcU 減小，向給定電壓以 *dcU 靠近；當(dāng)dcU *dcU 時(shí)， PI 調(diào)節(jié)器輸出給定頻率減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，負(fù)載減小，光伏陣列輸出電流減小，從而使光伏陣列反饋電壓 dcU 增大，向給定電壓 *dcU 靠近。 光伏水泵控制的集中結(jié)構(gòu)形式 圖 所示是適合小型供水場(chǎng)合，是專門用于供水的無人值守交流光伏水