【正文】 波形，第三坐標(biāo)軸均為功率隨時(shí)間變化波形。由上圖可知，在一定溫度下，當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí)，最大功率隨之改變。當(dāng)電壓和功率達(dá)不到真正的穩(wěn)定，兩者會(huì)在最大功率點(diǎn)附近小范圍振蕩。，太陽(yáng)能電池電壓與功率的變化波形。 kW/m2變?yōu)? kW/m2，由圖可見(jiàn)，電壓增加，功率也迅速增加，最終在最大功率點(diǎn)附近振蕩。，日照強(qiáng)度減小，電壓降低，功率迅速減小，最后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，變化前后電壓和功率未發(fā)生多大改變。 可以說(shuō)在實(shí)際環(huán)境中，在日照強(qiáng)度因環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)消失后，太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出功率仍能恢復(fù)之前的大小，且誤差較小。圖 太陽(yáng)能電池受日照強(qiáng)度擾動(dòng)時(shí)的輸出電壓和輸出功率波形經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)Pamp。O法控制思路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為方便，不必對(duì)功率求導(dǎo)，在軟件實(shí)現(xiàn)上較為方便、快捷，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，提高系統(tǒng)的利用效率。但其缺點(diǎn)是：達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行；存在著因功率跟蹤過(guò)程中非單調(diào)性造成的誤差。針對(duì)在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行的問(wèn)題，本課題增加了一個(gè)自變化步長(zhǎng)控制。該措施的引入，有助于在系統(tǒng)初期快速接近最大功率點(diǎn)附近，即步長(zhǎng)較大；當(dāng)功率差值下于一定值時(shí)，自動(dòng)按級(jí)變化步長(zhǎng)，這樣使系統(tǒng)最終在小范圍內(nèi)略有振蕩。 MPPT算法流程圖該算法是改進(jìn)型的干擾觀察法，系統(tǒng)定時(shí)對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電壓Vk和電流Ik進(jìn)行采樣，計(jì)算出功率Pk后，與上一次計(jì)算的功率P(k1)進(jìn)行比較，如果小于前值，則說(shuō)明本次控制使功率輸出降低了，應(yīng)控制使太陽(yáng)能電池輸出電壓按原來(lái)相反的方向變化，如果大于則維持原來(lái)的方向，這樣就保證了使太陽(yáng)能輸出向增大的方向變化。子程序在定時(shí)器的控制下，每隔一定時(shí)間進(jìn)入該程序，并引入一個(gè)小的電壓變化（增加或減?。?，然后進(jìn)行觀察，并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池的工作點(diǎn)。在比較過(guò)程中還增加了誤差大小調(diào)節(jié)，即變步長(zhǎng)C的引入。在反復(fù)的擾動(dòng)、觀察與比較中，通過(guò)C來(lái)調(diào)節(jié)收斂性，使太陽(yáng)能電池基本達(dá)到其最大功率點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。當(dāng)經(jīng)過(guò)MPPT算法計(jì)算后，需要控制DC/DC占空比和與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的逆變橋母線占空比，以此實(shí)現(xiàn)輸出阻抗的改變。 MPPT程序流程圖本課題的控制系統(tǒng)將分成光伏陣列控制和無(wú)刷直流電機(jī)控制。利用DC/DC變換器和MPPT算法來(lái)控制光伏陣列，使其始終工作于相應(yīng)的最大功率輸出狀態(tài)；無(wú)刷直流電機(jī)控制是在逆變橋部分，根據(jù)前級(jí)輸出功率實(shí)時(shí)調(diào)整其輸出電壓和頻率，以維持電機(jī)的轉(zhuǎn)差恒定，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳運(yùn)行。控制系統(tǒng)框圖,。圖 光伏水泵控制系統(tǒng)方案框圖光伏水泵系統(tǒng)的調(diào)速控制有其特殊性，不同種類的電機(jī)有不同的調(diào)速控制方法，但對(duì)速度的控制都必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件。在光伏水泵系統(tǒng)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速與其輸出功率成三次方關(guān)系(離心式潛水電泵)，即功率 轉(zhuǎn)速n與輸出功率戶的函數(shù)關(guān)系呈單調(diào)上升，驅(qū)動(dòng)能量由太陽(yáng)電池陣列提供，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小控制必須與太陽(yáng)電池提供的功率相匹配，而太陽(yáng)電池提供的功率卻與溫度、日照強(qiáng)度有密切關(guān)系，同時(shí)與負(fù)載電流也有強(qiáng)烈的非線性關(guān)系，由此電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)控制也必須包含對(duì)太陽(yáng)電池陣列工作點(diǎn)的控制，而這里首先必須保證太陽(yáng)電池陣列穩(wěn)定工作，并使其工作于最大功率點(diǎn)，只有這樣才能使水泵電機(jī)在同樣溫度、照度條件下獲得最大輸出轉(zhuǎn)速，亦即獲得最大功率。:*為太陽(yáng)電池陣列的給定工作電壓，該給定工作電壓的選擇與陣列組件的V一I特性和串聯(lián)數(shù)有關(guān)，其最佳給定值是在與陣列最大功率點(diǎn)相應(yīng)電壓的附近，PI調(diào)節(jié)器控制的目的就是使電池陣列反饋的工作電壓等于指令電壓，以使陣列輸出最大功率。PI調(diào)節(jié)器的輸出為PWM控制信號(hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變?nèi)珮虻南聵虮坶_(kāi)關(guān)管，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的輸入端電壓，由此達(dá)到控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。在光伏水泵系統(tǒng)中，系統(tǒng)負(fù)載是水泵電機(jī)，電機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系是單調(diào)非線性的。對(duì)于離心式水泵，其輸出功率和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，而轉(zhuǎn)速又與其輸入電壓成正比，所以電機(jī)的輸出功率與其輸入電壓成正比?；谝陨详P(guān)系，控制系統(tǒng)利用光伏陣列輸出電壓、最大功率點(diǎn)跟蹤算法及電機(jī)轉(zhuǎn)速等關(guān)系綜合考慮，從而集中控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)果與分析本課題方案選擇的是保證光伏陣列輸出功率最大，不斷調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電路是用面包板搭接的，導(dǎo)致電路性能很不穩(wěn)定，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些電器元件接觸不良的現(xiàn)象。同時(shí)也給調(diào)式帶來(lái)很大的難度。從下列波形圖可以看出，調(diào)試波形存在很大的干擾。當(dāng)仍可通過(guò)觀察看出，波形脈寬又逐漸增大的趨勢(shì)。而出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閷?duì)滑動(dòng)變阻器R4進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其逐漸增大測(cè)的U2的OUTB輸出電壓PWM占空比逐漸增大。主要是因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器所給定的阻值，既電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，當(dāng)電阻增大給定轉(zhuǎn)速變大，經(jīng)過(guò)比較控制調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其達(dá)到給定轉(zhuǎn)速。即電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路光伏水泵調(diào)速的目的就是為了適應(yīng)光伏陣列輸出電能的變化，又要將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，減少系統(tǒng)損耗，達(dá)到節(jié)能的效果。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究光伏水泵系統(tǒng)，本文認(rèn)為對(duì)于無(wú)蓄電池的光伏水泵系統(tǒng)在“日出而作，日落而停”的工作模式下，應(yīng)當(dāng)追求單位時(shí)間抽水量最大，適當(dāng)考慮最大功率點(diǎn)跟蹤。為保證單位時(shí)間抽水量最大，等同來(lái)說(shuō)是電機(jī)轉(zhuǎn)速要高，也就是逆變橋PWM占空比要大，電機(jī)母線電壓要高。以下為滑動(dòng)變阻器由小到大調(diào)節(jié)所輸出的波形：未來(lái)工作展望本課題研究了光伏水泵控制系統(tǒng)，并討論了各種電機(jī)在光伏水泵系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)比了各自的優(yōu)缺點(diǎn)；著重研究了無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用于光伏水泵系統(tǒng)中的一系列問(wèn)題，深入討論了PWM控制策略和干擾觀察法的可操作性，以及過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)電路。從前期調(diào)研，按功能環(huán)節(jié)有步驟的對(duì)各模塊研究、設(shè)計(jì)；到原理敲定，畫(huà)原理圖，購(gòu)買、制做相關(guān)元件，用面包板搭接電路，完成各部分的調(diào)試工作；此外軟件流程圖設(shè)計(jì)、程序編程也一同展開(kāi)，軟件調(diào)試有時(shí)會(huì)與硬件結(jié)合起來(lái)一起調(diào)試；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)啟動(dòng)后，無(wú)位置無(wú)刷直流電機(jī)能夠很好的平穩(wěn)起動(dòng)，并且其調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)其應(yīng)有的作用。本課題研究尚屬起步階段，相關(guān)改進(jìn)工作還需要后期完善?？傮w來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)制作的樣機(jī)基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 今后工作展望隨著今后能源問(wèn)題的重視，光伏水泵系統(tǒng)將在未來(lái)有很廣闊的發(fā)展空間。本課題研究的光伏水泵驅(qū)動(dòng)器器，基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，但作為成熟產(chǎn)品還有很長(zhǎng)路要走，需要做很多細(xì)節(jié)工作，以及理論研究，下一步工作大致如下：進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及控制器的光伏性能。發(fā)展直流永磁無(wú)刷無(wú)位置傳感器電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片以進(jìn)一步增強(qiáng)其功能并提高其可靠性。對(duì)于硬件平臺(tái)還可以繼續(xù)改進(jìn)，優(yōu)化電路布局。電路中大部分電阻、電容等可以使用貼片式的，這樣有利于減少電路板實(shí)際尺寸?？紤]DC/DC電路使用升降壓電路，為以后使用大負(fù)載提供可能，便于最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)。另外，完善光伏水泵系統(tǒng)的整體調(diào)速?？紤]到實(shí)際天氣情況，有時(shí)連續(xù)陰雨天，無(wú)蓄電池的光伏系統(tǒng)不能充分服務(wù)于廣大群眾?？梢栽诩尤胄铍姵睾?，綜合研究整個(gè)光伏水泵系統(tǒng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)、大規(guī)?？紤]，光伏水泵系統(tǒng)的整體效率其實(shí)并不是單臺(tái)水泵控制系統(tǒng)，而應(yīng)是大規(guī)模的、集群式的。這樣就需研究眾多光伏水泵整體的集群控制，在這方面可以深入理論和工程研究。致謝本論文是在我的導(dǎo)師蔣偉博士、江東流碩士的悉心指導(dǎo)下完成的。這里我要深深的感謝我的導(dǎo)師蔣偉博士，他一絲不茍、不斷創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度，謹(jǐn)慎、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)者風(fēng)范時(shí)刻感染和激勵(lì)著我探索前行，對(duì)我在學(xué)習(xí)上的嚴(yán)格要求和勉勵(lì)，而且更教育我們?yōu)槿说牡览?，與蔣博士討論使我受益匪淺。也讓我對(duì)今后的學(xué)習(xí)生活，有了你更深的期望和憧憬。同時(shí)也要感謝我的研究生學(xué)長(zhǎng)江東流碩士，他超強(qiáng)的動(dòng)手能力，豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)讓我終身受用。并且在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)期間為我提供了大量有價(jià)值的參考資料。讓我從對(duì)本設(shè)計(jì)的迷霧中找到出路，為我點(diǎn)燃了啟明的燈火。我的論文能順利完成，離不開(kāi)他的指導(dǎo)和幫助。在此，向蔣偉老師和江東流學(xué)長(zhǎng)致以深深的謝意。同時(shí)，在本論文的完成過(guò)程中，我同學(xué)和各任課老師給予了我無(wú)私的幫助，并在平時(shí)的學(xué)習(xí)生活中鼓勵(lì)我，協(xié)助我。正是因?yàn)橛辛四銈兊闹С峙c陪伴，讓我度過(guò)了快樂(lè)的四年，也讓我為這四年畫(huà)下圓滿的句號(hào)。在此向四年同窗好友們表示感謝。最后，作者感謝揚(yáng)州大學(xué)四年的培養(yǎng)。感謝曾經(jīng)教育和幫助作者的所有老師。衷心感謝百忙之中抽出時(shí)間參加論文評(píng)閱和論文答辯的各位專家學(xué)者，感謝他們?yōu)閷忛啽疚乃冻龅男燎趧趧?dòng)。參考文獻(xiàn)[1] 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