【正文】 研究了一種快速準確的最大功率點跟蹤（MPPT）算法，它通過開路電壓和短路電流的太陽能光電板實現(xiàn)。Souhir Sallem等提出一種智能算法，通過模糊規(guī)則預測光伏組件一天的工作情況，及負載功率大小作出相應判斷，并考慮電池的安全性。合肥工業(yè)大學的佘世杰、蘇建徽教授等人更是在早期就對光伏水泵做了很多細致而實用的研究；曹仁賢等人更是在實際工程中將其運用于我國偏遠地區(qū)。何慧若教授在光伏水泵系統(tǒng)用CVT型最大功率跟蹤器電壓整定值的仿真研究中論述了環(huán)境溫度變化對光伏水泵系統(tǒng)專用ＣＶＴ型最大功率跟蹤器工作電壓整定值的影響，應用仿真程序給出了當使用地區(qū)冬、夏季溫差較大時ＣＶＴ型最大功率點跟蹤器工作在不同恒定電壓下系統(tǒng)揚水量的變化。通過“七五”“十一五”計劃，我國已在光伏水泵、獨立運行逆變器、并網(wǎng)逆變器、通信用控制器、光伏系統(tǒng)專用測量設備等部件攻關上取得進展。光伏水泵亦稱太陽能水泵，近年來它愈來愈被人們確認是當今世界上陽光豐富地區(qū)，尤其是缺電無電的邊遠地區(qū)最具吸引力的供水手段，利用隨處可取、取之不竭的太陽能實現(xiàn)高經(jīng)濟性和高可靠性的供水。從設計到制造涉及電氣、機械、電力電子、計算機、控制等多個學科的近代技術，為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、節(jié)能、環(huán)保等提供了極其良好的手段。發(fā)展這種新型環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品無疑將會對發(fā)展產(chǎn)業(yè)、發(fā)展經(jīng)濟，特別是發(fā)展干旱地區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，帶來巨大良好的經(jīng)濟效益和社會效益，它特別符合建設“資源節(jié)約型”及“環(huán)境友好型”社會的發(fā)展戰(zhàn)略。此外大量國際訂貨意向表明，這種高技術產(chǎn)品的國際市場前景令人十分鼓舞。圖 太陽能光伏陣列光伏水泵系統(tǒng)工作原理光伏水泵主要包括4部分：太陽電池陣列；具有MPPT功能的控制器；水泵電機負載；儲水裝置。不管為何種類型的水泵，光伏陣列是不變的，它給水泵提供動力能源，但是光伏陣列的特性影響水泵的運行。光伏水泵的工作參數(shù)從泵的特性來分共有6個基本量：流量，泵流量可分成體積流量和質量流量兩種，用符號Q表示，其單位以、等表示。功率：有效功率，泵內液體所獲得的凈功率（kW），可以根據(jù)流量和揚程計算得到：(2 1)其中，r為液體的材料系數(shù)。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才為有效功率。光伏水泵效率標志著水泵傳遞能量的有效程度，它由水力效率、機械效率和容積效率三者的乘積而得。銘牌上標明的轉速為額定轉速，當光伏陣列注入的能量改變后，水泵轉速將改變，同時水泵工作性能也隨之改變。在以上6個參數(shù)中，流量、揚程、轉速是基本參數(shù)，只要其中一個發(fā)生變化，其余參數(shù)都會按照一定的規(guī)律或多或少地發(fā)生變化。無刷直流電機可以被視為以電子換向電路來代替機械換向器的直流電動機。 無刷直流電機工作原理。轉子每旋轉過電角度，存在六個不同的通電狀態(tài)。轉子處于與定子B相繞組軸線垂直的位置。此時A相繞組正向導通，B相繞組反向導通，定子磁動勢Fa和轉子磁動勢Fr之間的夾角為電角度。隨著轉子的轉動，定轉子磁動勢之間的夾角逐漸減小至電角度。當轉子處于與定子A相繞組組軸線垂直的位置時，轉子位置信號（或者反電勢過零點判斷信號）中某一相發(fā)生跳變，從而改變了換相邏輯，觸發(fā)功率管VV6導通。定轉子磁動勢互相作用繼續(xù)使轉子逆時針方向旋轉，直至轉子磁動勢到達圖中虛線所示位置。轉子與定子C相繞組軸線垂直的位置。轉子逆時針旋轉， Fa和Fr之間的夾角由電角度逐漸減小至電角度。轉子與定子B相繞組軸線垂直的位置。轉子逆時針旋轉， Fa和Fr之間的夾角減小至電角度。轉子與定子A相繞組軸線垂直的位置。轉子繼續(xù)逆時針旋轉。轉子與定子C相繞組軸線垂直的位置。繼續(xù)逆時針旋轉，F(xiàn)a和Fr之間的夾角減小至電角度。如此周而復始，轉子便連續(xù)旋轉起來。無刷直流電機的最大特點是具有優(yōu)良的調速和控制特性。 無刷直流電機的數(shù)學模型假定無數(shù)直流電機定子三相完全對稱，三相繞組Y型接法，組電阻、電感參數(shù)完全相同；忽略齒槽、換相過程、定子繞組電樞反應的影響；電機氣隙磁導均勻。在電機運行過程中，電磁轉矩的表達式為：(2 4) 式中，為轉子角速度（rad/s）。光伏水泵系統(tǒng)的解決方案對比在較大功率(比如說，功率大于10KW或更大時)的光伏水泵系統(tǒng)中，驅動電機仍不乏采用三相交流異步電機者，其中異步電機通常采用濕式護套繞組，由于槽滿率低的結構特點，其效率通常較同等功率的直流永磁無刷電機低得多，但是其構造相對簡單，造價相對低廉，油浸電機不適于用在同時提供人畜飲水的供水系統(tǒng)中，因此還有一定需求。 .，交流異步電機驅動之光伏水泵系統(tǒng)構成 光伏水泵系統(tǒng)結構示意圖首先是選擇主電路的拓撲結構。對于異步電機驅動的光伏水泵系統(tǒng)，主電路拓撲結構主要兩種：直接逆變拓撲結構和帶前級升壓變換的逆變拓撲結構。這里選用光帶前級升壓變換的逆變拓撲結構的系統(tǒng)。此外，最大功率跟蹤、打干保護、電機過載、堵轉、故障指示等也均由該部分實現(xiàn)。對于交流異步機光伏水泵的調速控制。由于用戶電壓會大范圍的變化，因此在調速控制中需要進行SPWM的補償運算，以保證交流異步電機在調速過程中的VIF比恒定，只有這樣，系統(tǒng)才能穩(wěn)定地工作。直流電動機以其機械特性好、調速范圍寬、起動轉矩大、運行效率高、控制簡單等優(yōu)點在運動控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，但是其電刷和換相器也帶來了可靠性較低、需經(jīng)常維護等弱點。它己從最初應用的宇航、軍事設施領域迅速擴展到工業(yè)和民用領域，、辦公室自動化和音響影視設備中，在一些電力傳動系統(tǒng)中，其應用也愈來愈廣泛。 永磁無刷直流電機驅動系統(tǒng)無刷直流磁力驅動光伏水泵：無刷直流水泵采用了電子組件換向，無需使用碳刷換向，采用高性能耐磨陶瓷軸及陶瓷軸套，軸套通過注塑與磁鐵連成整體也就避免了磨損，因此無刷直流磁力式水泵的壽命大大增強了?？梢酝ㄟ^定子的繞線調節(jié)各種所需的參數(shù)，可以寬電壓運行。電機的定子和電路板部分采用環(huán)氧樹脂灌封并與轉子完全隔離，可以水下安裝而且完全防水，水泵的軸心采用高性能陶瓷軸，精度高，抗震性好。使此光伏水泵驅動器能夠實現(xiàn)我們所要求的功能即可。 永磁直流無刷電機的應用異步電機亦即感應電機，結構簡單可靠、價格低廉、相對質量輕、體積小、機械特性硬；但是轉速調節(jié)復雜、啟動性能較差。無論應用那種電機，其額定工作電壓必須與太陽電池陣列的工作電壓相匹配，即太陽電池陣列的工作電壓必須大于電機額定工作電壓，否則即使處于最大日照強度條件下，電機也不可能輸出最大功率。另外一方面，永磁直流無刷電機的效率較高，感應電機的效率相對較低。而永磁無刷直流電機它的效率很高，能達到90%以上，而感應電機的效率相對就低的多了，最高只能達到60%70%。在本實驗中也正是以提高效率這一點為依據(jù)選擇使用永磁直流無刷電機。 功率MOSFET驅動電路設計 IR2110集成驅動電路隨著集成技術的高度發(fā)展,為了適應于MOSFET、IGBT驅動集成電路在電平轉換、電機調速等功率驅動中的應用,美國IR公司推出了IR2110集成驅動電路。因為上管驅動采用外部自舉電容上電,使得驅動電源數(shù)目大大少于其他IC芯片。(1)IR2110內部結構,其中包括:邏輯輸入、電平轉換、保護、上橋臂輸出和下橋臂輸出。輸入邏輯電路與TTL/CMOS電平兼容,其輸入引腳閥值與電源V+成比例,為電源電壓V+的10%,各通道相對獨立。輸出用圖騰柱結構,兩個高壓MOS管推挽驅動器的最大灌入或輸出電流為2A。當HIN=LIN=1時, HO=1, LO=1, MOSFET導通,當HIN=0, LIN=0時, HO=0, LO=0, MOSFET關斷。如果這二路驅動電壓小于8其電平典型轉換時間為Ton/Toff=120 ns/94 ns。其中V+采用5V~15V電源,適應TTL或CMOS邏輯信號輸入,Vcc為10 V~20 V功率管門極驅動電源。,C1為自舉電容,VCC經(jīng)DC負載、Q2給C1充電,以確保Q2關閉、Q1開通時,Q1管的柵極靠C1上足夠的儲能來驅動,從而實現(xiàn)自舉式驅動。3 V以上時,輸出驅動信號會因欠壓被邏輯封鎖, Q1就無法正常工作。要么為C1提供快速充電通路。3 V容易滿足。因此要合理設置PWM開關頻率和占空比調節(jié)范圍,通過實驗C1的選擇應考慮以下幾點:,頻率高,C1應該選擇小一點的。22μf或更大一點(一般取0,這樣就要為C1充電提供快速充電通路。另外,通過實驗還得出了這樣一些結論。為了減少電荷損失,應選用漏電流小的快恢復二極管(高頻),例如IN4148。3 V, V+一般選擇5 V左右,這樣用示波器測量,可能LO有輸出,但是HO沒有輸出,這時應該將HO/LO分別與對應的CMOS管相連,而且應該是上下臂一起進行調整,最好是帶負載,因為高端是靠自舉電容,懸浮的,這時可能有波形輸出。在大中功率場合下，開關管開通關斷的 du/dt、di/dt 很高，很容易對控制電路等弱電信號造成干擾, 嚴重威脅功率逆變器的安全運行。由圖 可知, 光接收器接收到信號 （即有 PWM 信號到來）時為低電平，而與非門 U1 的另一端接+15 V 為高電平，通過與非門 U1 后為高電平，再通過異或門 U與門 U3 接收到信號，該信號接到 IR2110 的低通道輸入端 LIN，用來驅動IR2110一端的 IGBT。 每當輸入信號發(fā)生跳變時,異或門U6輸出一個正脈沖, 其寬度由電容 C3和電阻 R1決定，并通過光纖發(fā)送器發(fā)出。 此時 SO 端也將出現(xiàn)低電平, 輸出光纖將狀態(tài)傳送至系統(tǒng)控制部分, 由系統(tǒng)發(fā)出信號統(tǒng)一關斷 IGBT 管光伏水泵系統(tǒng)要求具有較高的效率。,許多電站無人值守和維護,這就要求逆變器具有合理的電路結構,嚴格的元器件篩選,并要求逆變器具備各種保護功能,如輸入直流極性接反保護,交流輸出短路保護,過熱、過載保護等。 應用逆變器將直流電轉化為交流電,若直流電壓較低,則通過交流變壓器升壓,由于直流母線電壓較高,交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達到220V,在中、小容量的逆變器中,由于直流電壓較低,如12V、24V,就必須設計升壓電路。 由于本設計容量較小，故選用MOSFET推挽電路。由于本設計容量較小，故選用MOSFET推挽電路。因為它是多數(shù)載流體器件，沒有與關斷時間相聯(lián)系的存儲時間。因此，其開關時間強烈依賴驅動電路的輸出特性，驅動電路就是通過這個阻抗給柵極充放電的。充電到閩值電壓UGs(oN)。在開通延遲時間tdoNCis、充電到UGs(th)，沒有漏極電流流過，漏極電壓在開通上升時間t:中，驅動電路給輸入電容Ciss輸出電容CosS放電，漏極電壓UDD下降，接近通態(tài)管壓降UDs(oN)。在關斷延遲時間tdoff中，輸入電容Cis、通過柵極輸入阻抗放電。由于UDS很低時輸出電容Cos、很大，所以在關斷開始時Uos上升很慢。從功率MOSFET的開關過程可以看出，開通關斷時間與輸入、輸出電容有密切的關系。圖 輸入輸出電容與漏源的電壓關系，隨著漏源電壓的上升，輸入、輸出電容明顯減少。(41)可見，要提高器件的最高工作頻率，也要求盡量減少器件的內部電容CGS(柵源電容)和CGD(柵