光伏水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要ⅠPa的比值轉(zhuǎn)速水泵內(nèi)葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速Pe定義為光伏水泵的凈功率(kW)，根據(jù)流量和揚(yáng)程計(jì)算可得：QUOTE(2.2)式中，r為液體的材料系數(shù)。軸功率Pa，光伏水泵去除損耗后水泵軸上的有效功率。其定義為(2.3)4．光伏水泵的揚(yáng)程、功率和效率的關(guān)系因?yàn)樘?yáng)能光伏電源系統(tǒng)是非線性的，受到日照強(qiáng)度及氣候還有隨機(jī)事件的影響。如何能讓系統(tǒng)處于較高的效率狀態(tài)下，就顯得十分重要了。同時(shí)光伏系統(tǒng)的優(yōu)劣不止要考慮光伏方陣最佳功率點(diǎn)的跟蹤，還要考慮到功率匹配和揚(yáng)程的作用。如圖2．17所示，恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)光伏水泵性能曲線，其中H表示水泵的揚(yáng)程，P表示水泵的功率，η表示水泵的效率。2.5光伏水泵2.5光伏水泵由圖2.17可知，當(dāng)流量達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，η為最大，其對(duì)應(yīng)的值即為額定值。當(dāng)所選擇的水泵Q和H數(shù)值接近額定值時(shí)，水泵的效率基本可以穩(wěn)定在85%-90%之間。對(duì)于離心泵而言，功率將隨流量的增大而增大，當(dāng)流量為零時(shí)，功率達(dá)到最小值。對(duì)于一般設(shè)計(jì)的水泵系統(tǒng)，確定其揚(yáng)程后，其效率必定會(huì)有其最大值，稱為最大瞬時(shí)效率，如圖2.18所示。但最大瞬時(shí)效率不是全日效率，并不能直接反映光伏水泵系統(tǒng)整體性能的好壞。圖2.17光伏水泵性能曲線圖2.18水泵系統(tǒng)效率隨輸入功率的變化曲線要實(shí)現(xiàn)最大全日效率，必須要讓光伏水泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率跟蹤，讓每個(gè)時(shí)刻處于最大效率狀態(tài)。在這種情況下，光伏水泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最佳功率匹配。5.光伏水泵流量、揚(yáng)程與系統(tǒng)功率的匹配光伏水泵系統(tǒng)效率算公式：(2.4)上式中QUOTEW(t)為水泵輸出功率與時(shí)間的函數(shù)，S(t)為日照強(qiáng)度與時(shí)間的函數(shù)。QUOTEηs為平均系統(tǒng)效率。根據(jù)時(shí)間的長(zhǎng)短QUOTEηs可以代表小時(shí)、日、月、甚至年平均系統(tǒng)效率。2.5.2光伏水泵系統(tǒng)的配置估算對(duì)于一般用戶來(lái)說(shuō)，所在地理位置的所需揚(yáng)程，日用水量，年日照時(shí)數(shù)是已知的，但是相應(yīng)的功率、電壓、電流值是難以計(jì)算的。在實(shí)際生活中可以用以下方法進(jìn)行估算。2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型1.日照強(qiáng)度與日照時(shí)間的計(jì)算圖2.19中：L(t)為日照強(qiáng)度與時(shí)間的函數(shù)，Lm為一天中日照強(qiáng)度最大值，Te為等效日照時(shí)間，A為光伏陣列的面積。一天中日照強(qiáng)度最大值Lm與等效日照時(shí)間Te的乘積為一天光伏陣列吸收到的總能量圖2.19峰值日射小時(shí)數(shù)的折算變化曲線圖由上圖可知：(2.5)2.流量的估算設(shè)用戶每天的用水總量為QUOTEG(m3)，則每小時(shí)流量Q為(2.6)3.揚(yáng)程估算2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型揚(yáng)程估算計(jì)算比較難，水泵管道的損失系數(shù)和管道的直徑、材料有關(guān)，每個(gè)廠商的損失系數(shù)都不相同，所以多采用考察地理情況和經(jīng)驗(yàn)判斷的方法。2.5光伏水泵4.電機(jī)輸出功率的估算：電機(jī)的輸出功率P2計(jì)算公式：(2.7）QUOTEηp為水泵的效率由廠家提供。5.陣列組件的估算陣列峰瓦功率PuQUOTE的估算：(2.8)式中：QUOTEηc為逆變器的效率，一般為0.9，QUOTEηm為電機(jī)的效率，0.8為考慮陣列衰減，灰塵等因素影響而引入的系數(shù)。2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型整個(gè)系統(tǒng)由太陽(yáng)電池板、直流控制器和水泵系統(tǒng)三部份組成。太陽(yáng)電池陣列由多塊太陽(yáng)電池組件串并聯(lián)而成，吸收日照輻射能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力電源。直流控制器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)施控制和調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)水泵，并根據(jù)日照強(qiáng)度的變化實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出頻率，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，最大限度地利用太陽(yáng)能。圖2.20光伏水泵系統(tǒng)的理論圖2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型圖2.21光伏水泵系統(tǒng)的實(shí)際圖表2.4南寧的地理位置情況城市地名數(shù)據(jù)日輻射量kJ/m2斜面日均輻射量kJ/m峰值日照時(shí)數(shù)h修正系數(shù)Kop緯度Φ最佳傾角Φ年平均日照時(shí)間h全年日照時(shí)間h南寧12515127344.6100.823122.82Φ+54.34h1584.70南寧的日用水流量大約為500QUOTEm3/Day，本論文用水泵的揚(yáng)程為20m左右2.6.1光伏水泵系統(tǒng)特點(diǎn)全自動(dòng)運(yùn)行，無(wú)需人工值守。適配的水泵類(lèi)型廣。輸入電壓范圍廣，適配多種光伏組件。模塊化設(shè)計(jì)，方便維護(hù)使用進(jìn)口元器件，安全可靠?？扇旌蜻\(yùn)行個(gè)性化的解決方案主要應(yīng)用范圍：◆沙漠治理海水淡化農(nóng)業(yè)灌溉生活用水◆林業(yè)澆灌城市水景景觀噴泉草原畜牧◆海島供水水處理工程南寧的具體情況選擇型的光伏水泵系統(tǒng)，揚(yáng)程24m，流量500QUOTEm3/Day2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型2.6.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及報(bào)價(jià)水泵功率1000W，每天工作60分鐘，可保證連續(xù)5-7陰雨天正常工作。表2.5系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及報(bào)價(jià)序號(hào)名稱型號(hào)單位數(shù)量?jī)r(jià)格（RMB）1太陽(yáng)能電池組件250W塊470002蓄電池12V/200Ah塊5100003控制器MNE-SPD1KV6臺(tái)19504水泵SPA4370010臺(tái)110005電池板支架鍍鋅+噴塑套113206控制箱防護(hù)等級(jí)IP65個(gè)111507時(shí)間控制器SG201個(gè)16508電纜4平方毫米米80米5609電器及其他配件套130010價(jià)格（含稅）23030元/套2.6.3設(shè)備選型1.太陽(yáng)電池組件設(shè)計(jì)選型設(shè)計(jì)擬采用JN250-36D型晶體硅太陽(yáng)電池組件。圖2.22JN250-36D型晶體硅太陽(yáng)電池組件2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型表2.6太陽(yáng)電池組件技術(shù)參數(shù)2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型技術(shù)參數(shù)光電轉(zhuǎn)換效率：15%電池板開(kāi)路電壓：21.5V電池板最佳工作電壓：17.5V絕緣電阻：大于200兆歐填充因子FF%：70%使用壽命大于20年2.控制器的選型本文選用MNE-SPD1KV6直流控制器圖2.23本文所選用的控制器產(chǎn)品特點(diǎn)：使用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)?？沈?qū)動(dòng)傳感器的直流無(wú)刷水泵。使用矢量控制技術(shù)，正弦波電流輸出。軟啟動(dòng)，啟動(dòng)所需功率小。完善的系統(tǒng)保護(hù)功能，如過(guò)呀、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等。有效監(jiān)測(cè)水源和蓄水點(diǎn)水位。系統(tǒng)匹配性好，課借光伏組件也可接蓄電池。先進(jìn)的散熱設(shè)計(jì)，壽命長(zhǎng)達(dá)10年。通過(guò)CE認(rèn)證。產(chǎn)品詳情：易于安裝，免維護(hù)?？杉嫒菔忻嫔细嗟闹绷魉谩в腥嫠帽Ｗo(hù)系統(tǒng)。具有可選的6個(gè)水位傳感器。2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型表2.7直流控制器參數(shù)型號(hào)MNE-SPD120V2MNE-SPD120V2AMNE-SPD360V3MNE-SPD500V4MNE-SPD720V5MNE-SPD1KV6額定電壓(VDC)2424364872110工作電壓范圍(V)20-4220-4232-4442-7242-8890-132最大開(kāi)路電壓(V)444488150150200額定電流(A)551010.51010額定功率(W)1201203605007201100尺寸(mm)26.5*110*20120*185*100240*185*100重量(kg)0.212冷卻方式水冷(IP68)風(fēng)冷(IP52)表2.8MNE-SPD1KV6控制器參數(shù)型號(hào)額定電壓(VDC)工作電壓范圍(V)最大開(kāi)路電壓(V)額定電流(A)額定功率(W)尺寸(mm)重量(kg)MNE-SPD1KV611090-132200101100240*185*10023.光伏水泵的選型：產(chǎn)品介紹：光伏水泵是以太陽(yáng)能為動(dòng)力的揚(yáng)水設(shè)備由光伏水泵逆變器和水泵組成。應(yīng)用時(shí)，根據(jù)揚(yáng)程和日用水量的需求配置相應(yīng)功率的太陽(yáng)能電池陣列后，稱為光伏揚(yáng)水系統(tǒng)。主要用于農(nóng)業(yè)灌溉、荒漠治理、草原牧業(yè)、城市水景、生活用水等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著全球太陽(yáng)能電力產(chǎn)品不斷從城市應(yīng)用市場(chǎng)走向更大規(guī)模的農(nóng)田、草場(chǎng)、荒漠等需求市場(chǎng)，光伏水泵成為把光伏產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)整合發(fā)展的核心產(chǎn)品。光伏水泵利用來(lái)自太陽(yáng)的持久能源，日出而作，日落而歇，無(wú)需人工值守，不需要柴油、不需要電網(wǎng)，不需要儲(chǔ)能電池，直接驅(qū)動(dòng)水泵揚(yáng)水（亦可以蓄水替代蓄電），光伏水泵與滴灌、噴灌、滲灌等灌溉設(shè)施配套應(yīng)用，更能節(jié)水節(jié)能，大幅降低使用化石能源電力的投入成本。2.6光伏水泵系統(tǒng)的選型圖2.24本文選用的光伏水泵以及光伏水泵產(chǎn)品型號(hào)定義表2.9SPA4370010光伏水泵參數(shù)型號(hào)水泵規(guī)格揚(yáng)程說(shuō)明流量范圍出水口徑適用井徑推薦開(kāi)路電壓范圍推薦工作電壓范圍SPA41K10603PH220V50Hz23-12m40-60m350mm100mm350-430VDC350-430VDC4.蓄電池的選型：閥控式密封免維護(hù)膠體蓄電池是具備優(yōu)良的品質(zhì)、卓越的性能受到用戶的廣泛贊譽(yù)。其高能密度、全密封結(jié)構(gòu)、使用壽命長(zhǎng)、高可靠性及良好的服務(wù)為客戶提供了更大的便利。表2.10蓄電池產(chǎn)品特點(diǎn)產(chǎn)品特點(diǎn)：循環(huán)使用性能良好，增強(qiáng)過(guò)度充電承受能力和過(guò)度放電恢復(fù)能力高純度原材料，確保低自放電率氧氣重組技術(shù)，密閉免維護(hù)更低的酸密度，充足的電解液和更寬的極板之間的距離有利于蓄電池在低溫下作業(yè)，并且降低極板的腐蝕速度高效率的蓄電池管理體系使得蓄電池的使用壽命更長(zhǎng)特別的排氣閥設(shè)計(jì)有利于控制水分的流失并且預(yù)防空氣和火花進(jìn)入蓄電池里面工作溫度范圍廣：-20°C-50°C可多方位安裝使用價(jià)格便宜5.電源線的選型：電源線采用的合肥電纜電線公司生產(chǎn)并已通過(guò)2271IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的線纜。工程導(dǎo)線截面（均≥4mm2)選擇如下：太陽(yáng)能電池組件至控制系統(tǒng)電源線型號(hào)：RRV×4mm2；蓄電池至控制器電源線型號(hào)：RVV×4mm2。第三章太陽(yáng)能光伏水泵系統(tǒng)的控制

第三章太陽(yáng)能光伏水泵系統(tǒng)的控制3.1光伏陣列控制的硬件電路光伏系統(tǒng)所發(fā)出的電能為直流電能，穩(wěn)定性差，一般不能直接使用，通常需要使用一定的功率變換電路。所以光伏系統(tǒng)中，電能的控制和變換，即電力電子變換技術(shù)占有相當(dāng)重要的地位。市場(chǎng)上提到的太陽(yáng)能系統(tǒng)控制器，其核心也就是電能變換電路。本文的控制提醒分為光伏陣列、MPPT算法控制和直流-直流變換器（DC/DC）幾個(gè)部分，來(lái)保證系統(tǒng)處于最大功率狀態(tài)。控制系統(tǒng)框圖，如圖3.1。圖3.1光伏水泵控制系統(tǒng)方案框圖3.1光伏陣列控制的硬件電路光伏陣列控制就是通過(guò)控制器來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，調(diào)整光伏電池工作點(diǎn)的任務(wù)就是由光伏系統(tǒng)中的電能變換系統(tǒng)來(lái)完成，本文的電能變換系統(tǒng)來(lái)完成采用直流-直流變換系統(tǒng)，由功率變換主電路和控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。對(duì)直流電壓幅值或極性的變換稱之為直流-直流(DC/DC)變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的電路稱之為直流變換電路或直流斬波電路。廣泛應(yīng)用與電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。典型的直流-直流(DC/DC)變換電路有降壓變換器(Buck)、升壓變化器(Boost)、升降壓變換器(Buck-Boost)，還有庫(kù)克變換器(Cuk)。本文采用升壓變化器(Boost)升壓變換電路(Boost)如圖3.2所示的就是一個(gè)升壓型直流變換電路，也稱Boost電路。升壓型直流變換器的工作原理是：當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，因二極管受反偏而將輸入與輸出級(jí)隔離，由輸入端向電感供應(yīng)能量，輸出靠電容儲(chǔ)能維持。當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，輸出級(jí)吸收來(lái)自電感與輸入端的能量。對(duì)該電路進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，一般假定輸出濾波器足夠大，以確保一個(gè)恒定的輸出電壓Uo。變換器分為連續(xù)導(dǎo)電模式和不連續(xù)導(dǎo)電模式。連續(xù)導(dǎo)電模式，是指電感電流IL是連續(xù)導(dǎo)電的；不連續(xù)導(dǎo)電模式是指電感電流IL是不連續(xù)的，下面重點(diǎn)介紹連續(xù)導(dǎo)電模式。圖3.2Boost電路原理圖連續(xù)導(dǎo)電模式，圖3.3(a)為連續(xù)導(dǎo)電工作模式下的電流、電壓波形電路圖。ton和toff的等效電路圖為3.3(b)與3.3(c)在穩(wěn)定運(yùn)行中，電感電壓在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零(3.1)兩邊除以Ts后，整理可得(3.2)假設(shè)電路沒(méi)有損耗，輸入功率等于輸出功率，即：(3.3)于是有(3.4)若忽略所有電路元件的損耗，輸入功率與輸出功率相等，即(3.5)可得(3.6)表3.3(a)表示變換電路處于連續(xù)導(dǎo)電邊界時(shí)的波形。根據(jù)定義，在此模式中iL在斷開(kāi)間隔結(jié)束時(shí)趨于零。在此邊界條件下電感電流的平均值為(3.7)3.1光伏陣列控制的硬件電路(a)UL、IL波形(b)ton時(shí)的等效原理圖(c)toff的等效原理圖圖3.3連續(xù)導(dǎo)電模式的等效原理圖進(jìn)一步整理從而得到(3.8)由圖3.2知，電感電流與輸入電流時(shí)相同的，即iI=iL，從而可以得到連續(xù)導(dǎo)電邊界時(shí)的平均輸出電流為(3.9)在升壓變換電路的大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，均要求U0保持常數(shù)，于是將ILB和IOB作為占空比δ的函數(shù)于圖3.4(b)中。保持U0為常數(shù)，同時(shí)改變占空比δ，這意味著輸入電壓U1是變化的。圖3.4(b)指出，ILB在δ=0.5時(shí)達(dá)到最大值，即3.2無(wú)刷直流電機(jī)控制策略(3.10)以及IOB在δ=0.333時(shí)具有最大值，即(3.11)(a)(b)圖3.4連續(xù)/斷續(xù)導(dǎo)電邊界3.2無(wú)刷直流電機(jī)控制策略對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)控制來(lái)說(shuō)，電子換相技術(shù)尤為重要。目前有帶位置傳感器、無(wú)位置傳感器以及智能控制三種電子換相控制方法，基于實(shí)際情況以及易用性和能讓電機(jī)轉(zhuǎn)子更好的產(chǎn)生恒定的單方向電磁轉(zhuǎn)矩本文選用無(wú)位置傳感器的換相控制策略。3.2.1無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)表3.1無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛低速時(shí)反電勢(shì)信號(hào)較小，需要進(jìn)行深度濾波反電勢(shì)三次諧波檢測(cè)法諧波分量積分檢測(cè)，準(zhǔn)確度高需要采樣開(kāi)環(huán)啟動(dòng)，功率管的開(kāi)關(guān)噪聲影響大續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測(cè)法適用于檢測(cè)二極管中電流較大的降落的情況控制的難度較大，誤差較大磁鏈估計(jì)法有良好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性，準(zhǔn)確度高算法復(fù)雜，影響因素多擴(kuò)展卡爾曼濾波法系統(tǒng)可靠，獲取信息快資金投入大無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制法有多種，分為反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法、反電勢(shì)三次諧波檢測(cè)法、續(xù)流二極管導(dǎo)通檢測(cè)法、磁鏈估計(jì)法、擴(kuò)展卡爾曼濾波法等3.2無(wú)刷直流電機(jī)控制策略對(duì)比各檢測(cè)方法法的優(yōu)、缺點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)的難易程度，并結(jié)合本課題的實(shí)際情況，本文采用反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法。3.2無(wú)刷直流電機(jī)控制策略3.2無(wú)刷直流電機(jī)控制策略3.2.2無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)最大的問(wèn)題是當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速很低時(shí)，反電勢(shì)信號(hào)很弱，不足以提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。因此無(wú)刷直流電機(jī)要采取一定的措施進(jìn)行起動(dòng)然后才能進(jìn)入同步換相狀態(tài)。無(wú)刷直流電機(jī)的起動(dòng)方式主要有升頻升壓起動(dòng)方式和預(yù)定位起動(dòng)方式，本文采用預(yù)定位起動(dòng)方式。預(yù)定位起動(dòng)方式包含轉(zhuǎn)子定位、加速和切換三個(gè)階段。轉(zhuǎn)子定位階段：圖3.8,0-t1階段。先要了解電機(jī)在哪一項(xiàng)，要轉(zhuǎn)到哪一項(xiàng)，然后給兩相繞組通電，在電磁力的作用下，讓定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)方向一致。接下來(lái)通過(guò)改變電流的通斷狀態(tài)，讓定、轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)之間的夾角接近于90o電角度，產(chǎn)生某一方向較大的初始電磁轉(zhuǎn)矩。加速階段：圖3.3,t1-t2階段。當(dāng)轉(zhuǎn)子定位后，根據(jù)轉(zhuǎn)向要求，繼續(xù)改變換相邏輯以及提高變化頻率，并通過(guò)PWM控制逐漸提高電機(jī)母線電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸提高。切換階段：圖3.4,t2之后階段。電機(jī)轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)達(dá)到足夠的值時(shí)，切換到自同步運(yùn)行狀態(tài)。利用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)換相邏輯。圖3.5無(wú)刷直流電機(jī)啟動(dòng)的預(yù)定位起動(dòng)方式3.2.3無(wú)刷直流電機(jī)的PWM控制策略無(wú)刷直流電機(jī)的PWM控制一般采用PWM信號(hào)與換相邏輯相結(jié)合的控制方式。該控制方式有三種基本類(lèi)型，即雙極性模式、單極性模式和受限單極性模式。為提高電壓利用率，減小誤差，本文決定采用受限單極性PWM控制調(diào)制中的上橋臂PWM調(diào)制方式。圖3.6上橋臂PWM邏輯換相框圖依照?qǐng)D3.6所示，PWM處于高電平狀態(tài)時(shí)，功率管V1、V4導(dǎo)通，電流經(jīng)V1到A，然后再到B。B通過(guò)V4然后V4通向電源，如圖3.7a，A、B相電壓為橋臂電壓U。PWM處于低電平狀態(tài)時(shí)，功率管V4導(dǎo)通，V1關(guān)斷。電流從V4到A再到B相繞組，B相繞組再流經(jīng)VD2，最后回到V4，如圖3.7b，此時(shí)A、B相的電壓為零。電機(jī)處于續(xù)流情況下的電動(dòng)工作狀態(tài)。第四章光伏水泵系統(tǒng)的仿真(a)(b)圖3.7上橋臂換相邏輯PWM調(diào)制時(shí)的電流回路

第四章光伏水泵系統(tǒng)的仿真為了驗(yàn)證理論與實(shí)際的一致性，也為了驗(yàn)證光伏水泵系統(tǒng)的選型是否成功，我們必須對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行仿真。4.1太陽(yáng)能光伏陣列的仿真由單個(gè)光伏電池的等效電路圖及參數(shù)方程，在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行仿真，仿真模型如下圖4.1所示：圖4.1太陽(yáng)能光伏陣列的仿真圖按照實(shí)際系統(tǒng)中的參數(shù)擬合結(jié)果，如表4.1中所示。表4.1實(shí)際系統(tǒng)中單個(gè)光伏電池模型參數(shù)取值Rs/ΩRsh/ΩnId0/μACt/(mA/K)0.3924511.347.690.02011.61000W/m2，單個(gè)光伏電池的輸出特性曲線如下圖4.2和4.3所示：第四章無(wú)刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)電路4.1太陽(yáng)能光伏陣列的仿真左圖4.2光照強(qiáng)度改變時(shí)光伏電池的電壓電流特性曲線，右圖4.3光照強(qiáng)度改變時(shí)光伏電池的功率電壓特性曲線圖4.2和4.3是在同溫度，不同光照強(qiáng)度下輸出電流與輸出電壓，還有輸出功率與輸出電壓的關(guān)系。從圖4.2可以看出日照強(qiáng)度改變對(duì)太陽(yáng)能光伏電池的輸出電壓并不會(huì)有太大的影響，但其所能提供的輸出電流有相當(dāng)大的5.1太陽(yáng)能光伏陣列的仿真4.2基于擾動(dòng)觀察法的光伏陣列仿真變化，輸出電流與日照強(qiáng)度是正相關(guān)的關(guān)系。圖4.3可以看出，日照強(qiáng)度越大，輸出功率越高，當(dāng)輸出電壓在18V左右的時(shí)候，輸出功率最大?？梢?jiàn)日照強(qiáng)度的強(qiáng)弱是影響太陽(yáng)能光伏電池輸出功率大小的重要因素。接下來(lái)討論溫度變化時(shí)，光伏陣列的輸出電壓，輸出電流和輸出功率的變化情況。單個(gè)光伏電池光照強(qiáng)度為1000W/m2，溫度分別為0℃、10℃、20℃、30℃、40℃時(shí)輸出電壓和輸出電流輸出功率和輸出電壓的曲線圖。圖4.4光伏電池輸出電壓電流特性曲線圖4.5光伏電池功率電壓特性曲線從圖4.4可以看出，在光照強(qiáng)度保持不變時(shí)，溫度升高太陽(yáng)能光伏電池的輸出電壓降低，但其輸出電流卻增加。圖4.5可以看出太陽(yáng)能光伏電池的輸出功率隨著溫度的上升而下降，由此可見(jiàn)工作環(huán)境溫度的高低對(duì)太陽(yáng)能光伏電池最大輸出功率有直接的影響。輸出電流的變化從圖中看得不明顯，所以特別列出對(duì)應(yīng)溫度時(shí)的輸出電流：表4.2不同溫度下光伏電池的短路電流溫度(°C)010203040短路電流(A)2.9602.9742.9903.0063.021從圖4.4可知，當(dāng)電壓在0-15V時(shí)，輸出電流與輸出電壓在溫度改變情況下的曲線圖基本上保持一致。15V-25V時(shí)，曲線圖的輸出電流值大幅度的下降。圖4.5中，光伏電池的輸出功率和輸出電壓也有相同的情況。課件太陽(yáng)電池是一種非線性電源。經(jīng)過(guò)仿真我們知道了太陽(yáng)能光伏陣列受光照強(qiáng)度和溫度的影響。如果不能根據(jù)實(shí)際情況對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整光伏陣列就難以達(dá)到最佳工作點(diǎn)，會(huì)浪費(fèi)大量的資源。4.2基于擾動(dòng)觀察法的光伏陣列仿真 利用MATLAB/SIMULINK中的SIMPOWERSYSTEMS工具箱建立系統(tǒng)仿真模型非常直觀、方便。擾動(dòng)觀察法的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的整個(gè)系統(tǒng)包括：光伏模塊、MPPT模塊、PWM模塊和降壓轉(zhuǎn)換器(BuckConverter)模塊。MPPT模塊設(shè)計(jì)的基本思想是：功率值的變化決定下一步變化的方向。功率增加，搜索方向不變；功率減小，搜索方向相反。搜索方向由V(k)是否大于V(k-1)決定。比較前一個(gè)和當(dāng)前的功率值來(lái)判斷下一步的走向，計(jì)算出用于產(chǎn)生PWM的控制信號(hào)。PWM模塊基于占空比為降壓式變換器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。DC-DC變換器是通過(guò)控制電壓的方法將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。在太陽(yáng)能發(fā)電中，變換器的作用是從太陽(yáng)能方陣中吸收最大電流并且提升電壓。假設(shè)溫度為25℃，溫度不變，改變光照強(qiáng)度。光照強(qiáng)度由800W/m2增加到1000W/m2，光伏電池的輸出功率如下圖4.6：光照強(qiáng)度增大時(shí)光伏電池的輸出電壓如下圖4.7所示；假設(shè)溫度為25℃，光照強(qiáng)度由1000W/m2下降到800W/m2，光伏電池的輸出功率如圖4.8，光照強(qiáng)度減弱時(shí)光伏電池的輸出電壓如下圖4.9。由圖4.6-4.9可以看出不論光照強(qiáng)度如何變化，光伏陣列都能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近，圖4.6和4.8表示，光伏電池的輸出功率與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)的關(guān)系。圖4.7和圖4.9表示當(dāng)溫度不變，光照強(qiáng)度改變時(shí)，光伏陣列的輸出電壓的改變不明顯。從以上仿真結(jié)果可以看出，在光照強(qiáng)度突然增加后，系統(tǒng)檢測(cè)到光伏陣列端電壓的突變，采取變步長(zhǎng)控制，迅速減輕負(fù)載，很快將光伏陣列的端電壓重新建立，快速穩(wěn)定于新的最大功率點(diǎn)；在光照強(qiáng)度突然降低后，系統(tǒng)通過(guò)變步長(zhǎng)控制，減小輸出，使系統(tǒng)快速穩(wěn)定于新的最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自主尋優(yōu)。圖4.6光照強(qiáng)度增大時(shí)光伏電池的輸出功率圖4.7光照強(qiáng)度增大時(shí)光伏電池的輸出電壓圖4.8光照強(qiáng)度減弱時(shí)光伏電池的輸出功率圖4.9光照強(qiáng)度減弱時(shí)光伏電池的輸出電壓假設(shè)光照為1000W/m2，光照強(qiáng)度不變，溫度由15℃上升到25℃時(shí)，輸出功率如下圖4.10所示：溫度上升時(shí)光伏陣列輸出電壓曲線如下圖4.11所示：圖4.10光照強(qiáng)度不變溫度上升時(shí)輸出功率曲線圖4.11光照強(qiáng)度不變溫度上升時(shí)輸出電壓曲線假設(shè)光照為1000W/m2，溫度由25℃下降到15℃時(shí)，光伏陣列的輸出功率如下圖4.12，溫度下降時(shí)光伏陣列的輸出電壓曲線如下圖4.13。由圖4.10-4.13可以看出不論溫度如何變化，光伏陣列也能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)并保持穩(wěn)定。圖4.10和4.12表示，光照強(qiáng)度不變，光伏電池的輸出功率與溫度強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。圖4.11和圖4.13表示當(dāng)光照強(qiáng)度不變，溫度改變時(shí)，光伏陣列的輸出電壓的有小幅度的變動(dòng)。擾動(dòng)觀察法算法簡(jiǎn)明，容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但是只能在陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，導(dǎo)致部分功率損失。這個(gè)振蕩運(yùn)行的范圍很小，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)因?yàn)椴介L(zhǎng)過(guò)小而導(dǎo)致，跟蹤的速度緩慢。如果步長(zhǎng)大了，部分功率損失會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖4.12光照強(qiáng)度不變溫度下降時(shí)輸出功率曲線圖4.13光照強(qiáng)度不變溫度下降時(shí)輸出電壓曲線圖4.14，4.15是光照變化不大時(shí)即由800W/m2變到1000W/m2與光照強(qiáng)度變化很大即400W/m2變到1000W/m2時(shí)輸出功率的比較：圖4.14光照強(qiáng)度變化大小對(duì)輸出功率的影響圖4.15光照強(qiáng)度變化大小對(duì)輸出電壓的影響由圖4.14和4.15情況來(lái)看，光照強(qiáng)度變化大的場(chǎng)合，采用擾動(dòng)觀察法就不合適。在外界條件變化緩慢情況下，光伏系統(tǒng)通過(guò)擾動(dòng)觀察法控制，可以迅速尋取系統(tǒng)新的最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定運(yùn)行于此點(diǎn)。從仿真波形可以看出，隨光照、溫度條件的變化，光伏陣列最大功率點(diǎn)不斷變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地追蹤最大功率點(diǎn)。在追蹤過(guò)程中，在光照和溫度變化的情況下，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定、快速的跟蹤最大功率點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能較好。第五章結(jié)束語(yǔ)及展望

第五章結(jié)束語(yǔ)與展望5.1總結(jié)及有待完善的問(wèn)題 本課題參考了國(guó)內(nèi)外的書(shū)籍和資料，敘述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的狀況，研究了光伏水泵系統(tǒng)的各個(gè)部分的硬件如太陽(yáng)能電池、電機(jī)、水泵，分析了集中最大功率點(diǎn)跟蹤算法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的PWM控制策略與起動(dòng)方式進(jìn)行探討，對(duì)光伏列陣和擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了仿真，對(duì)光伏水泵系統(tǒng)進(jìn)行了選型。此外，還對(duì)每個(gè)部分的原理圖、公式、電流圖、曲線圖、仿真圖做了認(rèn)真的處理。結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定，反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)效果好，預(yù)定位啟動(dòng)無(wú)問(wèn)題，電機(jī)、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)良好光伏水泵系統(tǒng)效率高，基本能完成本文的預(yù)定目標(biāo)。有待完善的問(wèn)題：本文沒(méi)有詳細(xì)介紹蓄電池及其工作原理，蓄電池對(duì)陰天及黑夜的作用沒(méi)有介紹2.中國(guó)地域廣闊，各地的環(huán)境條件不盡相同。光伏水泵系統(tǒng)要針對(duì)不同地區(qū)進(jìn)行改良，來(lái)保證系統(tǒng)的高效性。3.擾動(dòng)觀察法不適用于光照強(qiáng)度變化大的場(chǎng)合。對(duì)外界條件變化劇烈的情況下，還有采取不同于本文的方法進(jìn)行測(cè)試與研究，以保證系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)上。4.硬件部分比較簡(jiǎn)陋，還需要多多完善。5.系統(tǒng)軟件部分研究的還不夠深入，水平有待提高。5.2對(duì)未來(lái)的展望雖然目前中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)情況并不樂(lè)觀。光伏產(chǎn)品受到歐盟和美國(guó)的聯(lián)合壓，被征收巨量的關(guān)稅。但是只要熬過(guò)這最為關(guān)鍵的幾年，轉(zhuǎn)機(jī)就會(huì)到來(lái)。中國(guó)地大物博，作為新能源的太陽(yáng)能，作為新興技術(shù)的光伏水泵依然有巨大的前景。相信將來(lái)的光伏水泵必定能得到大范圍的應(yīng)用，也希望將來(lái)中國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)走出困境。參考文獻(xiàn)

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