光伏水泵MPPT及弱光环境优化控制研究

【摘要】：光伏水泵系统，是一种离网太阳能电力系统，因具有输出与日照强度一致、系统安全可靠无人值守的特点，特别适合广大农村地区以及城市自然景观区域，将太阳能转换为水资源势能。光伏水泵系统的运行主要取决于系统控制器的两方面功能，一方面是对光伏系统的最大功率跟踪功能，另一方面是对水泵电机的驱动功能。目前主要的控制器是两级电力电子变换结构的光伏水泵控制器，通过直流变换环节和逆变环节实现上述两级变换过程。 本文以一个光伏水泵系统设计为依托，结合太阳能水泵运行和光伏系统能量特点，提出了一种单级电力电子变换的最大功率跟踪和驱动控制系统；划分了控制系统的主要结构和功能，并对其中的硬件能量缓冲环节进行了分析。考虑系统最终依靠水泵进行输出，选取频率作为系统控制变量，有效理清了控制载体水泵的控制方式及能量转换之间复杂关系。该方案可以有效降低成本和提升效率。 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制决定了整个系统的稳定性和运行效率。依据所提出的频率控制方法，对光伏电池部分和水泵系统进行初步的仿真建模。本文的最大功率跟踪算法分两部分：1.频率扰动观察法，考虑系统是泵类负载，功率与转速呈三次方关系，而电机系统中频率与同步转速相关，因此基于频率的扰动进行功率比较确定扰动方向，直至系统工作于最大功率点；2.神经网络的给定方法，利用BP神经网络方法，进行光伏模型的环境条件与给定运行频率非线性关系训练，得出时间和环境条件下系统运行频率的工作值的神经网络关系模型。之后，建立复合控制方法，进一步改善跟踪性能，搭建基于复合控制的跟踪模型。 对光伏水泵系统而言，频率控制最大功率跟踪，在电机工作状态上表现为对运行速度进行的变频调速控制。而且对水泵电机的调速控制过程进一步分析中发现，在光伏系统运行早晚时间段的弱光系统轻载状态，电机消耗很大部分集中在系统励磁上，而励磁电能是过量的。为对励磁过程进行节能控制，利用矢量控制将励磁和转矩分量解耦分别控制，以电流跟踪控制实现减小励磁部分电能。通过理论推导以及利用SIMUlink搭建系统的仿真分析，对光伏水泵系统的频率控制的励磁节能功能测试，得到了良好节能效果和稳定的转矩控制特性。 最后，将频率控制方法应用于光伏水泵控制器中进行实验验证。通过样机光伏水泵系统实验，验证单级系统的最大功率跟踪控制功能和光伏水泵系统控制器的整机功能。并通过实验总结光伏系统控制系对泵类负载频率电压控制关系。 【关键词】：光伏水泵 频率控制 最大功率点跟踪 弱光环境电机控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM615;TH38
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景意义9-10
• 1.2 光伏水泵系统研究现状10-17
• 1.2.1 光伏水泵系统现状10-11
• 1.2.2 光伏直流控制技术11-13
• 1.2.3 光伏直流控制融合逆变技术13
• 1.2.4 相关电机及其控制技术13-15
• 1.2.5 水泵基本技术15-17
• 1.2.6 系统控制技术17
• 1.3 本文研究主要内容17-19
• 第2章 光伏水泵控制系统结构设计19-28
• 2.1 太阳能电池的原理与工作特性19-22
• 2.1.1 光电池原理19-20
• 2.1.2 光电池的工作特性仿真研究20-22
• 2.2 光伏水泵控制器设计22-26
• 2.2.1 系统需求22-23
• 2.2.2 光伏水泵控制器硬件结构23-25
• 2.2.3 光伏水泵控制器软件结构25-26
• 2.3 缓冲电容容量设计26-27
• 2.3.1 直流环节电压崩溃和跟踪失步26
• 2.3.2 缓冲电容作用分析和设计26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 频率 MPPT 实现方法研究28-45
• 3.1 频率扰动 MPPT 方法研究28-34
• 3.1.1 频率控制的原理28-30
• 3.1.2 频率扰动控制补偿方法30-32
• 3.1.3 频率扰动法仿真分析32-34
• 3.2 基于 BP 神经网络的 MPPT 控制方案34-40
• 3.2.1 频率控制 BP 网络构建34-37
• 3.2.2 神经网络方法仿真测试37-40
• 3.3 复合控制方法40-44
• 3.3.1 复合控制方法规则40-41
• 3.3.2 复合控制方法仿真分析41-42
• 3.3.3 变频调速部分仿真模型42-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 基于矢量控制弱光运行研究45-59
• 4.1 水泵电机变速工作过程分析45
• 4.2 光伏水泵异步电动机转子磁场矢量控制45-53
• 4.2.1 三相异步电动机的数学模型46-48
• 4.2.2 矢量控制坐标变换理论48-51
• 4.2.3 转子磁场矢量控制基本原理51
• 4.2.4 矢量控制系统的仿真51-53
• 4.3 弱光矢量控制励磁节能设计原理53-55
• 4.3.1 弱光轻载运行与电机励磁能耗53
• 4.3.2 弱光励磁节能原理推导53-55
• 4.4 弱光条件下水泵电机运行仿真55-57
• 4.4.1 系统仿真55-56
• 4.4.2 损耗分析56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第5章 光伏水泵系统实验59-67
• 5.1 光伏水泵系统实验系统59-63
• 5.1.1 实验硬件部分59-63
• 5.1.2 试验系统整体63
• 5.2 光伏水泵 MPPT 功能实验63-65
• 5.2.1 MPPT 方法工程实现63-64
• 5.2.2 MPPT 功能测试64-65
• 5.3 光伏水泵系统整机性能测试65-66
• 5.3.1 交流输出波形65-66
• 5.3.2 水泵变频给定测试66
• 5.4 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果72-74
• 致谢74

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