1kW光伏水泵系统的设计

【摘要】：随着社会的不断向前发展，人们对生活质量的要求也逐渐提高，各国对能源的需求量不断攀升，而能源问题变得日益严峻，这样太阳能作为可再生能源得到了一个发展契机，当前在发达国家太阳能光伏发电已经商业化，在发展中国家也在逐步往这个方向迈进。在光伏发电技术不断发展这个大环境下，光伏水泵技术经历了几十年的长足发展，已然成为太阳能利用的一个重要分支。在发展中国家，部分偏远地区电网没有充分覆盖，存在着用电用水难的情况，因此光伏水泵技术的研究有着极大的社会效应以及经济效应。本文面对我国西北部地区及农村偏远地区电力不足，居民生活用水困难，设计一种全新的小型太阳能光伏水泵系统。 本课题主要对一下电路进行了深入分析：太阳能电池阵列的过压欠压保护电路、DC/DC升压斩波电路、电力MOSFET的短路保护电路及驱动电路、基于PS21865的IPM逆变电路。在控制策略方面主要是：直流升压部分的PWM调制、逆变部分的SVPWM调制、电机的VVVF控制方式。下面对本文的主要工作内容做出具体介绍。 首先分析了光伏水泵的研究背景及国内外的发展现状，对光伏发电系统的组成、分类、拓扑结构进行了概述。提出了光伏水泵系统的主电路结构；在深入分析太阳能电池输出特性的基础上，提出了几种常见的最大功率跟踪原理，提出了本系统应用的改进后的最大功率跟踪方式，即CVT式与扰动观察法相结合的控制方式，使得光伏阵列输出最大功率，系统高效运行；在DC/DC升压阶段采用了BOOST升压斩波电路，并对电路进行了优化，该部分采用了STC公司的STC89C52单片机作为控制芯片，实现最大功率跟踪，对该部分硬件设计及主要元器件的选型作了详细介绍；在DC/AC逆变阶段，采用了基于PS21865的IPM模块，这样不仅减小了系统体积、缩短了开发周期，还大大减少了系统驱动电路及保护电路的设计，更重要的是提高了系统的效率，本部分采用TI公司32位的TMS320F2812作为控制芯片。在DC/DC升压部分做出了硬件设计并得出实验结果，在DC/AC阶段做出硬件模块调试以及软件设计，并得出仿真结果。仿真结果显示，光伏阵列能快速响应，达到最大功率点，逆变器中输出的电流和电压的波形为三相220伏交流电，波形稳定。能够满足三相异步电机的运行条件，结果表明本设计能够满足设计要求。 【关键词】：太阳能 光伏水泵 最大功率点跟踪 SVPWM
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH38;TM615
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第1章 引言10-14
• 1.1 本课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 本研究课题的发展及现状11-13
• 1.2.1 国外光伏发电的发展及其现状11-12
• 1.2.2 国内光伏发电的发展及其现状12-13
• 1.3 本文的主要工作内容13-14
• 第2章 光伏水泵系统结构与最大功率跟踪14-26
• 2.1 光伏水泵系统功能模块简介15-18
• 2.1.1 光伏电池工作原理分析15-17
• 2.1.2 光伏水泵系统结构建模17-18
• 2.2 最大功率跟踪原理及控制策略18-20
• 2.2.1 最大功率跟踪原理18-19
• 2.2.2 最大功率跟踪控制电路19-20
• 2.3 最大功率跟踪的控制策略20-24
• 2.3.1 电导增量法20-22
• 2.3.2 恒压跟踪法（CVT）22-23
• 2.3.3 模糊控制法23
• 2.3.4 扰动观察法[27]23-24
• 2.4 机泵及系统选型原则24-25
• 2.4.1 电机的选型24
• 2.4.2 水泵的选型24-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第3章 光伏水泵系统控制方案与策略26-36
• 3.1 DC/DC 变换器的 PWM 控制27-31
• 3.1.1 BOOST 电路原理分析27-28
• 3.1.2 最大功率跟踪的实现28-30
• 3.1.3 DC/DC 电路直流电压控制原理30-31
• 3.2 逆变电路的 SVPWM 调制31-34
• 3.2.1 SVPWM 的原理31-33
• 3.2.2 SVPWM 控制算法的应用依据33-34
• 3.3 VVVF 的原理34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 1kW 光伏水泵的硬件设计36-49
• 4.1 DC/DC 电路的硬件设计36-43
• 4.1.1 光伏阵列过压欠压保护电路的设计37-38
• 4.1.2 MOSFET 短路保护的设计38-39
• 4.1.3 MOSFET 驱动电路的设计39-40
• 4.1.4 电路元器件选型40-42
• 4.1.5 DC/DC 电路实验平台搭建与调试42-43
• 4.2 DC/AC 电路的硬件设计43-45
• 4.2.1 TMS320F2812 的介绍[28]44
• 4.2.2 基于 PS21865 的三相逆变电路44-45
• 4.3 采样电路设计45-47
• 4.3.1 直流电压采样电路45-46
• 4.3.2 交流电流采样电路46-47
• 4.4 打干保护的设计47
• 4.5 本章小结47-49
• 第5章 1kW 光伏水泵的软件设计49-59
• 5.1 主程序设计49-50
• 5.2 软件开发环境 Keil C51 及 CCS3.3 介绍50-51
• 5.2.1 Keil C51 软件开发环境介绍50
• 5.2.2 CCS3.3 软件开发环境介绍50-51
• 5.3 系统子程序设计51-58
• 5.3.1 最大功率跟踪的软件实现51-53
• 5.3.2 SVPWM 的软件实现53-56
• 5.3.3 低日照保护的实现56-57
• 5.3.4 打干保护的实现57-58
• 5.4 本章小结58-59
• 第6章 总结与展望59-61
• 6.1 对本论文的总结59
• 6.2 对以后工作的展望59-61
• 参考文献61-64
• 致谢64-65
• 附录65

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