1、 本科毕业设计（论文） 题目： 光伏水泵控制系统设计 院 系： 工学院电气与电子工程系 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气工程 1104 姓 名： 邢国栋 学 号： 201102011133 指导教师： 刘学军 烟台南山学院教务处 二一五年五月 烟台南山学院毕业设计（论文）原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导 师的指导下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日 烟台
2、南山学院关于毕业设计（论文）使用授权的说明 本人完全了解烟台南山学院有关保留、使用学士学位论文的规定，即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印或其他复制手段保存论文。 指导教师签名： 论文作者签名： 年 月 日 年 月 日 烟台南山学院本科设计（论文） II 页 第 I 页 光伏水泵控制系统设计 摘要 本设计研究了光伏水泵系统结构，进行了工作原理分析，其动力电源由太阳能电池组提供。 DC/DC 部分采用 boost 升压电路，将太阳能电池输出的低电压升为高电压；DC/AC 部分选用电压型三相桥式逆变器电路，完成机泵的变频驱动和输入电压
3、的稳定控制。 本文分析了 太阳能电池的工作原理，提出了系统控制策略，采用最大功率跟踪，采用恒压式 CVT 法实现。用 PI调节， PWM 输出，不同的负载用不同的 PWM 脉冲宽度，主要对光伏水泵系统进行硬件设计。选用 TI 公司生产的专用电机控制的、高性能的 32 位 DSPTMS32042406。采用 B00stst 电路图外，进行了电路参数的选择。 变频系统逆变单元采用智能控制模块。选用三夌公司的 PM50RSA120 模块。 本文对系统软件进行设计，主要设计了主程序和中断服务程序。并绘制了流程图。 关键词 ： 光伏水泵系统 光伏电池板 最大功 率点跟踪 三相逆变器 烟台南山学院本科设计
4、（论文） THE DESIGN OF PHOTOVOLTAIC WATER-PUMP CONTROL SYSTEM ABSTRACT This paper studies the structure of photovoltaic pumping systems, power supply is provided by a solar battery; DC / DC boost booster circuit part, the low voltage of the solar cell output of promoted high voltage; DC / AC part of the
5、 selection voltage three-phase bridge reverse variable circuit, complete stability control and input voltage variable frequency drive pump of. This paper analyzes the solar cell works proposed control strategy, using the maximum power point tracking, to achieve constant pressure type CVT method. Wit
6、h PI regulator, PWM output and different loads with different PWM pulse width, mainly photovoltaic pumping system hardware design. Selection of TIs motor control of the production of special, high-performance 32-bit DSPTMS32042406. B00stst circuit diagram using external, carried out the selection ci
7、rcuit parameters. Inverter system inverter unit using intelligent control module. Lings PM50RSA120 choose three modules. In this paper, the system software design, the main design of the program and interrupt service routine. And draw a flow chart. Keywords: PV pumping system Solar array MPPT Three
8、phase inventor 烟台南山学院本科设计（论文） 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 光伏水泵系统的影响及意义 . 1 1.2 光伏水泵系统的结构和原理 . 1 1.2.1 光伏阵列 . 1 1.2.2 变频器 . 2 1.2.3 电机及水泵 . 3 1.3 光伏水泵系统的发展前景 . 3 1.4 本文研究的主要内容 . 4 第 2 章 光伏水泵系统的基本原理 . 5 2.1 光伏水泵系统的拓扑结构 . 5 2.2 太阳能电池板特性 . 6 2.3 系统控制策略 . 8 2.3.1 最大功率点跟踪 . 8 2.3.2 控制策略的实现 . 10 2.4 光伏水泵控制的集中结构形式
9、. 12 第 3 章 光伏水泵系统硬件的设计 . 14 3.1 系统硬件总体结构设计 . 14 3.1.1 DC/DC boost 升压电路 . 14 3.1.2 DC/AC 逆变器的设计 . 16 3.1.3 DSP 芯片选型及电源电路的设计 . 17 3.2 采样电路设计 . 18 第 4 章 光伏水泵系统软件设计 . 20 结论 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 附录 I 光伏水泵控制系统结构框图 . 26 烟台南山学院本科设计（论文） 附录 II 三相逆变桥原理图 . 27 附录 III DSP 及周边电路接线图 . 28 附录 IV 程序清单 . 29 烟台南山学院本科设
10、计（论文） 第 1 页 第 1 章 绪论 1.1 光伏水泵系统的影响及意义 近 些 年来， 伴 随着全球 “粮食问题 ”、 “能源问题 ”等一些问题的恶劣化 ， 光伏产业逐步 的发展成熟，越来越被一些发达国家所看好， 被誉为用清洁能源替代化石能源的最为有效的产业整合产品。 由此，大力发展光 伏技术，并将其用于水泵系统，合理而有效地开发地下水资源，将给偏远干旱地区带来巨大生态和经济效益，水力资源和电力资源的缺乏严重制约着发展中国家农村和偏远干旱地区发展，但是这些地区拥有丰富的太阳能资源，如何利用好这些地区的一级能源，是我们现在要重点研究的问题 1。光伏水泵技术具有如下优点：不消耗化石燃料和其他有
11、机能源、无污染，对环境的保护和能源的节约都十分的有利，太阳能电池不仅使用寿命长，而且维修费用较低，使用这一技术使得生活供水和干旱地区灌溉等方面的应用都有很大程度的改善。特别是我国的西部地区以及西亚等地区 气候十分干燥，常年干旱且少雨，这些地区极度的缺水，是当今世界急于解决几大难题之一。由于极度缺乏水，导致土地的沙漠化速度加快，生态环境也日益恶化，沙漠正在和人类打一场持久仗。在一些极度干旱地带，甚至连饮用水问题都得不到解决，严重影响了当地的经济建设和社会发展。值得庆喜的是，根据相关水资源资料，在这些地区蕴藏着非常丰富的地下水资源，如果我们能很好的将干旱地区的地下水资源与光伏水泵技术进行结合，合理
12、的开发利用，定能带动当地的经济建设，其带来的好处也是不可比拟的 2。 1.2 光伏水泵系统的结构和原理 光伏水泵 系统大致由四部分组成 （光伏水泵控制系统结构图见附录 I） ： （ 1） 光伏阵列 （ 2）变频逆变器 （ 3） 电机 （ 4） 水泵 1.2.1 光伏阵列 光伏阵列由 大多数 的太阳电池串、并联构成 ，它的 作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能 ，他 能够利用逆变器将直流电转成交流电以供使用。 烟台南山学院本科设计（论文） 第 2 页 太阳能电池按结晶状态可分为单结晶形 和 多结晶形 的 结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，按材料可 将其 分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机
13、膜形，而化合物半导体薄 膜形又分为非结晶形、 V 族、 族和磷化锌等 3。 太阳能电池 可以 根据所用材料的不同，可分为： 单晶 硅太阳能电池、 多晶体 薄膜太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池 等 ，其中 单晶 硅太阳能电池 的 发展 已将比较成熟 ，在 实际当中大量被应用，已居主导地位 4。 (1) 单晶 硅太阳能电池 硅太阳能电池分为 ： （ 1） 单晶硅太阳能电池 （ 2） 多晶硅薄膜太阳能电池 （ 3） 非晶硅薄膜太阳能电池三种。 (2) 多晶体薄膜电池 多晶体薄膜电池 当中， 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率 相对于 非晶硅薄 膜太阳能电池 来说， 效率高，
14、成本 也 较单晶硅电池低，并且 可用于 大规模生产，但由于镉含有 剧毒，会对环境造成严重的污染 。 因此， 用它做太阳能电池并不是一种很好的方案，需要慎重利用 2。 (3) 纳米晶电池 纳米晶体化学能太阳能电池是 是一种新型的太阳能电池 ，它 具有 廉价的成本 、 简单的工艺及稳定的性能 的优点，是一种很有应用前景的太阳能电池 。 这种电池的研究起步较晚，正处于开发阶段，相信在不久的将来，它就可以批量上市了 。 1.2.2 变频器 (1) 逆变器的作用 逆变器的主要功能是如表 1.1 所示： 表 1.1 逆变器的功能 （ 1） 直流与交流相互转换的功能。 （ 2） 逆变器的直流侧可能存在两种电
15、源形式为直流电压和直流电流； （ 3） 可以完成直流电流变换的是电流型逆变器，而可以完成直流电压变换的是电压型逆变器 (2) 逆变器的分类 烟台南山学院本科设计（论文） 第 3 页 逆变器的类型种类繁多，但主要可按以下进行分类如表 1.1 所示： 表 1.2 逆变器的分类 （ 1） 电压型逆变器和电流型逆变器是按直流侧储能元件的性质分为。 （ 2） 逆变器按功率电路的功率器件的不同可分为半控型逆变器和全控型逆变器。 （ 3） 逆变器按输出频率的不同可分为工频逆变器、中频 逆变器以及高频逆变器。 （ 4） 逆变器按输出电平的不同可分为两电平逆变器和多电平逆变器 。 1.2.3 电机及水泵 光伏水
16、泵 系统只要充分 利用太阳能 ，就可以完成对 农田 的 灌溉等。 除 此之外，国外对这种技术的推崇，可以充分表明，光伏水泵系统技术的具有非常广阔的发展前景 。光伏水泵系统 技术的起步相对来说较晚，结合我国的国情，这种技术可以在我国西部及干旱地带得到充分的利用，必将带动这些地区的经济发展。 以这些条件为前提，一般的光伏水泵系统按照日出而作，日入而息的工作特点，想要使光伏水泵的利用率达到最高 ， 我们需要考虑更 多的东西， 它不象普通电动机那样可以认为 是一直由恒定的电压电源来带动它工作的 。 光伏水泵系统中水泵的选择与设计也甚有特点。根据 不同 用户对流量、扬程的不同要求，按经济性、可靠性大致可
17、按 表 1.3 选择泵型： 表 1.3 泵型选择 （ 1） 容积式水泵 适用于 流量小、扬程高的用户 。 （ 2） 潜水式电泵 适用于 流量较大，且扬程也较高的用户 。 （ 3） 自吸式水泵 一般适用于 流量较大，但扬程却较低的用户 。 1.3 光伏水泵系统的发展前景 光伏水泵系统技术的先进性和合理性已经得到了 联合国国际开发署 (UNDP)、世界银行 (WB)、亚太经社会 (ESCAP)等国际组织部 的充分肯定 7,在 这些国际组织的 大力支持下 ,数万台不同规格的光伏水泵 已 在不同地区和国家运行 ，并且起到了关键性的作用 ,尤其 是在中东 、非洲 等 一些 发展中国家 ,已为许多贫困 、
18、干旱 地区的人民带来相当可观的经济效益 ,帮助了 这些地区 加快了 脱贫步伐 。因此许多发达国家看中了光伏水泵系统的应用前景，已优先着手于发展光伏水泵系统控制技术。在 中东、非洲 及不少 缺水严重 国家更 是注意到了这项技术所带来的巨大好处，也在纷纷研究和改善这项技术，希望通过此种技术来改善干旱地带的缺水状况，拉动当地的经 济建设，提高烟台南山学院本科设计（论文） 第 4 页 人民的生活质量，从根本上解决吃水难的问题。 光伏水泵具有诸多的优点，如无噪声、全自动 (日出而作，日落而停 )、高可靠、供水量与蒸发量适配性好等。 1958 年，我国开始研究太阳能电池的研制；在 1971 年首次成功地将
19、太阳能电池应用于发射的东方红 2 号卫星上 8； 1973 年以后用于地面，太阳电池开始仅用于小功率电源系统，如航标灯及铁路信号、高山气象站仪器信号等，功率都一般都较小，随着国家对光伏产业及光伏市场发展的大力支持，太阳能电池更加广泛地被应用于各个行业，解决目前越来越严重的能源危机。 1.4 本文 研究的主要内容 （ 1）设计出系统的整体拓扑结构，选取主电路拓扑。 （ 2）了解太阳能电池板特性，根据光伏水泵系统的应用特点来探讨了恒定电压法、电导增量法等一些最大功率点跟踪方法的原理和特点 9。 （ 3）详细设计控制策略。 （ 4）基于 DSPTMS320LF2406A 芯片进行硬件部分的设计，选出 boost 电路及主电路的器件型号，设计采样电路 使之符合要求。 （ 5）画出程序流程框图。
