光伏水泵系统设计.docx

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光伏水泵系统设计

毕业设计（论文）

题目光伏水泵系统设计

摘要

地球环境由于燃烧大量矿物能源已经产生了明显的变化，人类的生存环境正在逐渐恶化。

减少传统能源的消耗、减少温室气体的排放和保护环境已经迫在眉睫。

太阳能是一种无污染、有极强的经济性的新能源。

由于太阳能能有效的解决资源和环境问题，其应用和普及越来越受到人们的重视。

光伏水泵技术是太阳能技术的一部分，由于其清洁无污染，不消耗燃料的特点，在人民生活供水和干旱地区农田灌溉方面有广阔的应用前景。

光伏水泵系统是直接利用太阳电池光生伏特效应发电，通过光伏阵列、控制器、电机、水泵等控制及执行环节来提水的系统。

本文论文的主要工作如下：

（1）了解光伏发电的基本原理，分析光伏水泵系统的原理与特性

（2）对光伏阵列进行建模与分析

（3）对最大功率跟踪方法进行详细的叙述，判断其优缺点，并利用MATLAB进行建模与仿真

（4）对光伏水泵系统进行分析和选型

（5）研究无刷直流电机的PWM控制、预定位起动方式。

关键词：

光伏水泵系统最大功率跟踪无刷直流电机脉冲宽度调制（PWM）

ThedesignofsolarPhotovoltaicpumpsystem

Abstract

Duetotheburningoffossilenergy，theearth'senvironmenthasproducedsignificantchanges.Theenvironmentofhumanbeingisgraduallydeteriorated.Reducingtraditionenergyconsumption，greenhousegasemissionsandprotectingtheenvironmenthavebeenimminent.Solarenergyisakindofnewenergywhichhascharacteristicofnopollutionandeconomy.Becauseofsolarpowercaneffectivelysolvetheproblemofresourcesandenvironment，peoplemoreandmoregettheattentionoftheirapplicationandpopularize.Photovoltaicpumptechnologyisapartofthesolartechnology.Owingtothefeatureofnopollutionandnofuelconsumption.Solarphotovoltaicpumpsystemhasbroadapplicationprospectsinthefieldofpeople'slifeforirrigationwateranddryareas.

Thephotovoltaicpumpsystemusesphotovoltaicpanelswhichproduceelectricitydirectlyfromsunlightusingsiliconceilanddrivethepumpthroughaseriesofnewtechnologiessuchasphotovoltaicarray，controlunits，electronics，motorsanddifferentmoderndevicestobringupthewater.ThistopicresearchofphotovoltaicpumpsystemdrovebyBrushlessDirectCurrentMotor（BLDC）.Themaincontentinthispaperis:

（1）Learningthebasicprinciplesofphotovoltaicenergygeneration.Analys-

ingtheprinciplesandthecharacteristicsofphotovoltaicpumpsystem.

（2）Modelingandanalysingthecharacteristicsforphotovoltaicarray.

（3）Accountingofthemaximumpowerpointtrackingindetailandjudgingtheir'sadvantagesanddisadvantages.UsingMATLABsoftwaretomodelingandsimulation.

（4）Analysisandselectionthephotovoltaicwaterpumpsystem

（5）StudyingthebrushlessdcmotorPWMcontrolandPre-settingstarting

ThekeywordsPhotovoltaicpumpsystemmaximumpowerpointtracking

BrushlessDirectCurrentMotorPulseWidthModulation（PWM）

第一章绪论

21世纪以来，能源与环境已经成为了人类面临的两大难题。

虽然目前世界各国还是以石油、煤炭天然气等原材料为主要能源，但是这必将导致环境的污染以及资源的日益枯竭。

虽然中国的总体资源比较丰富，尤其是煤矿资源。

目前能源产量高居世界第二，但由于人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。

传统能源严重污染生态环境，对子孙后代危害巨大。

因此走可持续发展战略，大力发展可再生能源，已经成为人们的共识。

太阳能是一种非常理想的洁净无污染的新能源，取之不尽、用之不竭，不会破坏生态环境，有明显的经济价值和极大地市场前景。

我国太阳能资源丰富。

全国各地太阳年辐射总量为3340-8400MJ/

。

太阳能资源分布有明显的地域性，宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部等地是中国太阳能资源最丰富的地区。

在我国的大西北，太阳能具有十分巨大的开发潜力。

1.1太阳能光伏发电发展现状

光伏发电由于具有随处可用，运行成本低，无污染，无噪音，不产生废弃物的特点在世界各国的支持以及相关政策的激励之下，正在迅猛发展。

从2001到2008年期间，每年的增长速率高达50.2%。

其中2007到2008年，光伏安装量更是翻了一番，从3.34GW上升至6.85GW。

德国、美国、日本三国家是主要的利用太阳能的国家，西班牙紧随其后。

图1.12008年全球光伏发电市场份额

图1.22001-2008年中国光伏系统安装及增速

尽管2009年世界经历了金融危机，光伏产业依然没有停下脚步。

欧洲地区德国独占鳌头，光伏总安装量从1.8GW提高到3.8GW。

意大利紧随其后，其余欧洲国家也迅猛发展。

美国日本同样发展迅速，在世界光伏产业中占有较高的比重。

但是与此同时西班牙的风光不再。

EPIA发布了2010-2014年的光伏预测报告中，欧洲仍占主导，德国蝉联第一，日本和美国将主导欧洲以外的市场，中国和印度也将在未来五年中发展成潜力可观的潜力市场，其中中国将有望迅速成为亚洲以及世界的主要市场。

2014年全球年光伏安装量将达到30GW，到2030年，有超过25亿人口可能从太阳能中受益。

光伏发电六元一度的价格和传统电价相比完全没有竞争力，因此在2009年轻我国的光伏发电市场比较低迷，装机量非常低下。

2009年金融危机时期，我国政府出台了国内光伏补贴计划，中国光伏企业大量扩展产能，使中国的光伏产业得到了极大的发展。

2011年，国家对光伏上网电价进行补贴，十二五规划又对光伏产业增大投入，使中国光伏产品成功冲击国外市场。

但是好景不长，欧盟和美国为保护自身利益，对中国的光伏产品征收重税，进行贸易调查，使中国光伏产品危机四伏。

1.2光伏水泵系统的概况

光伏水泵系统是一种以太阳能为能源进行提水灌溉的系统。

太阳能资源无穷无尽，与传统能源相比无污染，对环境影响较小，对生态保护能力较强。

在沙尘天气日益横行的中国西北部，光伏水泵系统能有效的改善当地的生态环境，同时也能有效的解决中国缺水地区居民的饮水问题。

因此在中国西部及西北地区，光伏水泵系统受到了广大农牧民的特别青睐。

同时在中国西部及西北地区阳光资深却极为丰富，而且有相当大的地区同时具有丰富的地下水资，光伏水泵系统因此也成了解决问题的最好选择。

近几年来，在我国西部地区建立了几个光伏水泵系统实验示范点，实际运行结果表明光伏水泵系统的技术是可行的。

目前光伏水泵技术已经达到了可以批量生产的程度，其技术水平己经可以和国外发达

国家的产品水平相媲美。

光伏水泵系统给这些地区带来巨大的经济和生态效益，为西部地区发展新农村战略提供一条有效的途径。

近几年来，光伏水泵以及在全世界范围内得到极大的发展和应用。

国内外大量的实验以及应用表明，光伏水泵技术已经走向成熟，能提供巨大的经济和生态效益，对农业灌溉及景观用水有极大的适用空间。

1.3本论文的主要研究内容

研究的内容：

（1）了解太阳能光伏发电及光伏水泵的历史和发展前沿。

（2）了解光伏发电的原理及阵列的组成。

（3）熟悉控制器及其控制原理。

（4）掌握光伏水泵系统中光伏阵列的最大功率点的跟踪内容。

（5）掌握光伏水泵系统中选型。

拟解决的主要问题

（1）对太阳能光伏水泵系统的整体部分进行了解。

（2）对太阳能光伏阵列的MATLAB建模与仿真。

（3）对光伏阵列最大功率跟踪点（MPPT）建模与仿真。

研究方法、步骤及措施：

（1）查阅相关资料、收集光伏水泵的相关文献、熟悉太阳能光伏水泵系统的组成及工作原理。

（2）学习MATLAB的编程方法及仿真工具的实用。

（3）基于MATLAB的光伏阵列模型并进行仿真。

（4）基于MATLAB的最大功率跟踪控制算法模型并进行仿真。

（5）对光伏水泵进行研究并进行选型。

第二章光伏水泵系统的原理

光伏水泵系统也叫做光伏扬水系统，原理是利用半导体吸收太阳日照辐射能量，将其转化为电能，为系统提供动力电源，然后通过电机驱动水泵提水。

可以说光伏水泵系统是一个集合了电力电子、电机、水机、计算机控制和太阳能的采集、变换等多个学科的最新技术的一个比较典型的光能、机、电一体化系统，是我国新能源产业的重点发展方向。

2.1光伏水泵各组成部件

图2.1光伏水泵系统工作原理简图

1.光伏阵列

光伏阵列是由多块太阳能电池组件串并联成阵列，阵列的容量可达数百峰瓦甚至数个兆峰瓦（MW）。

光伏阵列以由单晶硅、多晶硅、带状晶硅等太阳能电池组成。

由于太阳能电池由大量的半导体器件构成，所以光伏阵列的温度特性和伏安特性会出现非线性的情况。

2．控制器

在光伏阵列存在非线性的电源特性的情况下，控制器的作用是让光伏阵列不管在什么温度和日照下都能达到最大功率输出，该技术也称为最大功率点跟踪控制（MaximumPowerPointTracking）。

3．电机

电机的选择根据现实需求及系统而定，对于1KW功率的光伏水泵系统，由于功率较小，多采用无刷直流电机驱动；考虑到太阳早晚光照不同导致系统负载率早晚变化较大以及光伏阵列的非线性，电机必须使其全日、全年的总平均效率值保持在较高的状态。

4．水泵

水泵的选择要充分考虑功率与扬程流量的关系。

在功率不大的系统中，小流量高扬程应选择容积水泵；大流量高扬程潜水电泵更合适；大流量低扬程可以选用自吸泵。

5．储水设施

储水设施就是将水泵提取的地下水储存起来，作为备用。

在干旱的时候可以使用，在水量充足的时候进行存储以备不时之需。

2.2太阳能电池阵列

2.2.1太阳电池分类

太阳能电池的分类方法按结构分类、按使用状态分类、按用途分类、按基体材料分类、其分类情况如图2.2所示

图2.2太阳电池的分类

2.2.2太阳电池工作原理

太阳能能量转换的基础半导体p-n结是的光生伏特效应（photovoltaiceffect），当光线照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态。

太阳电池可利用的电子主要是价带电子。

当光线照射到半导体光伏器件上时，在器件内会产生光生电子空穴对，在电池内建电场作用下会光生电子和空穴分离，从而产生光生电压。

图2.3光生伏特效应原理示意图

2.2.3太阳电池的等效电路

理想等效电路：

可以把太阳能电池当作是一理想的、能稳定地产生光电流IL的电流源（只要光源稳定）图2.4为其理想的等效电路。

它表示电池受光照射时产生恒定电流IL的能力。

这个等效线路说明，太阳能电池受光照射后产生了一定的光电流IL，其中一部分用来抵消P-N结的结电流ID，另一部分为供给负载的电流，其负载电压UR、节电流ID、负载电流IR的大小都与负载电阻RL有关。

当然RL不是唯一的决定因素。

图2.4太阳电池单元等效电路图

显然，IR的大小为：

（2-1）

式中IR为稳定状态下的负载电流；

ID为电池P—N结中的正向电流；

IO为电池P—N结在无光照时的反向饱和电流；

Ui为结电压，稳定状态时等于负载电压UR

K为玻耳兹曼常数（

J/K）；

T为太阳电池的绝对温度；

q为电子电荷量（

）e；

IL为电池在光照下产生的光生恒流电流，其值正比于光照强度，与电池温度有关。

2.2.4太阳电池的特性曲线

太阳电池特性曲线分为I-V和P-V特性曲线，即光伏电池两端电压和电流的对应关系曲线和两端功率和电压对应关系曲线。

I-V曲线具有高度的非线性特征，P-V曲线中，输出功率先上升然后下降，两者都存在着最大功率点的问题。

同时也可以看出光伏电池所发功率受多个因素的影响，起决定因素的是太阳能电池板接受的太阳辐射量。

因此，光伏电池的输出最大功率点Pmax、短路电流Isc、开路电压Voc等参数也要不断变化，让光伏发电系统进行不断的调整以及优化，使光伏电池工作于最大功率点上。

图2.5中，实线为I-V特性曲线，虚线为P-V特性曲线。

图2.5太阳电池的I-V特性曲线

2.2.5太阳能电池的输出特性

下面对影响太阳电池特性的因素一一进行介绍。

1．温度

温度会严重影响太阳电池的输出功率，温度升高会使短路电流Isc增大，开路电压Voc下降。

如图2.7（a）所示；温度越高效太阳电池的输出功率越低，如图2.7（b）所示，P-V曲线也得到了相同的结果。

太阳日照强度和光伏阵列温度的关系见图2.6。

图2.6太阳日照强度和光伏阵列温度的关系

（a）（b）

图2.7不同温度时的I-V（a）、P-V（b）特性曲线

2．日照强度

日照强度对光伏阵列的电压值和电流值也造成了极大的影响。

图2.8（a）和图2.8（b）为日照强度改变的情况下I-V和P-V的特性曲线。

可以看出功率随着日照强度的增大而增大。

（a）（b）

图2.8不同日照强度时的I-V、P-V特性曲线

图2.11是不同日照下太阳电池I-U曲线。

图中的A，B，C，D点分别为对应于一定日照强度下太阳电池阵列的最大功率点，A′，B′，C′，D′分别为系统工作点。

可以看出，系统工作点和最大功率点有着些许的差距，这说明了当前的光伏阵列不能提供最大功率。

因此要想办法使系统工作点A′，B′，C′，D′和最大功率点A，B，C，D重合，这就是通常所说的最大功率点跟踪MPPT。

图2.11不同日照下太阳电池I-U曲线

2.3光伏水泵系统的最大功率跟踪控制（MPPT）

在一定的光照强度和环境温度下光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（MPP）。

因此不断地根据外界不同光照强度、环境温度等特性调整阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点处，叫做最大功率点跟踪（MPPT）技术。

最大功率点跟踪的目标是让太阳能电池实时输出最大功率，使其发挥最大效率，是光伏发电系统运行控制中的一项关键技术。

2.3.1阵列的构成和搭建

实际使用中，往往一块组件并不能满足所有现场的要求，要把所以把很多片电池单体串联或并联在一起，形成光伏发电系统来满足光伏系统实际电压和电流的需求。

串联后的阵列输出电压为各光伏组件输出电压之和，输出电流不变；并联后的阵列输出电流为各光伏组件输出电流之和，输出电压不变。

光伏阵列的搭建，一般先串后并。

串联数目有一定限制，要根据其最大功率点电压与负载运行电压相匹配的原则来设计，一般是先根据所需电压高低用光伏组件串联构成若干串，再根据所需电容进行并联。

图2.12太阳能电池阵列

图2.13阵列安放的朝向和角度

阵列在搭建过程中，还需要考虑安装的角度和朝向。

如果安放角度不合理，阵列的输出功率会降低。

阵列安放角度中，主要控制水平方位角αp和仰角γp。

从我国的国情出发，光伏阵列一般朝向正南方或是稍微偏向西，水平方位角多取-5

<αp<10

。

然而阵列的仰角没有精确的计算公式或是公认的标准，实践和人为的经验占主导。

多数情况下会辅以适当角度

的修正值。

2.3.2最大功率跟踪的意义及其实现方法

1.最大功率跟踪的意义

最大功率跟踪决定了太阳能光伏水泵系统运行效率高低，是整个太阳能光伏水泵系统的核心，可以提高20%-30%的系统效率，同时也能让光伏水泵系统稳定运行。

2．常见的最大功率跟踪算法

实现最大功率跟踪的方法有很多，比较典型的方法有恒定电压法（CVT）、干扰观测法、电导增量法等。

（1）恒定电压法（ConstantVoltageTracking-CVT）

光伏电池在温度一定时，输出特性曲线上得最大功率点的电压值固定，恒定电压法就是根据这一特性，依据实际情况来设定一个恒定运行电压，使系统始终运行在最大功率点处。

可以看出，系统只需要对光伏电池的输出端口电压UPV进行采样，并同光伏电池端电压的参考值UPV2进行比较，若输出端口电压同电压指令值不通，则通过控制系统调整光伏电池负载特性，使得调整后光伏电池的输出端口电压等于参考值。

（2）扰动观测法

扰动现测法由于实现方法简单，并能够实现实时MPPT控制，控制效果比较理想，在光伏系统中应用中也较为常用。

扰动观测法的原理是先让光伏阵列工作在某一参考电压下，检测输出功率，然后在这个工作电压基础之上，加一个正向电压扰动量。

若此时检测输出功率增加，则表明光伏阵列最大功率点在当前工作点的右边，可以继续增加正向扰动。

若所侧输出功率降低，则最大功率点在当前工作点的左边，应当降低输出电压，在下一控制周期加负向电压扰动，使工作点左移。

其控制流程图如图所示。

图2.14恒定电压法控制流程图图2.15扰动观测法控制流程图

（3）功率回授控制法

功率回授控制法原理是一种被动式寻找最大功率法。

需采集光伏电池阵列的输出电压值和电流值，然后计算出当前的输出功率，再用上次储存的输出功率P与当前的输出功率P相比较，通过判断比较的结果来控制调整输出电压值。

（4）电导增量法

电导增量法精度高，它的的原理是对光伏阵列的电压和电流进行采样，然后比较光伏阵列的瞬间电导和电导增量来改变控制信号，是一种常用的MPPT控制方法。

该方法主要适用于大气条件变化较快的场合。

表2.1各种最大功率跟踪法法的优缺点

方法

优点

缺点

恒定电压法

易实现，控制简单，可靠性高，稳定性好

精度差，受外界环境和自身工作状态影响显著

扰动观测法

算法简明，容易实现，成本低

只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失

功率回授控制法

计算方便，算法最简单

可靠性和稳定性均不佳，在实际应用中较少采用

电导增量法

控制效果好，精度高

计算量大，对控制系统要求高

2.4光伏水泵系统电机研究

光伏阵列的功率和电压直接影响电机的功率，光伏水泵的流量扬程要求被反映到电机上，所以光伏水泵在电机和水泵的搭配方面有着较为严格的要求，往往要进行专门的设计。

电机的选择与应用也要充分考虑到最大功率点，使整个系统处于效率最高的状态。

2.4.1电机的选择

光伏水泵系统所用驱动电机可分为直流电动机和交流电动机两大类别，即无刷直流电机和三相异步电机。

表2.2电机的类型及优缺点

类型

优点

缺点

三相异步电机

结构简单、可靠性高、维修工作量小

必须通过专用的变频装置、效率低于同等功率直流电机

无刷直流电机

体积小、重量轻、出力大、调速范围宽、控制相对简单、效率高

价格比交流电机稍贵、易磨损

小功率的光伏水泵系统中多采用无刷直流电机，虽然价格比交流电机稍贵、易磨损，但是控制简单而且电池板的价钱较高，此时光伏水泵系统的效率就更为重要。

2.4.2无刷直流电机结构

近年来，无刷直流电机（BLDC）在广泛的领域得到了迅猛的发展，同时也得到了人们的一致认同。

如图2.13是典型的直无刷流电机结构示意图。

该电机是三相六拍式的无刷直流电机，原理是转子旋转一圈，定子绕组需要换相六次，每个极下换相三次。

图2.16典型的无刷直流电机结构

2.5光伏水泵

光伏水泵抽水灌溉，是用来实现光伏水泵系统功能的最重要的部分。

因此水泵的选型要根据地理情况和经济性决定。

2.5.1光伏水泵的构成

1.太阳能抽水机泵选择

水泵根据构造不同可以分为两类：

离心泵和容积式。

类型

特点

离心式水泵

输出与泵的转速成正比，多用于从深井中和钻孔中抽水

容积式水泵

其消耗功率的大小是与水泵的实际流量成正比的，水泵的流量会随扬程的增加而减小，用在扬程小、流量大的系统中

表2.3水泵的分类

考虑到本课题要求低扬程、高流量，所以本系统采用离心式潜水泵。

2.水泵的选择

对于光伏水泵系统，水泵的选择十分重要，选取不慎不但会使系统效率降低，还会增大投入，浪费能源，降低经济效益。

合理选泵有以下三个方面：

1、流量和扬程的要与水泵的选择相匹配；2、体积小、重量轻、造价便宜，又要具有良好的特性和较高的效率；3、不易损坏，寿命长。

3.光伏水泵的工作参数

表2.4光伏水泵的特性来分主要的5个基本量

扬程

泵的叶轮传给单位重量液体的总能量用符号H表示，单位为米（m）

流量

分成体积流量和质量流量用符号Q表示，其单位以L/S（升/秒）、

/s（立方米/秒）、

/h（立方米/时）

功率

功率包括有效功率Pe和轴功率两Pa种

效率

水泵的效率η被定义为有效功率Pe与轴功率Pa的比值

转速

水泵内叶轮每分钟的转数，转速为额定转速

Pe定义为光伏水泵的净功率（kW），根据流量和扬程计算可得：

（2.2）

式中，r为液体的材料系数。

轴功率Pa，光伏水泵去除损耗后水泵轴上的有效功率。

其定义为

（2.3）

4．光伏水泵的扬程、功率和效率的关系

因为太阳能光伏电源系统是非线性的，受到日照强度及气候还有随机事件的影响。

如何能让系统处于较高的效率状态下，就显得十分重要了。

同时光伏系统的优劣不止