太阳能逆变提灌系统的设计.docx
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太阳能逆变提灌系统的设计
太阳能逆变提灌系统的设计
学生姓名：
学生学号：
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
电子信息工程
指导教师：
助理指导教师：
二〇一五年五月
摘要
20世纪70年代后，传统的燃料能源正在一天天减少，这时全世界都把目光投向了可再生能源，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
太阳能光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源无处不在。
而提灌系统在农田灌溉、城镇绿化、居民生活、生态环境等生产生活中起着重要的作用，并且在一些电力缺乏地区人可有效解决人畜饮水困难及灌溉用水不足的问题。
太阳能逆变提灌系统正是由太阳能发电系统及提灌系统组成。
随着新型清洁能源的不断发展和利用，太阳能逆变提灌系统的发展前景将十分广阔。
整个系统由太阳能电池板、蓄电池、逆变器、控制器和水泵构成。
其中逆变器是整个系统的关键部分，在逆变器环节采用推挽电路、高频升压电路和全桥逆变电路。
在PWM波形产生环节采用脉宽调制芯片SG3525为核心。
同时，本设计还有蓄电池过充电控制，通过单片机来实现对蓄电池的过充电保护。
最后将220V、50Hz的交流电输出给一个用额定功率为8W的水泵代替提灌系统的大功率水泵，实现抽水功能，模拟提灌系统实际情况下的大扬程抽水功能，并模拟仿真出蓄电池充放电控制过程，给出电压电量显示，实现对蓄电池的保护。
关键词光伏发电，逆变器，SG3525
ABSTRACT
IntwentiethCentury,after70years,thetraditionalfuelenergyisreducingdaybyday,thewholeworldisfocusedonrenewableenergy,thesolarenergywithitsuniqueadvantagesandbecomethefocusofattention.Solarphotovoltaicpowergenerationtechnologycanbeusedforanypowersupply,tothespacecraft,tohouseholdpower,largemegawattpowerplant,smalltoys,photovoltaicpowereverywhere.Theirrigationinirrigationsystem,urbangreening,residentsliving,ecologicalenvironment,productionandlifeplaysanimportantrole,andinsomeareasthelackofpowercaneffectivelysolvetheproblemofdrinkingwaterandirrigationwatershortage.Thesolarinvertersystemiscomposedofirrigationandirrigationsystemofsolarpowergenerationsystem.Withthecontinuousdevelopmentofnewcleanenergyandutilization,developmentprospectofsolarinverterirrigationsystemwillbeverybroad.
Thewholesystemconsistsofsolarpanel,battery,inverter,controllerandwaterpump.Theinverteristhekeypartofthewholesystem,thepush-pullcircuit,high-frequencystep-upcircuitandfullbridgeinvertercircuitininverter.LinkgeneratedbypulsewidthmodulationchipSG3525asthecoreinthePWMwaveform.Atthesametime,thedesignandbatterychargingcontrol,throughthemicrocontrollertoachievethebatteryoverchargeprotection.
ThehighpowerpumpACoutput220V,50Hztoa8Wsysteminsteadofpumpingwaterpumpratedpower,realizethepumpingfunction,simulationofthebigliftirrigationsystemundertheactualsituationofpumpingfunction,andsimulatedthebatterychargeanddischargecontrolprocess,givesthevoltagepowerdisplay,realizetheprotectionofthebattery.
Keywordsphotovoltaicpower,inverter,SG3525
1绪论
1.1本课题研究的意义
20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出。
这时全世界都把目光投向了可再生能源，其中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，而太阳能发电是一种新兴的可再生能源。
太阳能发电可分为光热发电和光伏发电，通常说的太阳能发电指的是太阳能光伏发电。
提灌系统在生产生活中起着重要的作用，其中包括农田的灌溉，温室农作物的灌溉，公园草坪或树木的灌溉，家用小花园或草坪的灌溉，甚至还可改进用于喷泉的水泵机组系统等。
太阳能逆变提灌系统是新能源技术发展的一种有效探索，可最大化的利用太阳能这一新型清洁能源，并且在一些电力缺乏地区人可有效解决人畜饮水困难及灌溉用水不足的问题。
太阳能逆变提灌系统主要由太阳能发电系统及提灌系统组成。
太阳能逆变提灌系统通过太阳能光伏阵列、逆变电路、光伏控制器将太阳能转换为电能，为水泵机组提供动力，对水资源进行抽取并运用到相应的地方。
随着新型清洁能源的不断发展和利用，以及现今太阳能电池板转换效率的提高和高效水泵的不断研制，太阳能逆变提灌系统的发展前景将十分广阔。
1.2国内外研究现状和水平
1.2.1国外发展情况
太阳能逆变提灌系统的关键技术在于太阳能的光伏发电技术，到2013年底，太阳能光伏发电装机总容量在全世界已累计达到102.16GW。
己经商业化、实用化的太阳能电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、带状硅电池、聚光电池以及薄膜电池等几类。
目前在国际市场上太阳能电池的价格大约为3.15美元/W，并网系统价格为6美元/W，发电成本为0.25美元/（kw·h）。
光伏技术发展使太阳能电池发电的转化效率越来越高，晶体硅光电池的转化率可达到15%，单晶硅电池的转化率是23.3%，砷化嫁电池的转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%～36%。
2014年12月15日，澳大利亚UNSW（新南威尔士大学）的太阳能研究人员，已经可以把太阳能的转化效率提高到40%以上，这是现今最高纪录。
目前，太阳能光伏发电的使用主要集中在日本、欧盟和美国等地，他们的太阳能光伏发电量约占全世界光伏发电量的80%。
有些专家预言，到21世纪末，可再生能源在所有能源使用中将占到80%以上，而太阳能发电将占到60%以上。
目前，太阳能提灌系统主要有两种类型：
一种是光热提灌系统，另一种则是光伏提灌系统。
光热提灌系统例如美国的OASTS泵与MONDESH泵就是利用太阳能转换为热能（例如热管技术），使水或氟利昂变成压力水蒸气，并使其做功，这类水泵的缺点是效率低，且氟利昂的挥发对臭氧层有破坏作用；光伏提灌系统具有无污染全自动、运行成本低等优点。
近年来，光伏提灌系统的数量迅速增长，特别是非洲、南美、澳洲及亚洲各国。
世界银行和联合国共同推荐光伏提灌系统作为解决边远地区人畜饮水、农田灌溉的首选技术。
1.2.2国内发展情况
中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。
太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。
中国光伏发电产业起步于上个世纪70年代，进入90年代中期光伏产业属于稳步发展阶段。
太阳能电池及组件产量逐年稳步增加。
经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。
在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展。
20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐加，2004年累计容量达35MW，约占世界份额的3%。
10多年来，我国太光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。
因美国次贷问题而引发的金融危机，从华尔街迅速向全球蔓延，致使部分金融机构轰然倒塌，证券市场持续低迷，石油价格大幅下滑。
中国光伏发电产业发展迅速，成为政府重视、股市活跃、风投青睐、各行各业蜂拥相聚的世界太阳谷。
由于设备、原料和市场三头在外，它对美国、欧洲和日本等国际市场存在很大依存度。
随着这场金融危机特别是国际油价的大幅下挫，对中国光伏发电业的投资资金、出口订单等方面产生重大影响，但金融危机对光伏产业的巨大影响一定会在未来的某个时间得到消化。
长远来看，世界光伏市场的政策推动力依然存在，光伏产业的市场成长依然强劲。
我国的光伏提灌系统技术经过“八五”、“九五”科技的公关，已经取得了长足的进步。
2013年12月，利州首个太阳能光伏提灌站建成，该系统由22千瓦光伏发电系统及太阳能提水控制器组成，该太阳能光伏提灌站配套了5口蓄水池，蓄水容积500立方米，管道1.2公里，形成了串联成网的供水体系，能有效控灌400亩高品质核桃林。
2014年4月16日，攀枝花市米易县撒莲镇禹王宫村太阳能光伏提灌站试机成功，该提灌站太阳能光伏组件方阵输入功率20.58千瓦，水泵装机容量15千瓦，净扬程23米，抽水能力为每小时80立方米，可保证红旗水渠总供水能力达到15.23万立方米。
四川省规划建设太阳能提灌站120座，总装机功率5621千瓦，预计到2015年全部建成后，可解决农村5万人饮水安全，新增灌溉面积7万亩……这些一座座太阳能提灌站的建成也标志着我国的太阳能逆变提灌系统正在走向更广阔的应用前景。
1.3太阳能逆变提灌系统的发展趋势
21世纪，人类将面临着实现经济和社会可持续发展的重大挑战，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。
而太阳能具有储量大、普遍存在、利用经济、清洁环保等优点，因此太阳能的利用越来越受到人们的广泛重视，成为理想的替代能源。
全球太阳能需求将持续成长。
在2013到2014年期间，全球太阳能市场年度需求量预计将达到30到40GW的水准。
在未来的四到五年里，政策仍然将是主要太阳能市场的最大驱动力。
此外，太阳能模组和其他系统设备的价格对市场需求有着越来越强的影响。
太阳能市场将进一步全球化。
中国太阳能市场将占据举足轻重的地位。
由于中国政府采取优惠政策扩大内需，预计中国市场将在2013年挑战全球第一的位置，如何有效开发中国市场将是对太阳能企业的一大考验。
虽然仍然有一些生产线以较低的稼动率在运行而不是退出市场，供需重新平衡的局面将有望在2014到2015年之间到来。
虽然多晶硅与硅芯片市场领先企业的产量已经有较大优势，电池和模组段前十名品牌的市场总占有率仍然不足50%，预计在未来两年中将进一步整合。
太阳能产品价格将逐渐趋于稳定。
到2020年前，随着我国太阳能产业的不断完善和发展，发电成本将持续下降，太阳能光伏发电市场将发生翻天覆地的变化：
2005~2010年，独立光伏发电系统仍然是我国太阳能电池主要使用途径，发电成本约为1.20元/（kW）。
2010~2020年，太阳能光伏发电将由独立光伏发电转为并网发电，成本到2020年将约为0.60元/（kw·h）。
到2020年，我国太阳能光伏产业术水平有望达到世界先进行列。
随着提灌系统在越来越多的领域的广泛运用以及太阳能光伏逆变技术的的迅速发展，利用太阳能光伏逆变发电技术将太阳能这种可再生的清洁能源应用到提灌系统上是包括农业在内的许多行业的必然发展趋势，两者的结合不仅突出了提灌系统的广泛作用，也充分发挥了光伏发电的优势。
这种节约能源、生态环保的系统将成为未来人类广泛使用的设备。
2方案的设计及选择
2.1逆变器的设计方案
逆变器也称逆变电源，是一种将直流电转换为交流电的装置，是本设计中的一个重要部件。
逆变器可分为很多种，根据该设计的要求，这里选择单相电压源逆变器。
电压源逆变器是最为常见和简单的一种，而单相逆变器则有推挽式全桥式和前级推挽后级全桥逆变式3种电路拓扑结构。
下面将对这3种逆变电路进行分析，已确定逆变电路最终的设计方案。
方案一：
如图2.1所示是单相推挽式逆变器的拓扑结构。
该电路由两只功率开关元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成。
推挽逆变器的输出只有+U0和-U0两种状态，实质上是双极性调制，通过调节VT1和VT2的占空比来调节输出电压。
图2.1推挽电路拓扑结构
方案二：
如图2.2所示是单相全桥逆变电路（“H桥”电路）的拓扑结构。
该电路由两个半桥电路组成，功率开关元件Q1与Q3互补，Q2与Q4互补。
当Q1和Q3导通时，负载电压U0=+Ud；当Q2与Q4导通时，负载两端U0=-Ud；Q1、Q3和Q2、Q4轮流导通，这样负载就获得了一个交流电能。
图2.2全桥电路拓扑结构
方案三：
如图2.3所示采用的是前级推挽电路和后级全桥逆变电路。
推挽电路中T1和T2交替导通，相互错开180°相位，以相同脉冲宽度交替导通和关断，直流电能经推挽电路变成交流，再经高频变压器升压、整流、滤波后变成高压直流，再经过由开关元件Q1、Q2、Q3、Q4构成的全桥逆变电路转换成工频交流输出。
图2.3前级推挽后级全桥逆变电路
2.2逆变器设计方案的选择
方案一：
推挽式逆变器的电路拓扑结构接单，两个功率管均可驱动，且对于驱动信号的要求较低，容易实现。
但该变压器的体积较大，且功率管承受开关电压为2倍的直流电压，适合应用于直流电压较低的场合。
方案二：
全桥逆变电路的主要特点是要使用四个开关元件，在相同的输入下，其最大输出是半桥逆变电路的两倍，这就是说在输出功率相同的情况下，全桥式逆变电路通过开关元件的电流以及输出电流都是半桥式逆变电路的一半。
但是相对来说驱动电路的设计又比较复杂。
对驱动信号的配合要求就相对提高了。
方案三：
将方案一和方案二相结合，前级推挽电路可将直流电转换成高频交流电，经过变压器升压、整流、滤波在电容C2上得到一个高压直流电，再经过全桥逆变电路可最终输出工频交流电。
这种逆变电路不仅对直流输入有较宽的适应范围，且具有较搞的效率和可靠性。
由于蓄电池的输出为12V的低压直流电，且在逆变器输出端需要为提灌系统提供稳定高效率的交流输出，所以，综上所述，本人决定采用第三种方案作为本设计的逆变器主电路。
2.3本课题的研究内容
太阳能逆变提灌系统由太阳能发电系统和提灌系统两大部分组成组成。
其中太阳能发电系统包括太阳能电池板（组）、太阳能控制器、蓄电池和逆变器组成；提灌系统主要由水泵、驱动电机及传动装置组成的水泵机组组成。
太阳能电池板（组）可直接将太阳能转换为直流电，再经过逆变器，将直流电转换为需要的交流电，为水泵机组提供动力。
其中太阳能控制器可控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护和过放电保护的作用。
整个系统的关键在于光伏逆变技术，即逆变器的设计。
在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。
由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC或48VDC。
为了能够向220VAC的负载提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。
2.4本设计的技术指标及主要任务
该设计要求是在太阳能发电系统中能输出稳定的电压为220V频率为50Hz的交流电供给水泵机并使其正常运转。
具体要求指标如下：
（1）输入电压额定为DC12V（10-15V宽电压范围）;
（2）输出220V/50Hz交流电；
（3）输出功率200W；
（4）系统具有输入过压、欠压，输出过载、短路等异常情况下的保护；
（5）水泵正常工作，实现基本的抽水功能；
本设计需要有良好的负载适应能力，在整个研究过程中，通过对太阳能发电技术的特点、现状及发展前景的分析，综合本人的个人能力，主要研究太阳能逆变提灌系统的逆变电路及蓄电池充放电控制方面，在实现直流电到交流电的转换的同时，还能实时显示当前蓄电池的工作状态。
3系统电路设计
3.1系统结构设计
图3.1系统结构框图
如图3.1所示是太阳能逆变提灌系统的整体结构图，它主要由太阳能电池板、蓄电池、具有充放电控制的控制器、逆变器和水泵构成。
其中具有充放电保护作用的控制器将通过51单片机控制开关管的方式来实现对电池的充放电保护。
蓄电池电压电量显示
3.2太阳能电池方阵的选型
由于现实生活中提灌系统需要较大输出的功率，因此这就需要有足够多的太阳电池板组成太阳能电池方阵来提供需要的输出功率。
这里就太阳能电池方阵的选型做一个理论分析。
太阳能电池方阵设计的基本思想是能够满足日平均负载的需求。
由于太阳能电池的输出很容易受到一些外在因素的干扰，所以经过修正的太阳能电池方阵计算公式如下：
式（3.1）
式（3.2）
在式（3.1）中，库仑效率是指在太阳能电池组件产生的电能中，有一部分将不能转换存储到蓄电池中而是耗散掉。
蓄电池的这种电流损失就是库伦效率，不同蓄电池库伦效率也不同，一般有
的损失，在设计中一般会把负载增加
来应对库仑效率。
太阳能电池在实际工作中受外界环境的影响较大，比如表面的泥土、灰尘的覆盖和组件的老化等等，都会降低太阳能电池的输出。
在设计中一般要求将组件的输出降低
，即衰减因子=0.9。
组件的日输出计算采用峰值小时数的方法来估算太阳能电池组件的输出。
这种方法是将太阳辐射转换为等同情况下利用标准太阳辐射（
）照射的小时数，即：
式（3.3）
3.3驱动芯片的设计
3.3.1驱动芯片的选择
脉宽调制波（PWM）的产生方法有很多种，大致分为两种，一种是完全由模拟电路产生，另一种是用专用的集成芯片来产生。
这里我选用集成芯片来产生，有以下几种方案。
方案一：
选用SG3524
SG3524芯片可以直接产生脉宽调制信号，产生PWM方波时所需的外围电路也简单。
但它产生的脉宽调制波占空比不高，波形不理想。
且要实现软起动，就要与误差放大器、电流控制器等同用一个反相端，会彼此互相影响。
方案二：
选用SG3525
SG3525的集成度较高，可调频又可调宽，而且可调性较强，可调动态范围较大，可用来构建不同类型的驱动电路。
增加了PWM锁存器使关闭作用更可靠，其转换效率较高。
是SG3524的增强版，在很多方面都进行了改进。
SG3525本身设计了软起动电路，因此，在实际实现软起动的过程中，由其内部的恒流源给外部电容充电，工作时不会影响到其它的电路。
方案三：
选用TL494芯片
TL494芯片它集成了所有的脉宽调制电路，其线性锯齿波振荡器是内置的，且外置一个电容和一个电阻作为振荡器件，线路简单，稳压精度为5V±5%。
芯片内置5V的参考基准电压源，可不外接电源。
死区时间可调整，有能够提供500mA的驱动的功率晶体管，且提供了推或拉两种输出的方式。
通过上述方案的比较，由于SG3525驱动能力更强，电路更简洁，且基准电业等指数也更精确，所以本设计决定采选用SG3525芯片，并采用功率场效应管（MOSFET）作为开关功率元件，实现性能价格比较高的逆变器。
由于SG3525具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其外围电路设计不太复杂。
3.3.2SG3525芯片简介
SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠、使用方便灵活，输出驱动为推拉式输出，增加了驱动能力；其内部含有PWM锁存器、欠压锁定电路、软启动控制电路，有过流保护功能，频率可调，且能限制最大占空比。
图3.2所示为SG3525的内部结构图。
欠压锁定器
基准电压
触发器
振荡器
PWM比较器
锁存器
误差放大器
图3.2SG3525内部结构图
3.3.3SG3525的基本特性及各管脚的功能
SG3525的内部电路由基准电压源、振荡电路、误差放大器、欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM信号产生及分相电路、脉冲输出级电路等组成。
SG3525的基本特性如下：
（1）工作电压范围8-35V；
（2）5.1V基准电压，精度±1%；
（3）具有振荡器外部同步功能；
（4）震荡频率范围100Hz-500KHz；
（5）内置软启动电路；
（6）死区时间可调；
（7）逐个脉冲关断；
（8）带滞回电压的输入欠压锁定；
（9）PWM锁定功能，禁止多脉冲。
图3.3所示为SG3525的引脚图，各个引脚的功能如下：
（1）Inv.input（引脚1）：
误差放大器反向输入端。
该引脚在闭环系统中接反馈信号，在开环系统中与补偿信号输入端引脚9相连，可构成跟随器。
（2）Noninv.input（引脚2）：
误差放大器同向输入端。
该引脚在闭环系统和开环系统中接给定信号。
根据需要，补偿信号输入端引脚9与该端与之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、积分和比例积分等类型的调节器。
（3）Sync（引脚3）：
外接同步信号输入端。
该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。
（4）OSC.Output（引脚4）：
振荡器输出端。
（5）CT（引脚5）：
定时电容接入端。
（6）RT（引脚6）：
定时电阻接入端。
（7）Discharge（引脚7）：
振荡器放电端。
引脚5与该段之间外接一只放电电阻，构成放电回路。
（8）Soft-Start（引脚8）：
软启动电容接入端。
该端外接一只软启动电容。
（9）Compensation（引脚9）：
PWM比较器补偿信号输入端。
在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。
（10）Shutdown（引脚10）：
外部关断信号输入端。
该端接高电平时控制器输出被禁止。
该端可与保护电路相连，以实现故障保护。
（11）Output A（引脚11）：
输出端A。
该引脚和引脚14是两路互补输出端。
（12）Ground（引脚12）：
信号地。
（13）Vc（引脚13）：
输出级偏置电压接入端。
（14）Output B（引脚14）：
输出端B。
该引脚和引脚11是两路互补输出端。
（15）Vcc（引脚15）：
偏置电源接入端。
（16）Vref（引脚16）：
基准电源输出端。
该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。
图3.3SG3525引脚图
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