光伏发电原理与应用期末大作业*名：**班级：0312406学号：*********指导教师：***题目1.光伏水泵系统组成及工作原理1.系统组成及工作原理1．1光伏水泵系统的结构图由图1可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。

经过DC／DC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。

其中主要包括4部分：太阳电池阵列；具有TMPPT功能的变频器；水泵负载；储水装置。

1．2变频器主电路及硬件构成本系统所采用的主电路及硬件控制框图如图2所示。

主电路DC／DC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DC／AC部分采用三相桥式逆变电路。

主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)PS12036，系统控制核心由16位数字信号控制器dsPIC30F2010构成。

外围控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。

系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的V／f比为恒值。

系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。

1．2．1 DC／DC升压电路简述1．2．1．1主电路选择对于中小功率的光伏水泵来说，光伏阵列电压大都是低压(24v、36v、48V)，对于升压主电路的选择，人们一般选择推挽电路，因为推挽电路变压器原边工作电压就是直流侧输入电压，同时驱动不需隔离，因此比较适合输入电压较低的场合。

但是偏磁问题是制约其应用的一大不利因素，功率管的参数差异和变压器的绕制工艺都有可能使推挽电路工作在一种不稳定状态。

基于诸多因素的考虑，本系统采用了结构新颖的推挽正激电路，此电路拓扑不仅克服了偏磁问题，而且闭环控制也比较容易(二阶系统)。

1．2.l.2推挽正激电路简单分析推挽正激电路如图2所示，由功率管S1及S2，电容C8和变压器T组成，变压器T原边绕组N1及N2具有相同的匝数，同名端如图2所示。

当S1及S2同时关断的时候，电容C8两端电压下正上负，且等于阵列电压，当S1开通，S1、N2和光伏阵列构成回路，N2上正下负，同时C8、N1和S1构成回路，C8放电，N1下正上负，此时的工作相当于两个正激变换器的并联。

同理，当S2开通S1关断时，也相当于两个正激变换器的并联。

经过理论分析，推挽正激电路是一个二阶系统，因此闭环控制简单，同时输出滤波电感和电容大大减小。

1.2.2 dsPIC30F2010简单介绍Microchip公司通过在16位单片机内巧妙地添加DSP功能，使Microchip的dsPIC30F数字信号控制器(DSC)同时具有单片机(MCU)的控制功能以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和数据吞吐能力。

因为它具有的DSP功能，同时具有单片机的体积和价格，所以本系统采用此芯片作为控制器。

此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。

dsPIC30F2010管脚示意如图3所示。

1．2.2．1主要结构12KB程序存储器；512字节SRAM：1024字节EEPROM；3个16位定时器；4个输入捕捉通道；2个输出比较／标准PWM通道；6个电机控制PWM通道；6个10位500kspsSA／D转换器通道。

l 2．2．2主要特点A／D采样速度快且多通道可以同时采样；6个独立／互补／中心对齐／边沿对齐的PWM：2个可编程的死区；在噪声环境下5V电源可正常工作；最低工作电压3V；A／D采样和PWM同期同步。

2光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计2．1常规恒定电压跟踪(CVT)方式的特点与不足CVT方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出，软件上处理比较简单。

但实际上日照强度和温度是时刻变化的，尤其是在西部地区，同一天中的不同时段，温度和日照强度变化都相当大，这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移，其中尤以温度的变化影响最大。

在这种情况下，采用CVT方式就不能很好地跟踪最大点。

2．2 TMPPT的原理与实现为克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。

由于逆变器采用恒V／f控制，故水泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。

故本系统采用TMPPT 方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。

由太阳电池阵列的特性曲线(见图4)可知，在最大功率点处，dP／dv=O，在最大功率点的左侧，当dP／dV>O时，P呈增加趋势，dP／dV<O时，P呈减少趋势；但在最大功率点的右侧，当dP／dv>O时，P呈减少趋势，dP／d v<O 时，P呈增加趋势。

据此可在实际运行时根据P-V的变化关系确定最大功率点。

图5为TMPPT型最大功率点跟踪控制框图。

系统的输入指令值为0，反馈值为dP／dV，假定Z3状态为+1，则Usp*指令电压增加，经CVT环节调整，系统的输出电压V跟踪Usp*增加，采样输出电流I，经功率运算环节和功率微分环节，获得dP／dV值，如dP／dV>0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。

如dP／dV<O，则Z1为-l，Z2为-1，Z3为-1，Usp*指令电压开始减小。

稳定工作时，系统在最大功率点附近摆动，如果摆动幅度越小，则精度越高。

在具体工作时，为了防止搜索方向的误判断，软件中设置了搜索限幅值，使系统的工作可靠性进一步提高。

由于本系统中采用的ASIPM模块带有电流检测功能，故在硬件设计上可以省去电流检测电路，节约了成本，并进一步优化了外围电路。

3系统的保护功能设计1)过流和短路保护功能由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。

当检测电流值超过给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT 门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。

2)欠压保护功能ASIPM检测下桥臂的控制电源电压，如果电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，同时输出故障信号，在故障期间，下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。

3)过热保护功能ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，dsPIC 通过检测其阻值可以完成过热保护功能。

以上保护是利用了ASIPM自身带有的功能，无须外加电路，进一步简化了硬件电路设计。

系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏水泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。

对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响水泵使用寿命，因此，本系统设计了低频保护，对水泵来说，当液面低于水泵进水口时，水泵处于空载状态，若不采取措施，长时间运行则会损坏润滑轴承，而本系统为户外无人值守工作方式，故系统为了增加检测可靠性，采用了自动打干和手动打干两种识别方式，其中，自动打干是根据系统输出功率和电机工作频率来进行判别；手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。

由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。

3我国光伏产业存在的主要问题3.1污染问题突出虽然太阳能是绿色能源，但太阳能上游的组件和硅原料却是一个高污染行业。

产品的制造过程中，会排出四氯化硅、氯化氢、氢气等尾气。

特别是四氯化硅，如果不做处理，就会溶解变为盐酸等物质，将污染土壤。

与很多高耗能、高污染行业一样，欧洲国家染土壤。

与很多高耗能、高污染行业一样，欧洲国家的阳能世界制造中心也基于此。

目前普遍采用的是碳还原法，生成的物质既有硅，同时还伴随着大量的二氧化碳。

在耗费大量电能之外，二氧化碳的生成直接带来了温室气体的排放，这与目前国家所提倡的低碳经济发展宗旨明显相悖。

3.2社会公众意识落后我国光伏产业发展迟缓和社会公众意识落后有关。

大部分用户意识不到能源的危机和太阳能光伏带来的好处。

3.3产业与市场倒挂我国成为了全球生产光伏电池最多的国家，但光伏电池的使用却远远落后，形成了典型的产业与市场倒挂现象。

我国90%以上的光伏电池组件和系统销往国外，德国安装的太阳能光伏发电设备九成为中国制造。

而光伏发电仅限于边远无电地区和大城市里的一些示范工程。

3.4缺乏详细的资源普查和科学的统一规划目前我国的多晶硅产能已经远远超过电池需求，但在2008年上半年多晶硅最狂热的时候，同时上马的多晶硅项目高达30多项，不少企业抛出了万吨多晶硅的计划，这些项目存在巨大的风险。

一是多晶硅项目技术复杂，工艺参数多，许多项目投入巨资但却不能按期达产；二是环保风险，因为多晶硅是高污染的项目，环保不达标,有被强制关停的风险；三是投资巨大且项目建设及回收周期长。

尽管经济危机给全球的光伏产业泼了一盆冷水，但产业潜在的狂热仍然存在。

3.5并网管理有待完善集中式的光伏发电可按国家有关部门的并网规定并入电网，但是对于接入配电网的分布式光伏电源而言，国家还没有针对其制定简易的、具有实际可操作性的关于并网、购售电等方面的一系列管理办法。

这在一定程度上影响了光伏发电市场的快速发展。

3.6标准、规范与检测认证体系不健全技术标准和规范不全面、不完整，且发布滞后。

在我国已颁布实行的光伏技术标准中，大部分是光伏产品的技术标准，缺少规范光伏发电性能质量和电网调度方面的管理规程，缺乏符合建筑要求的光伏产品质量标准。

目前，国际上光伏标准出台速度加快，近年来出台了大量新的关于光伏发电系统方面的标准。

而我国国家标准的出版，每年都有一定的数目限制，许多已经制定校核完成的光伏标准发布迟缓。

缺少强制性标准。

国家相关部门已经制定的一系列光伏组件及接入系统方面相关的标准基本上均为“推荐标准”，与强制标准相比，实际执行效果难以得到保证。

光伏检测和认证机构设备不足，检测水平造有限。

现今我国的总体检测水平与国际上仍有一定差距，没有得到国际上的普遍认同。

3.7缺乏核心技术和生产设备我国光伏发电产业多晶硅技术虽然已经实现了由百吨级向千吨级的提升，然而整体水平同国际先进水平相比，在生产能耗、物料循环利用以及生产成本等方面均还有一定差距。

以多晶硅电池来看，尽管我国是目前全球最大的多晶硅电池生产国之一，但我国企业并没有太大的定价权，其原因主要在于多晶硅提纯核心技术主要掌握在国外厂商手中。