三相交流电机光伏扬水系统研究

【摘要】：光伏扬水系统是将来自光伏电池板的太阳能转换成电能从而驱动各类水泵电机从深井、江、河、湖、塘中取水的机电系统。它们在解决偏远缺电缺水地区的人畜饮水问题、农业灌溉问题、荒漠化治理问题方面发挥着重要的作用。迄今为止,人们已对光伏扬水系统进行了广泛的研究,但仍有许多问题未能得到很好的解决,因此对光伏扬水系统的研究具有十分重要的现实意义。本文对三相交流电机驱动的光伏扬水系统进行了深入的研究,重点研究了系统启动、水泵与电池板输出功率匹配、扬水系统效率、系统保护等四个方面的问题。主要的研究工作包括： 1.采用机理建模法建立了系统各组成部分模型,通过对这些模型的仿真获得了它们的工作特性曲线,通过分析其特性曲线,制定出系统的控制方案； 2.深入研究了水泵电机与电池板输出功率的匹配问题及提高扬水系统工作效率的方法,提出了基于变步长扰动观察法+常压法的MPPT算法与U/f变频调速相结合的控制策略及前馈+反馈的双环路PI控制器结构,并具体给出了其参数设计过程； 3.研究了系统的启动和保护问题,提出了一种采用超级电容器辅助水泵启动的新方法和过压过流保护方案。 4.完成了系统软硬件设计。硬件设计主要包括重要元器件如光伏电池板、超级电容器、水泵的参数计算和设备选型及主控制器电路、电源电路、推挽升压主电路及控制回路、三相逆变电路、电压电流采样电路、隔离电路等的设计和制作。软件设计主要包括系统主程序、初始化子程序、中断子程序、ADC采样控制子程序、水泵速度控制子程序、正弦调制波控制子程序、PSC模块控制子程序、超级电容器充放电控制程序的控制算法和程序设计。 5.搭建了2.2kW实验平台,对超级电容器充放电、系统整机进行了实验,并对控制器和逆变器输出波形进行了实际测试。结果表明,基于这一方案所研制的系统能供给水泵启动所需的短时大功率,有效解决系统启动时电压冲击和降落问题；能有效平衡因外界环境引起光伏电池板输出功率发生剧烈变化时直流母线电压；提高了系统的跟踪能力,增强了系统对外界环境的适应性；有效提高了系统工作效率,解决了系统功率匹配问题。 【关键词】：光伏扬水 超级电容器 直流推挽升压电路 变频逆变器 功率匹配 MPPT U/f变频调速 前馈+反馈双环路PI控制器
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM34
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景和意义11
• 1.2 光伏扬水系统研究现状11-16
• 1.2.1 光伏扬水系统拓扑结构研究现状12-13
• 1.2.2 光伏扬水系统控制策略研究现状13-16
• 1.3 本文主要工作16-17
• 第二章 光伏扬水系统建模17-40
• 2.1 光伏电池建模及特性研究17-21
• 2.1.1 光伏电池工作原理17-18
• 2.1.2 光伏电池等效模型18-19
• 2.1.3 光伏电池模型仿真19-21
• 2.2 超级电容建模及控制研究21-24
• 2.2.1 超级电容等效模型22-23
• 2.2.2 超级电容充放电控制23-24
• 2.3 DC/DC变换电路24-29
• 2.3.1 常见DC/DC变换电路拓扑结构24-26
• 2.3.2 推挽升压电路建模及控制原理26-29
• 2.4 光伏水泵建模及特性研究29-33
• 2.4.1 光伏水泵建模29-31
• 2.4.2 光伏水泵启动分析31
• 2.4.3 光伏水泵运行分析31-33
• 2.5 三相逆变器模型33-37
• 2.5.1 逆变器SPWM调制机理33-36
• 2.5.2 逆变器建模36-37
• 2.6 三相光伏扬水系统模型37-39
• 2.7 本章小结39-40
• 第三章 光伏扬水系统控制策略研究40-57
• 3.1 MPPT控制策略研究40-43
• 3.1.1 常压法40-41
• 3.1.2 扰动观察法41-42
• 3.1.3 导纳增量法42-43
• 3.1.4 变步长P&O+CVT法43
• 3.2 水泵调速43-49
• 3.2.1 矢量控制调速44-46
• 3.2.2 恒压频比变频调速46-48
• 3.2.3 MPPT与调速结合方案48-49
• 3.3 主控制器设计49-54
• 3.3.1 主控制器结构设计50
• 3.3.2 主控制器参数计算50-54
• 3.4 系统仿真分析54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 系统硬件设计57-67
• 4.1 主电路硬件设计57-62
• 4.1.1 光伏电池板选型57-58
• 4.1.2 超级电容器选型58
• 4.1.3 水泵选型58-59
• 4.1.4 直流推挽升压电路设计59-61
• 4.1.5 三相逆变器设计61-62
• 4.2 控制电路设计62-64
• 4.2.1 逆变电路控制器设计62-63
• 4.2.2 推挽升压电路控制回路设计63-64
• 4.2.3 芯片电源设计64
• 4.3 检测电路设计64-66
• 4.3.1 电压采样电路设计64-65
• 4.3.2 电流采样电路设计65
• 4.3.3 隔离电路设计65-66
• 4.4 本章小结66-67
• 第五章 系统软件设计67-72
• 5.1 软件开发环境67-68
• 5.2 主程序设计68-69
• 5.3 子程序设计69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第六章 光伏扬水系统实验及分析72-80
• 6.1 超级电容实验及分析72-75
• 6.1.1 超级电容辅助启动实验72-74
• 6.1.2 超级电容充电实验74-75
• 6.2 三相光伏扬水系统测试75-79
• 6.3 本章小结79-80
• 第七章 总结与展望80-82
• 7.1 总结80-81
• 7.2 展望81-82
• 参考文献82-85
• 致谢85-86
• 攻读学位期间发表论文情况86

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