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光伏水泵控制与双闭环最大功率跟踪研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 太阳能光伏利用概况

1.2 光伏水泵系统的组成及应用前景

1.3 光伏水泵系统的研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4 论文工作的主要内容

第二章 光伏电池特性与最大功率跟踪技术

2.1 光伏电池板工作原理

2.1.1 光生伏特效应简介

2.1.2 光伏电池工作过程

2.2 光伏电池板特性

2.2.1 光伏电池板的输入输出特性

2.2.2 光伏电池输出特性的影响因子

2.3 光伏水泵中的最大功率跟踪技术

2.3.1 恒定电压法

2.3.2 干扰观测法

2.3.3 电导增量法

2.4 传统方法在非均匀辐射条件下的局限性

2.5 双闭环在线检测电导增量法跟踪策略

第三章 光伏水泵所用电机及其控制策略

3.1 光伏水泵系统电机选型

3.2 永磁无刷直流电机工作原理及数学模型

3.2.1 永磁无刷直流电机工作原理

3.2.2 永磁无刷直流电机数学模型

3.3 无位置传感器无刷直流电机的转子位置检测

3.3.1 续流二极管导通检测法

3.3.2 反电势过零点检测法

3.3.3 反电势三次谐波检测法

3.3.4 论文采用的虚拟中点法

3.4 无位置传感器无刷直流电机起动

3.4.1 升频升压电路起动法

3.4.2 三段式起动法

3.4.3 预定位起动法

3.5 电机电子换相中的数字锁相与滤波

第四章 光伏水泵控制系统硬件设计

4.1 控制系统总体硬件结构设计

4.2 主控芯片为核心的控制电路设计

4.2.1 控制芯片dsPIC30F6015介绍

4.2.2 控制芯片外围电路设计

4.3 开关电源设计

4.3.1 UC3844芯片简介

4.3.2 系统开关电源设计

4.4 DC/DC斩波电路设计

4.5 光伏电池板检测电路设计

4.5.1 光伏电池电压采样电路设计

4.5.2 光伏电池电流采样电路设计

4.6 功率驱动电路设计

4.7 三相逆变桥电路设计

4.8 无刷直流电机反电势检测电路设计

4.9 水井抽干保护电路设计

第五章 光伏水泵控制系统软件设计

5.1 系统主程序流程设计

5.2 MPPT子程序设计

5.3 电机起动及自同步切换程序设计

5.3.1 定时器中断子程序设计

5.3.2 反电势过零点捕捉中断子程序设计

5.4 系统采样子程序设计

5.5 系统保护子程序设计

第六章 实验结果及分析

6.1 光伏水泵系统实验条件

6.2 实验结果及其分析

6.2.1 最大功率点跟踪实验

6.2.2 电机运行状况测试

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间发表的论文

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摘要

随着工农业生产的发展,能源危机和环境污染日益严峻,作为一种绿色可再生能源的太阳能越来越受到青睐。中国西部的一些干旱地区拥有丰富的太阳能,但存在着用水难的问题,同时这些地区往往拥有丰富的地下水资源,发展光伏水泵系统提取地下水,将会给这些地区带来巨大的经济和社会效益。
   在光伏水泵系统中,最大功率点跟踪和水泵机组的控制问题一直是研究的热点。论文根据系统的要求,选用无位置传感器无刷直流电机作为水泵的驱动电机,并设计出一款以dsPIC30F6015为控制核心的光伏水泵控制器。
   论文首先对光伏电池板的原理及输入输出特性进行了描述,对传统的光伏水泵最大功率跟踪技术进行了分析,指出传统方法在光伏电池板受到非均匀辐射时的局限性,在此基础上提出了新型的双闭环在线检测电导增量法。该算法的通用性比常规算法好,保证了系统在各种条件下都能准确找到最大功率点。
   然后分析了对水泵驱动电机的控制,介绍了无刷直流电机的工作原理及数学模型,然后讨论了无位置传感器无刷直流电机的起动和电子换相的问题。为了使光伏水泵稳定可靠的运行,论文采用“预定位起动法”实现电机的起动,采用“虚拟中点法”检测反电势的过零点,解决了传统反电势法产生相移而检测不准确的问题。
   最后根据理论分析制定了相应的控制方案,设计制作了控制器的硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括DC/DC斩波电路,功率驱动电路和反电势检测电路;软件设计主要包括最大功率跟踪程序和电机起动至自同步切换程序。利用制作好的光伏水泵控制器,论文进行了最大功率跟踪和电机运行状况的测试实验,实验结果验证了所提出的新型跟踪算法的可行性和相对于传统算法的优势,新型算法跟踪更为准确。实验也证实了控制器对水泵机组控制效果良好,电机能够很平稳的起动,运行稳定,电子换相准确。

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