基于MPPT控制的直流光伏水泵系统开题报告

5.论文工作量及预期
2015 年 12 月---- 2016 年 3 月：收集资料，确定设计系统总体方案，书写开 题报告，进行开题答辩。 2016 年 03 月----2016 年 04 月： 参考有关外文资料及阅读技术文献， 进行方 案论证。分别对软、硬件进行设计。
2016 年 04 月:中期答辩 2016 年 04 月---- 2016 年 05 月：软、硬件调试，编写毕业论文。 2016 年 05 月 上交论文评阅 2016 年 06 月上旬：毕业答辩准
上海电机学院 毕业设计（论文）开题报告
课题名称基于 MPPT 控制的直流光伏水泵系统 学院电气学院 专业自动化 班级 BG1207 学号 12100120727 姓名包俊 指导教师 龚建芳
定稿日期： 2016 年 02 月 20 日
基于MPPT控制的直流光伏水泵系统
摘要：当前世界能源短缺以及环境污染问题日益严重，这些问题迫使人们改变能 源结构，寻找新的替代能源。可再生洁净能源的开发愈来愈受到重视，太阳能光 伏发电及其应用是集开发利用绿色可再生能源、改善生态环境、改善人们生活条 件于一体的重大课题。太阳能以其经济、清洁等优点倍受青睐，其开发利用技术 亦得以迅速发展，而光伏水泵成为其中重要的研究领域。 关键词：MPPT 控制，直流光伏水泵， PCB设计。
1．光伏发电系统的发展现状和应用前景
“光伏发电”是将太阳能光的光能直接转化为电能的一种发电形式。20世纪 50年代初，美国贝尔实验室在为远程通信系统寻找可靠的电源时，科学家们发现 经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1954年在贝尔实验室第一次做出 了光电转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池，开创了光伏发电的新纪元。 从20世纪70年代中后期开始，光伏技术得到不断的完善，成本不断降低，形 成了不断发展的光伏技术产业，成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。 当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视， 针对其制定规则， 增加投入，大力发展，光伏发电技术产业也一直保持以1 O％～1 5％的递增速度 在发展。90年代后期，发展更为迅速，称为全球增长速度最快的高新技术产业之 一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成 为人类的基础能源之一。据预测，到下世纪中叶，可再生能源在世界能源结构中 将占到50％以上。 中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。中国地处北半球，南 北距离和东西距离都在5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能 资源。 大多数地区年平均同辐射量在每平方米4千瓦时以上， 西藏日辐射量最高达 每平米7千瓦时。 年日照时数大于2000d时。 中国的太阳能资源的理论储量达每年l 7000亿吨标准煤，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得 多，因而有巨大的开发潜能，开发利用的潜力非常广阔。 过去十多年，我国太阳能热利用产业取得了长足进步，生产企业已经发展到 了5000余家。市场规模越来越来大，自上世纪90年代末以来，一直保持着30％的 年增长。目前，我国的太阳能热利用产业体系已经较为完善，初步形成了合理配 套的产业链和基础标准体系，建立健全了检测认证体系。 虽然中国的光伏发电技术不断进步，价格逐渐下降，但是由于发展时间短、 经验不足，从整体水平来看，中国光伏产业的发展还是落后于国际水平的。中国 太阳能电池生产的技术水平低，发电成本高，又受制于不完整的产业链结构，使 得国内太阳能企业最终仅承担了产业链中高污染、高耗能的生产环节，赚取的仅 为5—6％的加工利润，同时，光伏产业上游原料的技术壁垒高，主要由美、日等 国控制，获取技术困难。但是随着《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利 用产业的发展提供了政策的保障；京都议定书的签订，环保政策的出台和对国际 的承诺，给我国的太阳能利用产业带来机遇；西部的大开发，为太阳能利用产业
提供巨大的国内市场；原度，所有的这些都为中国太阳能利用产业的发展带来 极大的机会。
2.选题背景及其意义
光伏水泵系统亦称太阳能光电水泵系统，其基本原理是利用半导体太阳电池 将太阳能直接转换为电能， 然后驱动各种类型的电动机带动水泵从深井、 江、 河、 湖和塘等水源提水。它可以用于牧区、草原、边防哨所等缺电、无电地区，提供 人畜饮用水以及草原、牧场或其它农作物的灌溉用水。在发达国家，光伏水泵系 统已逐步地被用作花园、别墅、草地及宿营地等的供水设施，成为先进环保的产 品。 由于光伏水泵是由太阳能电池直接供电，因此它具有十分明显的节能及环保 效益，它不仅不消耗常规能源，相比于常规的柴油机水泵，它具有无噪声、全自 动、高可靠、供水量与蒸发量适配性好和经济性明显等许多优点，已在世界范围 内倍受青睐。联合国国际开发署(UNDP)、世界银行组织(WB)、亚太经社会(ESCAP) 等国际组织都先后在多个场合充分肯定了它的先进性与合理性。目前在这些国际 组织的组织与支持下，全世界已有数万台不同规格的光伏水泵在不同地区和国家 运行，特别是在亚、非、拉及中东等发展中国家，已为许多贫困地区的人民带来 了可观的经济效益，加速了这些地区的脱贫步伐，体现了令人鼓舞的社会效益。 光伏水泵系统从技术上说是一个比较典型的“光、机、电一体化"系统，它涉及太 阳能的采集、 变换及电力电子、 电机、 水机、 计算机控制等多个学科的最新技术， 因此已被许多国家列为重要的发展对象，中东、非洲有不少国家更是制定计划， 期望依赖太阳能水泵及微灌、现代农业等新技术在地下水资源比较充裕的干旱地 区把家园改造为绿洲。 由于缺水， 我国西部和西北地区的国土正以每年2500平方公里的速度被沙化， 那里的人民往往不得不放弃家园向东迁移。我国西北部地区的缺水是否不可避免 地必然严重到这种程度?这是值得探讨的。 相关的水资源材料表明， 仅我国新疆地 区水资源的蕴藏量就达到ll50亿立方米(大部分是地下水)，这相当于两条黄河的 径流量，消极盲目地抵制开发地下水资源实际上是对资源极大浪费，相反，合理 可持续地开采和利用这些水资源就有可能重新染绿那片国土，非但丝毫无损那里 的生态平衡，而且必定会带来巨大的生态和经济效益，必定会逐步良性地改变那 里的面貌。 提取地下水的关键是动力， 可是在电网未及的大西北边远农村， 动力正是首 缺，我国目前还有将近8000万人口居住在新疆、青海、西藏、甘肃、内蒙等省份 的边远无电或严重缺电干旱地区， 这些地区的共同特点是人口密度低、 居住分散、 交通不便、 气温偏低但太阳能资源丰富， 有些地区还具有相当丰富的地下水资源。 那里的人民渴望能用上电以解决他们的照明、 洁净人畜饮水和农牧区灌溉、 通讯、 小家电甚至小规模的农产品加工问题。35KV供电线路的造价超过人民币80,000元 ／公里，这种小负荷、长距离的输电方式显然是不经济的。 柴油机供水、发电固然也是一种选择，但在边远地区燃料的运输、零配件的 供应、维修力量的不足、高原地区柴油机效率低下等困难，使人们一直在寻找替 代它的新途径。 我国西部大部分地区日照资源可高达1800kWh/m2/年， 这是一个得 天独厚的条件，因此光伏发电和提水就成了这些地区解决供电、供水问题最合乎
3.2.3 CVT和MPPT的技术对比分析 3.3、在直流光伏水泵系统中应用MPPT技术提升系统效率 3.3.1系统硬件总体结构设计 以单片机作为MPPT控制系统，ML4425电机驱动芯片作为直流水泵控制单元， 具有宽电压光伏板输入，硬件水位传感器接入，软打干保护功能。本论文研 究的直流光伏水泵系统所采用的MPPT控制方式有别于传统MPPT控制器跟踪电 压或功率的形式，以电机频率为采样样本，更贴合直流水泵实际的工况，大 大提升直流光伏水泵的整体效率。 3.3.2系统硬件电路设计 分为光伏宽压输入模块、电机控制模块、MPPT控制模块、外围保护电路。 3.3.3 系统软件设计 MPPT控制方式；软件打干功能；故障显示功能。 3.4、按照企业所需求的控制要求完成样机的试制并进行调试实验 3.4.1实验方法和测试手段、实验环境的搭建。 3.4.2实验数据的收集整理 3.4.3 更多的实现方案和未来优化的方向
逻辑的选择，再加上近若干年来光伏器件的不断降价和光伏水泵全自动、易维护 等特点，为我国西部大部地区大力推广光伏水泵系统提供了优越的条件。 就不同使用场合下的光伏水泵系统而言，驱动电机可分为直流电动机和交流 电动机两大类。采用普通直流电动机作为驱动电机的光伏水泵可以直接与太阳电 池阵列相连，或通过简单功率变换装置与太阳电池阵列连接。然而，直流电动机 造价一般比较高，还需要定期维护或更换其电刷。近若干年来，由于新型调速控 制理论及功率电子器件技术进步，使交流调速技术取得了长足的发展，其效率已 逐步赶上直流电动机，使用的方便性和牢固性也远远超过直流电动机。因此，有 刷直流电动机驱动方式有渐呈被淘汰之势，取而代之的主要是高效率的三相异步 电动机及直流无刷电动机。 而常规户用光伏水泵系统，为了适配户用供电电源电压等级，其潜水电机适 配电压等级一般较低，并采用直接变频驱动方式。虽然这样的系统实验室测试效 率较高，但由于是低电压直接驱动，在实际应用过程中，对远距离井口和深井， 电压损失较大，严重影响系统效率和扬程。此外，这样的潜水电机由于是非标， 产量、 质量及维护保养均存在很大问题． 针对常规户用光伏水泵系统的这些缺陷， 本文提出一种采用采用高频链变频主电路结构的小功率户用光伏水泵系统，该系 统成本低且适宜于推广应用。
4.工作特色及其难点，拟采取的解决措施
4.1特色 本设计方案主要研究如何提升直流光伏水泵的效率，在同等功率的光伏板输 入情况下，最大可能的延长光伏水泵的工作时长。 4.2难点 MPPT 设计的合理性，如何避免系统进入死循环。需要通过长时间的实验进行 验证设计效果。 4.3措施 设计之前需要查阅不同的 MPPT 的控制方式的优劣性。 了解直流电机的工作特 性。同时需要 MCU 的合理选型，简化外围电路设计，提升系统的可靠性。制定合 理的实验计划，通过系统的对比分析，优化系统程序。
3.研究内容
本课题主要是通过对系统各部分原理的概述，提出系统的设计方案，设计出变频 控制器的硬件电路和软件系统，并根据上述思路制作一台试验样机，对样机的各 项性能指标参数进行试验记录。本样机目标实现的功能为： 1、过压保护电路 2、防反接电路 3、使用 MCU 或其他 IC 取代原无刷驱动控制 IC 4、增加大功率降压型 DCDC（带 MPPT 功能） 5、使用开关型辅助供电电源 并具有以下优势： 1、具有过压保护功能 2、具有接反保护功能 3、可增加现有产品工作电压范围，太阳能电池板匹配简单 4、提升 MPPT 效率（原有产品 MPPT 效率低） 5、软件改善启动卡顿及电流过大问题 3.1、MPPT原理认识和学习 3.1.1 PPT在光伏水泵中的原理及实现方法 3.1.2 导纳增量法 3.1.3 黄金分割法 3.1.4 选择变量法 3.2、在太阳能系统中应用MPPT和CVT技术的对比分析 3.2.1 应用CVT技术的太阳能系统 3.2.2 应用MPPT技术的太阳能系统