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1、光伏水泵系统设计3摘 要光伏水泵系统是光伏技术的主要应用之一。光伏水泵可广泛应用于众多领域，偏远地区用水、灌溉、蓄电等。它具有无污染、少维修、不消耗其他能源等优点，得到人们的充分肯定。本论文主要的研究内容和结论如下：（1）讲述光伏水泵的原理，分析了泵站设计的一般要求和技术要求。（2）泵站建设的条件分析和性能参数如扬程、流量的设计。（3）光伏水泵的设计方案，包括日照数据处理、光伏组件的特性分析计算、电流电压的大小确定等。在设计一个光伏水泵系统时有两个很重要的原则，一是选用最合适的系统配件，二是系统配件间达到最佳匹配。【关键词】光伏水泵；性能参数；扬程目录第1章 绪论1第2章 光伏水泵简介22.1
2、光伏水泵的概述22.2光伏水泵的背景22.3光伏水泵的意义2第3章 水泵系统43.1系统组成及工作原理43.1.2变频器主电路及硬件构成43.1.3 DCDC升压电路简述53.2 光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计63.3 系统的保护功能设计73.4光伏水泵系统的几种结构形式8第4章 光伏水泵系统设计94.1 需水量计算94.2 选择倾角并修正日照数据104.3 数据处理104.4 水泵的选择124.5选择兼容的电动机134.6 求出子系统的负载曲线134.7 光伏系统的规格144.8 电压大小144.9 电流大小15参考文献16AbstractPhotovoltaic photovolt
3、aic water pump is one of the main applications of. Photovoltaic water pump is widely applied in many areas, remote areas, irrigation water, storage etc. It has the advantages of no pollution, less repair, do not consume other energy a bit, have been fully affirmed. In this paper, the main research c
4、ontents and conclusions are as follows: (1) Tells the story of photovoltaic water pump are analyzed the principle, general design requirements and technical requirements.(2) Pumping station construction condition analysis and parameters head, flow design. (3) The photovoltaic pump design, including
5、the data processing, photovoltaic modules performance analysis, current and voltage size determination. In the design of a photovoltaic water pump system has two important principles, one is the most suitable system accessories choice, one is the matching system accessories.【key words】Photovoltaic p
6、ump；Performance parameters；Lift第1章 绪论光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由光伏扬水逆变器和水泵组成。具体应用时，再根据不同扬程和日用水量的需求配以相应功率的太阳能电池阵列，统称为光伏扬水系统。 光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与滴灌、喷灌、渗灌等灌溉设施配套应用，节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“粮食问题”、“能源问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。太阳能水泵与常规柴油抽水系统相比具有以下优点：光伏电源用到的运动部件、零件少，不会对使用者造成伤害。所用到能源来源于太阳能，
7、因此不产生废水、废气等有害物质，利于环保。安装维护简单，可以实现无人值守。具有较高的兼容性，可以与其他能源配合使用。从能源角度看，太阳能用之不竭，其应用面广。但是也有它的缺点，比如前期资金投入比柴油机抽水系统高；使用的太阳能能量分散，间歇性大等【2】。光伏水泵系统，这种新兴、环保、节能的光伏应用技术，毫无疑问，将对发展干旱少雨地区的现代农业带来巨大的经济效益和社会效益，它符合节能减排、环境友好的社会发展战争略。 近年来，随着全球“粮食问题”、“能源问题”的严重性不断提升，逐步被誉为解决有效耕地提高产量和用清洁能源替代化石能源的最为有效产业整合产品。成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、
8、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。第2章 光伏水泵简介2.1光伏水泵的概述光伏水泵大多由能量系统、控制系统、泵系统及连接管线构成。能量系统由太阳能电池板组件或配以蓄电池构成，控制系统分直流与交流输出两类分别包含MPPT（最大能量跟踪），水泵驱动控制，变频或逆变控制，泵系统主要由泵体与电机构成。水泵一般多以泵的结构和作用原理来分类，有时根据需要也按使用部门、用途、动力类型和泵的水力性能等进行分类。(1)按使用部门分：有农业用泵(农用泵)、工作用泵(工业泵 )和特殊用泵等。(2)按用途分：有水泵、砂泵、泥浆泵、污物泵、井用泵、潜水电泵 、喷灌泵、家用泵、消防泵等。(3)按动力类型分：有手动
9、泵、畜力泵、脚踏泵、风力泵、太阳能水泵、电动泵、机动泵、水轮泵、内燃水泵、水锤泵等。(4)按工作原理分：有离心泵、混流泵、轴流泵、漩涡泵、射流泵、容积泵( 螺杆泵 、活塞泵、隔膜泵 )、链条泵、电磁泵、液环泵。2.2光伏水泵的背景光伏水泵技术涉及到的学科领域比较多，从系统构成的角度看，它不同于常规的“电源+水泵”，而是光、机、电、电力电子、计算机技术、多机群控技术等学科的综合。我国清华大学、合肥工业大学、浙江大学、西安交通大学、中科院电工所等多所高等学校和国家级的科研院所在国家科委、国家科委、国家经贸委以及原机械工业部的支持下的科技攻关计划，目前已经达到了可以批量产业化生产的程度，其技术水平已
10、经可和国外发达国家的产品水落石出平相媲美。从经济性的角度看，光伏水泵的运行成本已经证明大大低于柴油机水泵，由于近两年来国内外半导体太阳电池的不断降价，使光伏水泵相对于柴油机水泵的水价优势更加令人瞩目。除此之外，它还具有无人值守、高可靠性、和农作物的水蒸发量适配性好等到物有的优点。2.3光伏水泵的意义 21世纪中国经济建设的战略重点将移向大西北，不仅矿产等原材料和煤、石油、天然气等能源生产基地将移向西北地区，农业、牧业也将把西北地区作为俦发展地区。 西北地区大部分是我国的边远地区和少数民族聚居地区。由于自然条件差，历史上汉族与少数民族之间的不平等，西北地区的社会发展一直落后于东部地区，加快发展西
11、北地区的经济，消除贫困，对于稳定和平衡发展具有重要意义。 西北贫困地区的首要问题是水的问题。在西北一些严重干旱地区，至今连饮水问题都还没有彻底解决，贫困程度可想而知。在可利用草地面积中，有30因为缺乏人畜饮水而未能利用。应用光伏水泵对于解决这些贫困地区的饮用水和农牧业用水具有特别重要的意义。 由于人为破坏和不合理开发活动，使本来就很脆弱的生态环境日益恶化，水上流失、森林减少、土地沙化、盐碱化、荒漠化、物种减少等生态环境问题越来越严重。推广应用光伏水泵技术，合理开发水、土等资源，建设绿色大西北，对于改善西北乃至全国的生态环境都有极其重要的意义。 西北地区水资源可以满足需要水资源是指可更新补充可永
12、续利用的淡水资源，属于可再生资源。水资源总量包括河川面只的32%,水资源为全国的8%,因此从总体上看西北地区水资源非常贫乏.二是地下水资源相对丰富,地下水在水资源总量口的比例高达45%,因此在西北地区水资源中,地下水占有十分重要的地位。三是地下水资源大部分分布在山前平原地带，主要如祁连山、天山、昆仑山山前地带。对这些地带而言，地下水资源是丰富或比较丰富的。而这些地带正是可耕土地和人口集中分布的地带，是主要经济带。 应用光伏水泵和节水灌溉技术可以在沙漠中大面积植树造林，大大提高造休成活率，促进三6北防护林建设。扩大41M面积和人工草地面积，可以防止土地退化、沙化将为减入显著。大于20年的费用2万
13、圆，按照20年算的效益更加显著。第3章 水泵系统3.1系统组成及工作原理 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DCDC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。 3.1.2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DCDC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DCAC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dsPI
14、C30F2010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Vf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。3.1.3 DCDC升压电路简述 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
15、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)。 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。 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
