【摘要】本論文研制一種新型的光伏揚水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的驅(qū)動電機是采用直流無刷電機，系統(tǒng)選用MicroChip公司所生產(chǎn)的PIC16F877作為光伏水泵系統(tǒng)的主控芯片，對系統(tǒng)硬件和控制軟件進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)直流無刷電機的反電勢過零檢測，同時實現(xiàn)光伏陣列點的TMPPT跟蹤、系統(tǒng)無人監(jiān)控和故障檢測等功能。

【關(guān)鍵詞】揚水系統(tǒng);過零檢測;TMPPT跟蹤

1.引言

光伏水泵亦稱太陽能水泵，主要由水泵和光伏揚水逆變器組成。具體應(yīng)用時，再根據(jù)日用水量和不同揚程量的需求配以相應(yīng)功率的光伏陣列，統(tǒng)稱為光伏揚水系統(tǒng)。光伏水泵利用清潔無污染、取之不盡用之不竭的太陽能資源，日出而作，日落而歇，無需電網(wǎng)、無需柴油、無需人員看管，可與滲灌、噴灌、滴灌等灌溉設(shè)施配套應(yīng)用。節(jié)水節(jié)能，可大幅降低使用化石能源電力的投入成本。是全球“能源問題”、“糧食問題”綜合系統(tǒng)解決方案的新能源、新技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品。

本文設(shè)計了一種自動的新型的光伏揚水系統(tǒng)，該系統(tǒng)的驅(qū)動電機是采用直流無刷電機，系統(tǒng)選用MicroChip公司所生產(chǎn)的PIC16F877作為光伏水泵系統(tǒng)的主控芯片，對系統(tǒng)硬件和控制軟件進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)直流無刷電機的反電勢過零檢測，同時實現(xiàn)光伏陣列點的TMPPT跟蹤、系統(tǒng)無人監(jiān)控和故障檢測等功能。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

光伏水泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括四個部分：太陽電池陣列、控制器、電機和水泵。 系統(tǒng)利用光伏陣列將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能。經(jīng)過DC/DC升壓后然后經(jīng)過具有TMPPT功能的變頻器輸出三相交流電壓，從而驅(qū)動電機和水泵負(fù)載，完成向水塔儲水功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件構(gòu)成

本文所設(shè)計的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，光伏電池陣列的輸出端與Boost相接，單片機釆集光伏陣列母線的電壓值和電流值從而做出是否欠壓過流的判斷，采集到的數(shù)據(jù)如果符合條件，微控制器將根據(jù)MPPT算法改變電壓的增量移動方向從而調(diào)整PWM信號的占空比。通過調(diào)整占空比來驅(qū)動DC-DC電路的功率管導(dǎo)通，這一部分完成了最大功率點跟蹤控制。

三相逆變橋電路與最大功率點跟蹤控制的輸出端相連，IR2130組成功率驅(qū)動電路，單片機的PWM控制信號通過此驅(qū)動電路來控制六個開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使UVW三相交替導(dǎo)通使電機運轉(zhuǎn)。電機運轉(zhuǎn)期間不斷地通過三相反電勢過零檢測電路檢測轉(zhuǎn)子位置，獲得準(zhǔn)確的換相信息。所設(shè)計的系統(tǒng)保護(hù)功能包括打干保護(hù)、低日照保護(hù)和過流保護(hù)。我們知道，根據(jù)直流無刷電機的運行原理通過由6只功率管組成的三相六狀態(tài)電路的斷開與導(dǎo)通可以控制電機的運轉(zhuǎn)。而對光伏陣列最大功率點跟蹤而言，則是通過改變DC-DC的占空比D來實現(xiàn)的。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

3.軟件設(shè)計

在本光伏水泵系統(tǒng)中，選用單片機PIC16F877作為系統(tǒng)的主控芯片。系統(tǒng)的軟件部分包括主程序和中斷服務(wù)程序，主程序的任務(wù)主要是完成系統(tǒng)的初始化、A/D采樣、讀入用戶設(shè)置、電機轉(zhuǎn)速識別及轉(zhuǎn)速異常保護(hù)、PI調(diào)節(jié)、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程圖如圖3所示。

4.總結(jié)

論文經(jīng)過理論設(shè)計及硬件制作完成了樣機試制，該樣機的設(shè)計采用單片機PIC16F877作為系統(tǒng)的主控芯片。系統(tǒng)采用“虛擬中性點法”，從而解決了無位置傳感器的直流無刷電動機控制的關(guān)鍵問題即轉(zhuǎn)子位置檢測問題。本樣機利用單片機所擁有的豐富的I/O口和A/D采樣功能，采用調(diào)節(jié)PWM占空比調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)最大功率跟蹤功能。樣機還完善了對系統(tǒng)的各種保護(hù)功能，提供各種監(jiān)控功能，這提高了光伏揚水系統(tǒng)的可靠性和靈活性。在實驗中，選用24V，30W的無位置傳感器直流無刷電機，通過實驗證明，直流無刷電機能夠自動切換到自同步運行狀態(tài)并實現(xiàn)了實現(xiàn)平穩(wěn)的步進(jìn)起動。通過實驗，測量了電子換向逆變器的各種電壓，電機運行性能良好。實驗結(jié)果表明，該試制樣機基本上達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用價值。

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作者簡介：張鳳娟（1978—），女，山東菏澤人，無錫科技職業(yè)學(xué)院講師，主要從事光伏技術(shù)方面的研究。