光伏水泵系统
光伏水泵系统设计与分析(课程汇报)
类型：课程设计名称：光伏水泵系统设计与分析关键词：光伏水泵；异步电机；最大功率；PI控制器目录第1章前言 (4)1.1发展光伏水泵系统技术的意义......................... 错误!未定义书签。
1.2光伏水泵系统的基本原理及结构 (4)1.2.1光伏阵列 (5)1.2.2控制器 (6)1.2.3电机 (7)1.2.4水泵 (7)1.2.5我国光伏水泵的应用现状 (7)1.3本文的工作及创新点 (7)1.4本章总结 (8)第2章光泵系统的设计 (9)2.1需水量计算 (9)2.2光伏水泵分类....................................... 错误!未定义书签。
2.2.1直流光伏水泵................................. 错误!未定义书签。
2.2.2交流光伏水泵................................. 错误!未定义书签。
2.2 光水泵系统的工作原理.............................. 错误!未定义书签。
2.2.1光伏水泵系统结构图........................... 错误!未定义书签。
2.2.2变频器主电路及硬件构成 (9)2.2.3具有TMPPT能的变频器 (9)2.3光伏水泵系统变频逆变器 (10)2.3.1光伏水泵系统的行为特性 (11)2.3.2发展光伏水泵的若干有用数据 (12)2.4光伏水泵的现状及发展前景 (12)第3章水泵数学模型 (13)3.1泵类选择 (13)3.2离心水泵特性 (13)3.3轴流泵特性 (14)3.4混流泵特性 (14)3.5离网系统直流电压确定 (15)3.6光伏阵列总容量设计 (15)第4章光伏水泵在农业方面的应用 (16)4.1光伏水泵设计 (16)4.1.1光伏水泵的功率 (17)4.1.2光伏水泵最大功率点跟踪器 (17)4.1.3光伏mppt最大功率跟踪算法 (17)4.1.4光伏水泵的扬水系统 (18)4.2光伏水泵优缺点分析 (19)4.3光伏电源的优势 (19)4.4光伏逆变器的选型 (20)4.5蓄电池的容量计算及选型............................. 错误!未定义书签。
光伏水泵方案
一、太阳能光伏交流水泵系统简介
交流光伏水泵系统是接将太阳电池组件发出的直流电通过逆变器逆变成交流电进而驱动交流水泵抽水的系统。
本系统采用市―电互补方式设计。
由太阳电池组件、逆变器、交流水泵及并网计量箱组成，其示意图如下图所示。
光伏水泵系统组成示意图
二、主要设备介绍
1.光伏系统的主要组成
1)光伏组件
光伏组件是将太阳光能直接转变为直流电能的发电装置，根据用户对功率和电压的需求，通过串并联得到适合的太阳能电池组件阵列，满足用电需求
245Wp太阳能电池组件基本参数
序号项目单位技术参数备注
1 太阳电池种类多晶硅
2 光伏组件尺寸结构mm 1650×992×50
2)并网逆变器
逆变器是将直流电变换为交流电的设备，并网型逆变器是光伏发电系统中的重要部件之一。
三、太阳能光伏水泵系统方案
3.1 系统配置
表1 1A系统配置表
3.2系统简介
太阳电池采用21块串联，4组并联接入逆变器，逆变后通过并网控制计量箱接入电网及水泵。
在日照充足时，逆变器以MPPT方式运行，提供电能，在日照不足时，可从电网取电，进行市电互补。
3.3 系统应用图片
光伏水泵系统应用图片
四、光伏水泵系统经济、社会效益分析
以光伏水泵系统和柴油机发电水泵系统进行经济效益的做个对比，其具体情况如下表：
光伏水泵系统与柴油机发电水泵系统经济性对比表
（以每天用水量均为160吨，在25年内为基准作比较）。
光伏水泵系统的相关调查
光伏水泵系统的相关调查第一部分理论分析一、光伏水泵系统的基本介绍1、光伏水泵系统的基本组成光伏阵列（太阳能电池）、具有最大功率点跟踪/(控制)逆变器、电动机、水泵。
光伏组件：由许多太阳能电池通过串、并联构成，直接将太阳能转换成直流电。
具有最大功率点跟踪（MPPT）功能的变频逆变器：DC/DC环节-----由于光伏阵列输出特性的非线性，其输出受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响，在这种情况，最大功率点跟踪（MPPT）控制器使光伏水泵系统对于任何日照都发挥出光伏阵列输出功率的最大潜力，即使太阳能尽可能多的转换为电能。
DC/AC环节-----把太阳能电池发出的直流电转化为驱动电动机的电能，在交流异步或同步驱动中，它是变频逆变器，在直流无刷电动机驱动方式中，它是专用驱动控制器。
电动机：使用最多的是三相异步电动机和直流无刷电动机。
水泵：完成抽水满足农田灌溉的需要。
2、光伏水泵系统的基本原理光伏水泵系统是一个比较典型的“光能机电一体化”系统，其基本原理是利用太阳能电池将太阳能直接转换成电能，然后通过控制器驱动电机带动光伏水泵运行。
3、光伏水泵系统的控制方式目前光伏水泵系统多采用最大功率点跟踪技术优化太阳能电池与负载之间的匹配，其蓄电池充电控制器主电路采用BUCK软开关型结构，单片机实现PWM 调制变换器占空比，改变充电电流，寻优太阳能电池阵列输出最大功率，而光伏水泵系统对电机的驱动主要采用无位置传感器换相方式，在对机泵最高转速限制、电机过载电流限制、机泵空载电流设定、机泵停机低速限制设定、停机再启动延迟时间设定、故障停机次数限值设定等相关设置则通过智能控制模块系统完成。
二、光伏水泵系统的优化设计1、采用低成本、高精度的MPPT跟踪方法。
现有的MPPT策略中，扰动观察法最成熟。
2、蓄电池配置与蓄电池充电策略优化。
对光伏系统蓄电池的要求为，电池组可以单体电池串并联组成，但并联不宜超过四组，深循环铅酸蓄电池的设计放电深度为80%，浅循环铅酸蓄电池的设计放电深度为50%。
光伏泵水系统
适用领域
适用于生活用水 农业灌溉、林业浇 灌 沙漠治理 草原畜牧 海岛供水 水处理工程 近年来，随着对新 能源利用的不断提 升，在市政工程、 城市广场、公园游 览、旅游胜地、宾 馆饭店以及住宅社 区的景观及喷水系 统中，得到了越来 越多的应用。
系统构成示意简图
多机系统优化示意简图
光伏泵水系统优势
可靠：光伏电源很少用到运动部件，尤其以其可靠性而备受 关注 安全无噪声，无其他公害，不产生任何液体、固体和气体等 有害物质，环保 安装维护简单，无需人工看守，运行成本低等 不耗化石能源和电能，太阳能随处都有，适用范围广，累计 时日，极大节约了成本 兼容性好，光伏能源可与其他能源配合使用，也可根据需要 使光伏系统方便扩容，多机并联扩容等 国际应用范围广，大量订单意向表明，此高技术产品的国际 市场前景令人十分鼓舞，太阳能利用为大势所趋
系统功能和特点
全自动运行，无需人工值守，节约劳力和人工成本 省掉蓄电池等高昂价格和维护困难的储能设备，以蓄水代替 蓄电，直接驱动水泵扬水 光伏泵水逆变器对系统的运行实施控制和调节，实现最大功 率定跟踪（MPPT）,当日照不足时，自动降低运行频率，确 保太阳能电池电力的充分利用 洁净能源来源，节油节电节money 若要昼夜不停抽水或灌溉，有市电地区可配市电辅助功能， 作为后备方式为系统供电。 泵水逆变器主电路采用智能化功率模块，可靠性高，转换效 率高达98%
太阳能光伏自动泵水系统
概览
太阳能光伏自动泵水系统简介 适用领域 系统构成示意简图 多机系统优化示意简图 系统功能和特点 光伏泵水系统优势 系统选型参考列表 案例展示——缅甸总统农场灌溉详情 国内国际应用案例情况
太阳能光伏水泵系统组成及工作原理
光伏水泵系统组成及工作原理光伏水泵系统组成及工作原理系统组成及工作原理1．1 光伏水泵系统的结构图由图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DC／DC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。
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DC／DC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DC／AC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dsPIC30F2010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V／f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。
1．2．1 DC／DC升压电路简述1．2．1．1主电路选择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)。
1．2.l.2推挽正激电路简单分析推挽正激电路如图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。
基于25W光伏水泵监控系统的设计与应用
基于25W光伏水泵监控系统的设计与应用光伏水泵系统是一种利用太阳能光伏电池板发电，驱动水泵工作的环保型系统，广泛应用于农村地区灌溉、家庭供水、农田排灌等领域。
为了保证光伏水泵系统的可靠性和高效性，对其进行监控和管理尤为重要。
因此，设计一个基于25W光伏水泵监控系统是十分必要的。
一、系统组成1.光伏电池板：光伏电池板作为系统的发电设备，将太阳能转化为电能，供给水泵工作。
2.逆变器：将直流电能转化为交流电能，使其适应水泵的工作需求。
3.控制器：监控光伏发电系统的运行状态，管理电能的分配和使用。
4.水泵：负责水的抽取、输送或排放。
5.传感器：监测系统的工作状态、环境温湿度等参数。
6.数据采集与处理模块：收集传感器获取的数据，进行分析处理并反馈给控制器。
7.仪表显示系统：显示系统的各种数据和参数。
8.电池：储存光伏系统产生的电能，以备不时之需。
二、系统功能1.监控功能：实时监测光伏电池板、逆变器、水泵等设备的运行状态，及时发现异常情况并报警。
2.控制功能：控制光伏电池板的输出功率，调节水泵速度，使系统运行在最佳状态。
3.数据采集与处理功能：采集系统各个参数的数据，通过数据处理模块进行分析，提供给使用者参考。
4. 远程监控功能：用户可以通过手机App或者网页端远程监控系统的运行状态，方便及时调整系统工作模式。
5.节能功能：根据光照强度自动调节光伏电池板输出功率，提高系统效率，节约能源。
6.防护功能：在遇到异常情况时，系统能够及时做出保护处理，延长设备寿命。
三、系统应用1.农田灌溉：光伏水泵系统可以根据农田的需水量和光照条件，智能灌溉，提高灌溉效率，减少能源消耗。
2.家庭供水：将光伏水泵系统与家庭水池或井相连接，实现家庭自给水源，减少对传统电力的依赖。
3.农村农业排灌：应用于农村地区的农业排灌系统，提高农田水利设施的自动控制水平，降低运行成本。
4.生态环境保护：光伏水泵系统对环境无污染，降低化石燃料的使用，有利于生态环境的保护和气候变暖的缓解。
光伏水泵系统设计与应用
光伏水泵系统设计与应用光伏水泵系统是一种利用太阳能光伏板发电的系统，将太阳能转化为电能，驱动水泵进行水的输送和灌溉。
随着节能环保理念的不断普及，光伏水泵系统在农业灌溉、城市供水、农村饮水等领域的应用越来越广泛。
本文将对光伏水泵系统的设计及其应用进行详细介绍。
一、光伏水泵系统的设计1.光伏板选择光伏板是光伏水泵系统的核心部件，其性能直接影响系统的发电效率和稳定性。
在选择光伏板时，需要考虑光伏板的功率、转换效率、寿命和成本等因素。
通常情况下，多晶硅光伏板是较为常见的选择，其成本适中、性能稳定。
2.逆变器选择逆变器是将光伏板产生的直流电转变为交流电的设备，用于驱动水泵正常运行。
在选择逆变器时，需要考虑其输出功率、波形纹波、效率和稳定性等因素。
同时，还需考虑逆变器的负载容量和连接方式，以确保系统的正常工作。
3.水泵选择水泵是光伏水泵系统中的关键部件，其性能直接影响系统的水泵效率和水的输送效果。
在选择水泵时，需要考虑水源的深度、水质、输水量、输送距离、泵的耐久性和可靠性等因素。
常见的水泵类型包括离心泵、深井泵、螺杆泵等，具体选择需根据实际需求来确定。
4.支架选择支架是支撑光伏板的重要组成部分，其稳固性和安全性直接关系到光伏水泵系统的使用寿命和安全性。
在选择支架时，需要考虑其材质、结构、安装方式等因素，以确保系统正常运行并获得最大的光伏发电效率。
二、光伏水泵系统的应用1.农业灌溉光伏水泵系统在农业灌溉领域的应用越来越广泛。
通过利用太阳能发电，驱动水泵进行灌溉，可以实现远程控制、自动化运行，减少能源消耗和运行成本。
同时，光伏水泵系统还能够提高农业生产效率，改善农田灌溉条件，促进农业可持续发展。
2.城市供水3.农村饮水在农村地区，由于电网建设不便、用电成本高昂等因素，传统的电动水泵供水方式存在一些问题。
而光伏水泵系统可以充分利用太阳能资源，降低供水成本，提高供水可靠性，为农村居民提供安全饮水保障，促进农村社会经济的发展。
光伏水泵
光伏水泵系统近年来，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的产业整合产品。
成为把光伏产业与农业水利、荒漠治理、生活用水、城市水景等传统产业综合发展的新兴经济模式。
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。
一、光伏水泵原理系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。
经过DC／DC升压，和扬水逆变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。
二、光伏水泵组成“光伏水泵系统”亦称“太阳能光电水泵系统”，其基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。
其可用于家庭供水、水处理系统、滴灌、游泳池水循环、池塘进排水、农业灌溉、喷泉景观等。
光伏水泵系统全自动运行，无需人工值守，系统主要由光伏阵列、控制器、扬水逆变器和水泵等组成。
1、光伏阵列太阳能光伏阵列（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。
其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
2、最大功率点跟踪控制器最大功率点跟踪控制器也是整个系统的重要部分。
由于光伏阵列输出特性的非线性，其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响，在一定的光照强度和环境下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但只有在某一输出电压时，光伏电池的输出功率才能达到最大值。
因此在太阳能光伏水泵系统中，要提高系统效率，必须实时检测光伏阵列的输出功率并调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，满足在不同太阳光照条件下，使太阳能尽量多的转化为电能，使水泵能高效和稳定的工作。
光伏水泵系统设计与应用
光伏水泵系统设计与应用1.1光伏水泵概述当今，随着常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使世各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路。
太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐受到了人类的重视，而这其中，太阳能无疑处于最突出的地位。
现在，在我国大西北、西藏和内蒙古等远离电网的偏远地区，很多人喝不到干净的饮用水，而这些地区同时又是太阳能资源非常丰富的地区，因此，在这些地区发展光伏水泵技术具有明显的社会效益和经济效益。
光伏水泵系统的基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。
它具有无噪声、全自动、高可靠、供水量与蒸发量适配性好等许多优点。
联合国计划开发署、世界银行、亚太经社会等国际组织都先后充分肯定了它的先进性与合理性。
目前在这些国际组织的支持下，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相当可观的经济效益，加速这些地区的发展步伐。
光伏水泵的重要特点是负载的季节性与太阳辐射强度一致。
就是说，太阳辐射越强，地面的蒸发量大，此时光伏水泵的抽水量也大；反之，如果遇到阴雨天，太阳辐射越弱，地面的蒸发量小，此时植物也不需要灌溉了。
光伏扬水生态环境试验站采用的灌溉模式，沙漠的水是非常宝贵的，且来之不易，显然常规漫灌方式不可取，必须选择高效节水灌溉，把用水和作物种植紧密联系起来。
由于光伏泵是中午出水量最大，如中午不用水，势必采用蓄能装置将中午发的电储存起来，供早晚抽水用，这就必然加大投资、运行、维护费用。
不能充分发挥光伏水泵的独特优点。
为此采用一种新的灌溉模式：一、改滴灌为渗灌，二、改早晚灌为日出而灌。
渗灌相对于滴灌更节水。
主要是避免了表层土壤吸水和大的蒸发，且地表不结壳，增加了透气性，一般可节水20～30％。
这种灌溉模式从根本上避免了中午地表温度高、蒸发量大影响作物生长，从而改变了中午不能浇水这一传统模式。
光伏水泵实验说明
光伏水泵系统实验演示1.实验名称光伏水泵系统实验。
2.实验目的学习和了解离心式水泵变频条件下的扬水特点、光伏阵列特性、光伏水泵系统控制原理等。
测试不同扬程条件下，日照变化对流量的影响，及系统最大功率跟踪情况。
研究在共用同一光伏阵列条件下，多台机泵的优化群控技术。
3.实验相关原理及理论介绍3.1离心泵的变频扬水特点离心泵性能曲线通常用迪卡尔第一坐标系绘制而成。
其横坐标表示泵的流量，纵坐标表示泵的扬程，特定离心泵的流量与扬程曲线是条向下弯曲线，表示其泵扬程减小而其流量增加。
在这个坐标中，还有一个功率曲线，其是一根向上的曲线，表示泵的功率随着流量增加而功率增加，扬程减小而功率下降。
还有一根效率曲线，其是一根中间高，两边低的曲线，说明其效率中间部分最高，两边部分效率下降。
因此，在选择泵型时，要使泵的流量与扬程落在效率曲线最高点附近。
NPSH 是Net Positive Suction Head 的缩写，直译为净正吸入水头，我国习惯称为汽蚀余量，它指的是叶轮进口(相对于基准面)液体所具有的超过该温度下液体饱和蒸汽压的能量。
它由泵安装条件确定。
以水头形式表示。
单位为m 。
对给定的泵，在给定转速和流量下必需的( NPSH )值，由设计制造时给出，称为必需汽蚀余量( NPSH ) r ，单位为m 。
在给定流量或扬程下，第一级叶轮内刚好发生汽蚀时的( NPSH )值，称为临界汽蚀余量，( NPSH ) c ，单位为m 。
图1为一典型离心泵在固定频率下的特性曲线。
对于潜水泵则不考虑NPSH。
图1 离心泵特性曲线离心泵在变频运行时，其转速与流量、扬程、电机轴功率的关系满足公式如下：1212n n Q Q = (1)21212⎪⎪⎭⎫⎝⎛=n n H H A A (2)31212⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=n n P P m m (3)式中n 为电机转速，H 为扬程，Pm 为电机输出轴功率。
由公式可得离心泵在不同频率下近似的特性曲线。
[实用参考]光伏水泵方案
![[实用参考]光伏水泵方案](https://img.taocdn.com/s3/m/2239e64b168884868762d656.png)
一、太阳能光伏交流水泵系统简介交流光伏水泵系统是接将太阳电池组件发出的直流电输入水泵逆变器进而驱动专用通用的交流水泵抽水的系统。
1.1交流光伏水泵系统组成交流光伏水泵系统由太阳电池组件、水泵逆变器以及通用交流水泵组成，其示意图如下图所示。
交流光伏水泵系统组成示意图1.2交流光伏水泵优缺点优点：适用性强：交流系列水泵可以抽污水也可以抽清水，耐酸性也强；易于选型配套：交流系列水泵是通用标准型产品、容易选型、配套；可靠性好：交流水泵过载能力强、使用寿命长；可控性好：可以采用现在流行的变频技术进行调速，更好的保护水泵和最大程度利用太阳电池组件抽水。
缺点：效率较直流水泵系统低：因为它经过一次DC-AC的转换，不可避免的存在一些损耗；二、主要设备介绍2.1设备介绍1）光伏水泵逆变器产品特点：➢本公司自主研发、外协生产，经多次试验运行稳定可靠。
➢VI最大功率点跟踪（MPPT）算法，响应速度快，运行稳定性好，解决了传统MPPT方法在日照强度快速变化时跟踪效果差、运行不稳定甚至造成水锤危害的问题。
➢采用新型变频技术，保证水泵在日照较差的情况下也可工作，最大限度利用太阳电池阵列功率。
➢全数字式控制，具备全自动运行、数据存储以及完善的保护功能，完全可以做到无人值守。
➢基于开发环保型和经济型光伏产品的设计理念，以蓄水替代蓄电，无蓄电池装置，直接驱动水泵扬水，装置的可靠性高，同时大幅降低的建设和维护成本。
➢主电路采用智能功率模块，可靠性高，转换效率达96%。
➢可选配上下水位检测与控制电路产品图片：JNPB-3700光伏水泵逆变器图片技术参数：我公司自主研发的光伏水泵逆变器技术参数见下表：光伏水泵逆变器技术参数表型号JNPB22KH输最大光伏输入功率（KW）30三、太阳能光伏水泵系统方案3.1系统设计依据3.2系统配置及参考价格表11A系统配置表表21B系统配置表表32A系统配置表表42B系统配置表6光伏水泵配件水位传感等套15选配参考价格（万元/套）185.5（不含太阳能电池组件）3.3系统简介多机系统是指系统中有多台水泵，可以采用单台大功率逆变器驱动多台水泵，也可采用多台功率相匹配的逆变器。
光伏水泵应用系统概述和对发展绿色大西北建设意义
光伏水泵应用系统概述和对发展绿色大西北建设意义光伏水泵系统的基本原理是利用太阳电池将太阳能直接转换为电能，然后驱动各类电动机带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。
它具有无噪声、全自动、高可靠、供水量与蒸发量适配性好等许多优点。
联合国计划开发署、世界银行、亚太经社会等国际组织都先后充分肯定了它的先进性与合理性。
目前在这些国际组织的支持下，全世界已有几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相当可观的经济效益，加速这些地区的发展步伐。
光伏水泵与柴油机水泵相比具有相当良好的经济性。
世界银行在盛产石油的中东地区出了具有明确结论的经济性比较，就其每立方米的水价而言，光伏水泵的水价与柴油机水泵水价持平的系统功率约在40kW。
由于近几年太阳电池及其它电子控制器件的降价，两者水价持平的功率在75kW 左右。
德国西门子公司基于近年在世界各地安装、试验、销售各种规格光伏水泵经验的基础上，得出的结论是：柴油机水泵初期投资低是其优点，但随着运行年数的增加，其运行维护费用将不断增加，每立方米水的成本将因此而逐年增长。
新疆新能源公司在塔克拉玛干沙漠进行的光伏扬水生态环境试验站也得到了相同的结论。
光伏水泵的初期投资偏大是其缺点，但此后由于它的运行费用低和少维护或免维护等特点，其水的成本上升很缓慢，10 年以后，柴油机水泵的水成本将是光伏水泵水成本的两倍还多，两者的盈亏平衡点约在3年左右。
在边远社区，采用太阳光伏系统供电提水设备解决这些无电地区的人畜饮水和灌溉问题，是最理想的方式之一。
一方面，中国西部边远地区太阳能资源丰富；另一方面，光伏提水设备无污染、无噪声，可靠性高，维护工作量极小。
据中国国家水利部有关专家试验测评，在中国光伏提水成本小于0.2 元/t，比柴油机提水成本低一半左右。
而其可靠性远超过风力提水。
随着太阳电池价格的下降，光伏提水应用前景更加广阔。
光伏水泵系统设计
毕业设计（论文）题目光伏水泵系统设计摘要地球环境由于燃烧大量矿物能源已经产生了明显的变化，人类的生存环境正在逐渐恶化。
减少传统能源的消耗、减少温室气体的排放和保护环境已经迫在眉睫。
太阳能是一种无污染、有极强的经济性的新能源。
由于太阳能能有效的解决资源和环境问题，其应用和普及越来越受到人们的重视。
光伏水泵技术是太阳能技术的一部分，由于其清洁无污染，不消耗燃料的特点，在人民生活供水和干旱地区农田灌溉方面有广阔的应用前景。
光伏水泵系统是直接利用太阳电池光生伏特效应发电，通过光伏阵列、控制器、电机、水泵等控制及执行环节来提水的系统。
本文论文的主要工作如下：(1) 了解光伏发电的基本原理，分析光伏水泵系统的原理与特性(2) 对光伏阵列进行建模与分析(3) 对最大功率跟踪方法进行详细的叙述，判断其优缺点，并利用MATLAB进行建模与仿真(4) 对光伏水泵系统进行分析和选型(5) 研究无刷直流电机的PWM控制、预定位起动方式。
关键词：光伏水泵系统最大功率跟踪无刷直流电机脉冲宽度调制(PWM)The design of solar Photovoltaic pump systemAbstractDue to the burning of fossil energy，the earth's environment has produced significant changes. The environment of human being is gradually deteriorated. Reducing tradition energy consumption，greenhouse gas emissions and protecting the environment have been imminent.Solar energy is a kind of new energy which has characteristic of no pollution and economy. Because of solar power can effectively solve the problem of resources and environment，people more and more get the attention of their application and popularize.Photovoltaic pump technology is a part of the solar technology.Owing to the feature of no pollution and no fuel consumption. Solar photovoltaic pump system has broad application prospects in the field of people's life for irrigation water and dry areas.The photovoltaic pump system uses photovoltaic panels which produce electricity directly from sunlight using silicon ceil and drive the pump through a series of new technologies such as photovoltaic array，control units，electronics，motors and different modern devices to bring up the water. This topic research of photovoltaic pump system drove by Brushless Direct Current Motor (BLDC).The main content in this paper is:(1)Learning the basic principles of photovoltaic energy generation. Analys- ing the principles and the characteristics of photovoltaic pump system.(2) Modeling and analysing the characteristics for photovoltaic array.(3) Accounting of the maximum power point tracking in detail and judging their's advantages and disadvantages .Using MATLAB software to modeling and simulation.(4) Analysis and selection the photovoltaic water pump system(5) Studying the brushless dc motor PWM control and Pre-setting startingThe key words Photovoltaic pump system maximum power point tracking Brushless Direct Current Motor Pulse Width Modulation(PWM)目录第一章绪论 (1)1.1 太阳能光伏发电发展现状 (1)1.2 光伏水泵系统的概况 (1)1.3 本论文的主要研究内容 (2)第二章光伏水泵系统的原理 (3)2.1 光伏水泵各组成部件 (3)2.2 太阳能电池阵列 (4)2.2.1 太阳电池分类 (4)2.2.2 太阳电池工作原理 (5)2.2.3 太阳电池的等效电路 (5)2.2.4 太阳电池的特性曲线 (6)2.2.5 太阳能电池的输出特性 (6)2.3 光伏水泵系统的最大功率跟踪控制(MPPT) (8)2.3.1 阵列的构成和搭建 (9)2.3.2 最大功率跟踪的意义及其实现方法 (10)2.4 光伏水泵系统电机研究 (12)2.4.1 电机的选择 (12)2.4.2 无刷直流电机结构 (13)2.5 光伏水泵 (13)2.5.1 光伏水泵的构成 (13)2.5.2 光伏水泵系统的配置估算 (16)2.6 光伏水泵系统的选型 (17)2.6.1 光伏水泵系统特点 (18)2.6.2 系统设计方案及报价 (19)2.6.3 设备选型 (19)第三章太阳能光伏水泵系统的控制 (24)3.1 光伏阵列控制的硬件电路 (24)3.2 无刷直流电机控制策略 (27)3.2.1 无位置传感器的无刷直流电机的转子位置检测 (27)3.2.2 无位置传感器的无刷直流电机的起动 (28)3.2.3 无刷直流电机的 PWM 控制策略 (28)第四章光伏水泵系统的仿真 (31)4.1 太阳能光伏阵列的仿真 (31)4.2 基于扰动观察法的光伏阵列仿真 (33)第五章结束语与展望 (36)5.1 总结及有待完善的问题 (36)5.2 对未来的展望 (36)参考文献： (37)致谢 (39)第一章绪论21世纪以来，能源与环境已经成为了人类面临的两大难题。
光伏水泵原理
光伏水泵原理光伏水泵是利用太阳光能转化为电能，并将其用于驱动水泵，采取清洁能源供水，实现农业灌溉、家庭用水和工业供水等应用的一种能源技术。
光伏水泵通常包括光伏板、控制器、电动机和水泵等组件。
下面将详细介绍光伏水泵的原理。
首先，光伏板是光伏水泵系统的核心部件，其主要功能是将太阳光能转化为直流电能。
光伏板采用光电效应原理实现能量转换，通过阳光照射在光伏板上的光子激发材料内的电子，产生电流。
光伏板往往由多个光伏电池组成，光伏电池是将光能转化为电能的最基本单元。
光伏电池通常采用硅材料制造，通过P-N结构形成电场，光子击中物质时，电子在电场作用下受到力的作用而受到推动，产生电流。
光伏板的输出功率取决于太阳辐射强度、板的面积和效率等因素。
其次，光伏水泵的控制器是系统的智能控制中心，主要负责监控和控制光伏水泵的运行状态。
控制器通常由微处理器、电控组件和输入输出接口等部分组成。
控制器能够自动检测光伏电池板的输出电压和光照强度，判断太阳能资源的可利用程度，并控制电动机和水泵的启动和停止。
当光照强度较高时，系统将自动启动电动机，通过水泵将水抽取到目标地点；而当光照强度下降或夜晚无太阳光照射时，系统将停止电动机的运行，以节省能源和保护设备。
接着，电动机是光伏水泵的动力源，其输出能量来自光伏板所提供的电能。
电动机通常是交流异步电动机或直流无刷电动机。
在光伏水泵系统中，交流异步电动机被广泛应用。
光伏电能通过控制器输入到电动机，经由电动机的转化作用，将电能转化为机械能，从而驱动水泵工作。
电动机的转速和输出功率由光照强度和光伏板的电压控制。
最后，水泵是利用电动机驱动的机械设备，用于将水从水源处抽取或输送到目标地点。
不同种类的水泵有不同的结构和工作原理，例如离心泵、轴流泵和深井泵等。
光伏水泵系统根据实际需求选用合适的水泵，并通过电动机的驱动和控制器的控制来实现水的抽取和输送。
综上所述，光伏水泵是通过光伏板将太阳光能转化为电能，并通过控制器、电动机和水泵等组件实现水的抽取和输送的一种技术。
太阳能光伏水泵系统的基本构成
太阳能光伏水泵系统的基本构成光伏水泵系统大致由四部分组成：光伏阵列，控制器、电机和水泵。
1．1光伏阵列光伏阵列由众多的太阳电池串、并联构成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式的电能。
目前用于光伏水泵系统的太阳电池多为硅太阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。
太阳电池的伏安特性曲线如图：所示。
它具有强烈的非线性。
光伏阵列的伏王特性曲线具有和单体太阳电他同样的形状，若忽略单体太阳电池生产过程中的差异、组件相互之间的连接电阻，吕附设它”具有理想的一致性光伏阵列的伏安特性曲线可以看作仅是单体太阳电池伏安特性曲线按串、并联方式放大其坐标的比例尺。
1．2控制器光伏阵列的输thtr乎特性曲线具有强那朔）线他而且和太阳辐照度、环境温度、阴、晴、雨、雾等气象条件有密切关系，其输出随日照而变化的是直流电量，而作为光伏阵列负载的光伏水泵，它的驱动电机有时是直流电机，有时是交流电机甚至还有其它新型电机，它们同样具有非线性性质。
在这种情况下要使光伏泵系统工作在）、较理想的工况，而且叉，于任何日照，都要发挥光伏阵列输出功率的最大潜力，这就要有一个适配器，使电肋负载之间能达至“和、皆、高效、稳定的工作状态。
适配器的内容主要是最大功率“点跟踪器、逆变器以及一些保护设施等。
1．2．1 最大功率点跟踪器（MPPT）由光伏阵列伏安特性曲线可知，光伏阵列在不同太阳辐照度下输出最大功率点位置并不固定，而且当环境温度发生变化时，相应于同一辐照度的最大功率“点位置也将变化。
为了实现最大功率“点跟踪以获取当前日照下最多的能量，MPPT通常做成两种形式，以下分别予以介绍。
·恒定电压式最大功率点跟踪器（CVT式MPPT）。
仔细观察图：中表示最大功率输出的圆黑点一一最大功率点的位置，它们都坐落在Umax=const，的直线附近，特别是日射比较强时离Umax=const更近，同时考虑至仗阳电他具有以下温度特优良陷温度升高时，在同一日射条件下其开路电压UOC将减小，短路电流Isc将伴有微小增大，再考虑到日射高时一般都具有较高环境温度，而日射低时环璋温度一般都要低一些的特特点，结合太阳电他的温度特性，它们刚好都有利于使一日内最大功率点的轨迹更逼近于一根垂直线Umax=const，这就是说，在工程上允许人们把最大功率，点出现的轨迹近似地处理为一根垂直线Umax=const，这就构成TcvT式MPPT的理论根据。
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光伏水泵系统
具有MPPT控制策略的光伏水泵系统(stand-alone photovoltaic pumping system with MPPP)的主要目标是在不同的光照和温度条件下，最大限度的提高系统的输出功率，仁解决光伏阵列与异步电机水泵这两个具有非线性性质电源和负载之间的配合问题，采用了一种简化的MPPT控制策略使整个系统上作在高输出功率点附近。
本节中介绍了系统的电路构成、控制器结构以及控制策略实现力一式。
其中，控制器的核心芯片为MC68HC908G32微处理器。
1.光伏水泵系统构成
从电路角度来看，该光伏水泵系统的基本结构可以分为四部分:光伏阵列、最大功率点跟踪器、电力电子逆变器和电机水泵。
其中，光伏阵列是由众多的光伏电池串并联构成，其作用是直接将太阳能转换为直流形式的电能。
该系统中采用的是单晶硅光伏电池，其伏安特性必须加以调节和控制才能被优化使用:最大功率点跟踪器是整个系统的核心，它的作用就是使整个系统始终上作在最佳工作点上，在不同太阳光照条件下，使太阳能尽量多的转化为电能，使电源和负载之间能达到和谐、高效和稳定的工作状态;电力电子逆变器是最大功率点跟踪器的功率执行单元，它根据最大功率点跟踪器的控制信号，发出不同频率的PWM电压波形，带动电机水泵工作，同时又具有相应的保护功能;电机水泵是该系统的最终执行单元，完成稳定、可靠的出水。
该系统中的电机水泵是根据用户对扬程和出水量的要求，兼顾光伏阵列的电压和功率等级的要求而设计的。
其中，异步电机是根据变频调速条件下而设计的高效异步电机，在前面第7章有详细的描述。
具有MPPT功能的光伏水泵系统控制器是此系统中的重要环节，通常它是指最大功率点跟踪器和电力电了逆变器的总和。
2.光伏水泵系统主电路结构
(1)光伏水泵系统的主要参数和功能
2001年6月，在新疆和田地区奥村成功地安装5kw,.光伏水泵系统.根据对当地的地理、水文和人口分布情况的考查.该系统的卞要性能指标。
根据该系统的主要性能参数指标的设定，设计和选取合适的光伏阵列、电力电子
逆变器以及电机水泵。
(2)光伏阵列电路设计
在光伏水泵系统中，光伏阵列电路的设计很重要，因为光伏电池的很多特性制约了系统其他部分的设计，如它的温度和伏安特性是整个系统设计中始终要考虑的重要环节。
同时，光伏电池电路的设计也受系统其他部分的制约，如相关控制器件的参数和逆变器容量等。
光伏阵列电路的设计包括:光伏电池型号的选择(额定参数的选择)，整个光伏阵列的功率和电压等级设计.光伏阵列连接组合电路设计。
该系统采用单晶硅光伏电池，光伏阵列的设计流程可以简单描述如下:
①根据项目的性能要求，包括水泵扬程、出水策和输出时间的要求，估算出水泵的每天平均输出功率。
②根据光伏水泵系统的“机泵系统效率”和水泵平均功率.计算出光伏阵列的输出功率等纷
③根据系统的光伏阵列输出电压等级要求和所选单个光伏电池的电几等级。
确定光伏阵列的串联关系。
④根据光伏阵列功率、电压等级和串联关系.得到光伏阵列的串并联优化方案吃该光伏水泵系统的光伏阵例。
3.光伏水泵系统控制器与控制策略
(1)、光伏水泵系统MPPT控制器构成
该光伏水泵系统的MPPT控制器以及与系统各部分连接图。
其中MPPT控制器由电压传感器、电流传感器、微处理器控制单元(MCU) , PWM控制器和主t毯路构成，MCU采用了Mc68HC908GP32芯片。
(2)、光伏水泵系统控制策略的设计
在该光伏水泵系统中，核心控制策略采用厂最大功率点跟踪控制的一阶差分算法。
其中，电压、电流传感可以监测光伏阵列的输出电压、电流以及功率情况，根
据三者的状态以及类似于10. 1节公式(10.1)的判据来进行一阶差分最大功率点跟踪
控制。
值得注意的是.该算法是将光伏阵列的输出功率提高到最大，这与电机水泵输
出功率最大稍有区别。
造成该区别有几个原因：首先控制器和主电路造成一定的功率损耗;其次，电机水泵负载也具有较强的作线性，典型的光伏水泵输入功率与水泵流量的关系。
举例来说.在早上光照不足的时候，电机水泵的输人在一定功率以下时，由于水泵扬程的限制，水泵无法将水扬到地面、可以认为其输出功率为零，此时光
伏阵列的最大功率输出并不具有实用意义;另外，电机水泵的工作状态的调整是一个过渡过程，如果光伏阵列最大功率输出调整的过渡过程与电机水泵工作状态调整的过渡过程配合不好的时候，会大大降低系统的稳定性。
一个频繁启动的光伏水泵系统，较难做到输出水量的最大化。
在该光伏水泵系统中，将上述因素进行了综合考虑，在核心控制策略之外，采用了多项调整措施，基本保证了在电机水泵工作时，其输出水量的最大化。
例如在启动电机和水泵之前对光伏阵列的输出功率进行预估，如果无法达到提水至地面的要求，则不启动电机水泵。