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一、實(shí)驗(yàn)硬件部分
 
為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主控系統(tǒng)如圖1,圖中實(shí)現(xiàn)表示能量傳遞關(guān)系，虛線表示邏輯傳遞關(guān)系，在第二章硬件規(guī)劃的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能的檢測(cè)采樣部分、主控部分和直流緩沖單元的硬件電路，艾達(dá)光伏水泵??主要分為如下七個(gè)部分：
 

1.光伏電源
 
光伏電源采用Chroma可編程直流電源，該電源可模擬光伏板的能量特性，可通過(guò)設(shè)定選擇光伏特性曲線，隨后的實(shí)驗(yàn)中也是根據(jù)其上工作點(diǎn)的變動(dòng)，判定功率最終跟蹤最大功率點(diǎn)的狀態(tài)。為了匹配水杲的工作，設(shè)置了一組最大功率點(diǎn)為所示，電壓400V、電流7.5A，功率3kW的工作狀態(tài)。系統(tǒng)工作中，可觀察紅色工作點(diǎn)位置的變化，來(lái)實(shí)時(shí)觀察光伏電源工作點(diǎn)的位置。
 

2.直流緩沖部分
 
直流緩沖部分由能量緩沖電容及其附屬電路組成。主要目的是對(duì)系統(tǒng)的直流能量進(jìn)行緩沖維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波作用，而且在變頻器主電路部分?jǐn)嚯姟z修等情況，能夠通過(guò)附屬電路釋放能量，保障系統(tǒng)安全。
 
結(jié)合對(duì)直流緩沖部分電容容量的計(jì)算，再考慮電容容量和耐壓的因素，采用兩個(gè)同樣的耐壓450Vdc,容量1.5mF的電容，配置兩個(gè)56kQ均壓電阻，電容與電阻并聯(lián)后再串聯(lián)，整體耐壓900Vdc,容量1.5mF接入系統(tǒng)作為能量緩沖單元。另外靠近逆變回路處，加入2uF的薄膜電容來(lái)吸收直流環(huán)節(jié)中由于開(kāi)關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的尖峰。
 
3.輔助電源部分
 
控制系統(tǒng)及檢測(cè)的輔助電源部分，需要保證產(chǎn)生穩(wěn)定且準(zhǔn)確的直流電源。常用反激式直流變換電路從光伏直流母線電容部分獲取能量，再利用穩(wěn)壓器件產(chǎn)生多級(jí)的直流電壓等級(jí)以滿足各芯片的需要。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，如圖3所示，為了達(dá)到電壓要求，首先設(shè)計(jì)了兩級(jí)反激電路，又通過(guò)多級(jí)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，形?5V，5V以及3.3V多重供電電源，從而通過(guò)主電路直流能量提供檢測(cè)和控制部分的電能。
 

4.檢測(cè)電路
 
系統(tǒng)需要對(duì)光伏電池輸出的電流和電壓進(jìn)行采樣，用于進(jìn)行光伏部分輸出電功率的計(jì)算，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行水泵系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)的跟蹤控制。而且系統(tǒng)需要對(duì)外界運(yùn)行狀況進(jìn)行輔助檢測(cè)以保障系統(tǒng)在故障狀態(tài)下進(jìn)行識(shí)別，相應(yīng)動(dòng)作進(jìn)行合理的保護(hù)。采樣部分電路由輔助電源供電。
 
光伏系統(tǒng)電壓檢測(cè)電路采用CHV-25P/400閉環(huán)霍爾電壓傳感器模塊，其是基于霍爾磁補(bǔ)償原理的高精度傳感器，測(cè)量電壓范圍是±600V，匝數(shù)比是2500:1000,其原理圖如圖4(a)所示。
 
光伏系統(tǒng)電流檢測(cè)電路采用CHB-25NP閉環(huán)霍爾電流傳感器模塊，其是基于霍爾磁補(bǔ)償原理的高精度傳感器，可選用多種量程的額定電流，其原理圖如圖4(b)所示，通過(guò)管腳1到管腳10不同的連接方式選定不同的量程，本實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)選定為8A的量程，對(duì)應(yīng)的原副邊匝數(shù)比為3:1000,即8A時(shí)對(duì)應(yīng)輸出測(cè)量電流為24mA。
 
(b)電流檢測(cè)電路原理圖
 

水位傳感器信號(hào)，在供水端以防止打干，在排水端而放溢出，對(duì)系統(tǒng)整體的啟停進(jìn)行控制，附加在外圍電路，信號(hào)直接給入主控電路DSP的輸入信號(hào)引腳。
 
5.主控電路
 
主要通過(guò)DSP進(jìn)行運(yùn)算，對(duì)主要的信號(hào)進(jìn)行處理，并產(chǎn)生合適的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行主電路逆變橋的驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作，是算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的核心部分。驅(qū)動(dòng)部分采用TMS320X281進(jìn)行采樣信號(hào)分析和產(chǎn)生控制和波形，利用CPLD模塊對(duì)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展到具體開(kāi)關(guān)管的信號(hào)并附加保護(hù)功能。在本實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證頻率控制作用過(guò)程中的最大功率跟蹤功能，簡(jiǎn)化上述波形輸出為改變變頻器的頻率控制信號(hào)，只是對(duì)輸出的波形驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分別的檢測(cè)，在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)中會(huì)加入后一級(jí)的三相橋電路，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流電的輸出。
 
(a)主電路及輔助電源第f級(jí)
 
(b)控制電路
 

6.變頻器部分
 
是光伏水泵系統(tǒng)的主電路部分，如上面主控電路DSP的輸出信號(hào)類型相對(duì)應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)階段，為了保障系統(tǒng)的安全和方便產(chǎn)品進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，采用成型的變頻器產(chǎn)品，將前面的直流環(huán)節(jié)直接接入變頻器的直流母線，相關(guān)的控制信號(hào)由主控電路產(chǎn)生，首先是使用外部頻率給入功能，進(jìn)一步設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入三相橋信號(hào)控制功能。變頻器產(chǎn)品采用型號(hào)為CHR100-004G，額定電壓為三相380V,額定輸出功率為4kw,利用其變頻逆變端進(jìn)行系統(tǒng)水泵電機(jī)的控制。
 
由于使用變頻器調(diào)試，簡(jiǎn)化了對(duì)逆變橋的單獨(dú)控制，變頻器選擇外部頻率給入，主電路與直流緩沖電容電路直接相連。將主控電路的電平輸出信號(hào)加到變頻器的外部給入端口A12，選定輸入信號(hào)為0-10V模擬量。
 
在實(shí)驗(yàn)階段，通過(guò)示波器檢測(cè)變頻器的輸出電流可以對(duì)應(yīng)得出功率的變化。
 
7.水泵電機(jī)
 
實(shí)驗(yàn)艾達(dá)光伏水泵的電機(jī)部分采用電機(jī)與水泵一體的潛水泵產(chǎn)品，選用深井潛水泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。水泵的能量直接來(lái)源于變頻器輸出的三相電，通過(guò)前端三相電頻率的變化改變水泵的工作狀態(tài)，進(jìn)而改變水泵的狀態(tài)，由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的容量有限，難于實(shí)現(xiàn)較多能量變換，所以后面參數(shù)主要都是以穩(wěn)態(tài)工作測(cè)定。泵上的壓力表可輔助估測(cè)出水泵工作的楊程值。
 
二、試驗(yàn)系統(tǒng)整體
 
整機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)除上述控制系統(tǒng)外，還包括光伏陣列和負(fù)載電機(jī)及水泵，如圖2所示，兩個(gè)水罐中的水進(jìn)行循環(huán)而進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。
 

三、光伏水泵MPPT功能實(shí)驗(yàn)
 
1.MPPT方法工程實(shí)現(xiàn)
 
系統(tǒng)的功能主要通過(guò)DSP的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件程序主要包括主程序和子程序，主程序主要完成系統(tǒng)的初始化和高級(jí)別的狀態(tài)控制，各中斷子程序完成相關(guān)的保護(hù)，以及主要的采樣計(jì)算和輸出控制具體功能。
 
2.MPPT功能測(cè)試
 
(1)系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中的最大功率跟
 
設(shè)置光伏電源最大功率輸出為3kW充足供電時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的直流側(cè)電流變化曲線，從波形中可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)啟動(dòng)階段，系統(tǒng)光伏的直流電路穩(wěn)定于7A左右的擾動(dòng)平衡狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)直流側(cè)電源端電壓測(cè)試為411V,功率點(diǎn)接近最大功率，啟動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤點(diǎn)的跟蹤。
 
(2)模擬光照變化時(shí)的最大功率跟蹤情況
 
模擬外界外界環(huán)境光照變化時(shí)，對(duì)最大功率跟蹤功能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置光伏電源為功率跳變?cè)O(shè)置最大功率點(diǎn)為100%到50%然后50%到100%功率跳變情況，功率下降跳變，電流由7.2A左右下降至3.6A左右，電源側(cè)讀出電壓值由401V逐步變?yōu)?96V。功率上升跳變，電流由3.6A上升跳變?yōu)?.2A，電源側(cè)電壓恢復(fù)到400V，可見(jiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的過(guò)程。

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