CN203548244U - 一种高效全自动光伏水泵*** - Google Patents

Abstract

<b/>本实用新型涉及太阳能光伏水泵，具体涉及一种高效全自动光伏水泵***，所述***由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC变换器、无刷直流电机、蓄电池、反电势检测电路、隔离电路、驱动电路、Atmega128控制器、光伏水泵和液位传感器组成，光伏阵列的输出端子连接DC/DC变换器的输入端，DC/DC电路输出端连接蓄电池和DC/AC变换器的输入端；Atmega128控制器的输出端接入隔离电路，隔离电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接DC/AC变换器输入端，DC/AC变换器的输出端分别接无刷直流电机、反电势检测电路的输入端，反电势检测电路的输出端接Atmega128控制器，无刷直流电机的输出端接光伏水泵，液位传感器的输出端接Atmega128控制器。该***功能齐全，具有自适应、稳定性、低成本和高效率的特点。

Description

一种高效全自动光伏水泵***

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏水泵，具体涉及一种基于智能控制算法实现MPPT的高效全自动光伏水泵***，涉及到太阳能的采集、变换及电力电子、电机、水泵、计算机控制、检测技术与自动化装置等多个学科的最新技术问题。 

背景技术

光伏水泵***,具有无污染、全自动、运行成本低等优点，其基本工作原理是利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能，然后通过控制器驱动电机带动水泵运行，特别适用于无电地区经济作物灌溉、温棚作物的种植；我国是农业大国，对灌溉的需求量比较大，光伏水泵可以满足国内干旱地区灌溉的要求，同时也是解决供水、饮水、荒山绿化、水土流失最佳方案，具有巨大的经济效益和环境效益。 

国内对光伏水泵的研究起步较晚。到90年代左右，由于国家的优惠政策和扶持措施，国内涌现了一批致力于光伏***的研究单位，其中主要有：合肥工业大学的***光伏技术中心、北京太阳能研究所等；部分国内研究者已研究了独立光伏水泵***配置的方法，探索了软件实现最大功率跟踪的途径，并完成全数字式的光伏水泵***控制器的样机设计，分别在青海的海西州都兰县巴隆乡、新疆石河子市北泉镇等地建立起了数个光伏水泵***的试验点，经过较长时间的观察测试，***基本运行稳定，能初步解决当地的农业灌溉或饮水问题，显示了巨大的和广阔的应用前景。 

虽然光伏水泵***已得到初步的发展，但是还存在如下的问题。 

1. 目前，市场上的光伏水泵样机都是基于扰动观察法实现太阳能电池的最大功率工作点的跟踪，该方法在到达最大功率点附近之后，存在左右振荡的现象，造成能量损耗。尤其在气候条件变化频繁时，情况更为严重，会存在跟踪误判的现象，不能实现对光伏阵列最大功率点快速、准确跟踪，***效率低，不能充分利用太阳能。 

2. 普通光伏水泵***大多由光伏电池厂家提供，所选叶片泵扬程较低，不能符合部分地区高扬程要求，且泵的效率一般较低；另外，选用通用的电机和水泵，在运行中经常因匹配性不好而出现各种故障。 

因此，亟待开发能够新型高效全自动水泵***，克服上述缺点；一方面，要研究自适应MPPT算法，使之完成对光伏阵列最大功率点的快速稳定的跟踪；另一方面，有针对性对水泵的负载特性进行专门的研究，开发出小功率、高扬程、高效率的专用水泵，使之在不同环境下，仍具有较高的扬程和***效率。 

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有光伏MPPT控制器不能实时准确跟踪最大功率工作点和光伏水泵效率低等缺陷，公开了一种带智能电压预测器的高效全自动光伏水泵***。 

本实用新型采用如下技术方案：一种高效全自动光伏水泵***，由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC变换器、无刷直流电机、蓄电池、反电势检测电路、隔离电路、驱动电路、Atmega128控制器、光伏水泵和液位传感器组成，光伏阵列的输出端子连接DC/DC变换器的输入端， DC/DC电路输出端连接蓄电池和DC/AC变换器的输入端；Atmega128控制器的输出端接入隔离电路，隔离电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接DC/AC变换器输入端，DC/AC变换器的输出端分别接无刷直流电机、反电势检测电路的输入端，反电势检测电路的输出端接Atmega128控制器，无刷直流电机的输出端接光伏水泵，进行深井抽水，液位传感器的输出端接Atmega128控制器，将当前液位传给控制器，实现对液位的实时检测。 

Atmega128控制器要实现的功能主要有：智能电压预测器神经网络的MPPT算法的实施、PID控制、PWM信号产生、无刷直流电机控制、反电势检测、电流电压检测、水位打干检测和显示操作模块。 

较常规的光伏水泵***，该***功能较为齐全，具有自适应、稳定性、低成本和高效率的特点。 

本实用新型的技术解决方案是： 

（1）开发了基于人工神经网络算法的智能光伏电压预测器以调节功率，提高光伏水泵***的自适应性，能适应天气变化频繁的场合；采用单体光伏电池光照强度和表面温度作为影响光伏最大功率跟踪功率点神经网络工作电压的有效参数，并建立预测光伏组件的最大功率点电压的模型，通过神经网络预测器可以得到最大功率点工作电压，然后通过PID 闭环反馈到DC/DC，调整实际输出电压，实现输出电压快速稳定地逼近最大功率点电压。

（2）采用了ATmega128控制器作为主控芯片，***性能可靠且成本较低；ATmega128控制器是ATMEL公司的 8位系列单片机的最高配置的一款单片机，较普通8位单片机具有高性能、资源丰富、低功耗的特点，较DSP芯片具有成本低的特点；***控制器需实现最大功率跟踪控制和无刷直流电机的控制。当然为了整个***的优化，还需要进行***保护设计和其他辅助硬件设计，包括电流电压检测、水位打干和显示操作模块。 

总之，本***是自适应性较强，功能较齐的新型高效全自动光伏水泵***，能够实现水泵、光伏阵列、电机的三者最佳匹配，性价比较高，实现了廉价和高效的兼顾，***的最大效率将达到75%以上，较普通水泵，具有更好的市场竞争力，这样的***是国内的空白，会促进国内光伏水泵行业的发展。 

附图说明

图1一种带智能电压预测器的高效全自动光伏水泵***硬件结构示意图； 

图2一种带智能电压预测器的高效全自动光伏水泵***控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型***作进一步说明。 

图1是一种带智能电压预测器的高效全自动光伏水泵***的硬件结构示意图，由光伏阵列1 、DC/DC变换器2 、DC/AC变换器3 、无刷直流电机 4、Atmega128控制器5、隔离电路6、驱动电路7、蓄电池8、光伏水泵9、反电势检测电路10和液位传感器11构成。 

光伏阵列1的输出端连接DC/DC变换器2的输入端， DC/DC电路2输出端连接蓄电池8和DC/AC变换器3的输入端，控制器5的输出端接入隔离电路6的输入端，隔离电路6的输出端接驱动电路7的输入端，驱动电路7的输出端接DC/AC变换器3输入端，变换器3的输出端分别接无刷直流电机4、反电势检测电路10的输入端，无刷直流电机4的输出端接光伏水泵9，从而进行深井抽水，液位传感器11将当前液位传给控制器5。 

光伏阵列1由太阳能电池串、并联组成，收集太阳光的辐射能量，并将该能量转换成电能。 

DC/DC变换器2采用升降压式转换电路,该电路主要由场效应管、电感、电容和二极管构成，另外在场效应管的源漏两端跨接两个电容以达到为输入端滤波的作用，可保证光伏阵列能在任何日照和环境温度下都能够稳定地提供相应可能的最大功率输出。 

蓄电池8采用铅酸蓄电池，用以储存日照强烈时过剩的能量，以保证日落或阴雨天气能正常工作。 

隔离电路6采用光耦隔离方式，实现了强电和弱电的电气隔离。光耦以光为煤介传送信号，可有效地抑制***噪声，消除接地回路的干扰，PWM波由控制器5输出，接至与非门，再连接高速光耦，光电隔离后送至驱动电路7，继而驱动DC/AC变换器。 

DC/AC变换器3，采用三相全桥式电路，由6只开关管构成，将光伏阵列输出的直流电变换为交流电，带动机泵运行。 

无刷直流电机4，采用120°二二导通方式，转子永磁体N ~S旋转，经过转子位置反电势检测电路10检测，控制电路发出开关指令，使得变换器6只开关管顺序导通；无刷直流电机4转子旋转一圈，共有6种开关组合状态，每改变一种开关组合状态，定子旋转磁场转过六十度电角度，按此规律循环，电机将产生连续转矩，带动光伏水泵9运行。 

反电势检测电路10采用虚拟中心点的方法来找到定子线圈反电势过零点，从主电路中引出定子绕组三相端电压，定子三相绕组的端电压信号经过反电势零点识别电路，将虚拟过零点和端电压值送到比较器的输入端，经上拉后将过零点脉冲送输出到控制器5捕捉口，从而触发无刷直流电机换相。 

光伏水泵9，通过fluent、CFX两软件，采用大涡模拟、正交设计法对离心泵泵体进行优化设计，调节泵运行工况，模拟光伏泵真实运行条件，获得泵瞬态性能变化规律，测试内部流场，从而修正水泵的设计参数，使泵具有高扬程且扬程随转速变化基本不变的特性。 

液位传感器11实现对深井液位的实时监测。 

Atmega128控制器5实现的软件功能如附图2所示，主要控制模块有PWM波的生成与控制模块、PID算法模块、基于神经网络算法的智能电压预测器模块、无刷直流电机反电势的检测与控制模块、电压、电流检测模块、水位打干检测模块与人机显示操作模块。 

Atmega128控制器5实现的智能电压预测器是通过对太阳能电池伏-安特性及功率-电压曲线的分析，并结合水泵的负载特性，研究神经网络自适应MPPT预测算法，用MATLAB进行软件试验仿真，完成对神经网络样本的训练，设计出智能预测电压模块，该模块得到最大功率点工作电压Vom，和实际电压做比较通过PID 闭环反馈到DC/DC变换器2，调整实际输出电压Vdc，使其逼近最大工作点，后经DC/AC变化器3驱动无刷直流电机4旋转，带动光伏水泵9运行，该智能电压预测模块获得更高的能量转换效率。 

反电势的检测与控制模块是通过基于虚拟中点法的相电压反电势检测法，完成对无刷直流电机的换相；通过直流PWM控制的恒定步进起动方式，增加无刷直流电机的开环步进起动力矩，减少电机的脉动力矩和峰值电流；利用转速与电流双闭环控制结构，保证无刷直流电机平稳运行。 

电压、电流检测模块实现采样光伏阵列电压与电流的功能，电流与电压是***最大功率点跟踪控制中最关键的测量值，同时也是***过压、欠压保护、堵转保护、过载保护和智能开关机等功能的参考值；水位打干检测模块的设计是为了防止井中水位下降，引起机泵***干磨擦而遭致损坏的现象，因此***安装时，在水井里安放水位传感器，当水位低于最低水位时，控制器将发出控制指令使水泵停止打水。 

人机显示操作模块是用户及调试维护人员平时接触最多的操作界面，它可以方便地进行***监控和运行参数的调整，本***采用威纶通MT6070iH触摸屏进行人机交互，通过LCD1602进行显示电流、电压、水位等参数。 

Claims (1)

1.一种高效全自动光伏水泵***，其特征在于：所述光伏水泵***由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC变换器、无刷直流电机、蓄电池、反电势检测电路、隔离电路、驱动电路、Atmega128控制器、光伏水泵和液位传感器组成，光伏阵列的输出端子连接DC/DC变换器的输入端， DC/DC电路输出端连接蓄电池和DC/AC变换器的输入端；Atmega128控制器的输出端接入隔离电路，隔离电路的输出端接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端接DC/AC变换器输入端，DC/AC变换器的输出端分别接无刷直流电机、反电势检测电路的输入端，反电势检测电路的输出端接Atmega128控制器，无刷直流电机的输出端接光伏水泵，进行深井抽水，液位传感器的输出端接Atmega128控制器，将当前液位传给控制器，实现对液位的实时检测。 

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