光伏发电期末大作业光伏水泵系统组成及工作原理

光伏发电原理与应用

期末大作业

姓 名： 崔 亮 班 级： 0312406 学 号： 031240610 指导教师： 李 绍 武

题目1.

光伏水泵系统组成及工作原理

1.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。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。

1.2.2 dsPIC30F2010简单介绍

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，所以本系统采用此芯片作为控制器。此芯片主要适用于电机控制，如直流无刷电机、单相和三相感应电机及开关磁阻电机；同时也适用于不间断电源(UPS)、逆变器、开关电源和功率因数校正等。dsPIC30F2010管脚示意如图3所示。

1．2.2．1主要结构 12KB程序存储器； 512字节SRAM： 1024字节EEPROM； 3个16位定时器； 4个输入捕捉通道；

2个输出比较／标准PWM通道； 6个电机控制PWM通道；

6个10位500kspsSA／D转换器通道。

l 2．2．2主要特点

A／D采样速度快且多通道可以同时采样；

6个独立／互补／中心对齐／边沿对齐的PWM： 2个可编程的死区；

在噪声环境下5V电源可正常工作； 最低工作电压3V；

A／D采样和PWM同期同步。

2光伏水泵最大功率点跟踪(MPPT)设计

2．1常规恒定电压跟踪(CVT)方式的特点与不足

CVT方式可以近似获得太阳电池的最大功率输出，软件上处理比较简单。但实际上日照强度和温度是时刻变化的，尤其是在西部地区，同一天中的不同时段，温度和日照强度变化都相当大，这些都会引起太阳电池阵列最大功率点电压的偏移，其中尤以温度的变化影响最大。在这种情况下，采用CVT方式就不能很好地跟踪最大点。

2．2 TMPPT的原理与实现

为克服CVT方式弊端，提出了TMPPT(TrueMaximum Power Point Tracking)概念，其意思是“真正的最大功率跟踪”控制，即保证系统不论在何种日照及温度条件下，始终使太阳电池工作在最大功率点处。由于逆变器采用恒V／f控制，故水泵电机的转速与其输入电压成正比，因此，调节逆变器的输出电压，就等于调节了负载电机的输出功率。故本系统采用TMPPT方式使太阳电池尽可能工作在最大功率点处，为负载提供最大的能量。

由太阳电池阵列的特性曲线(见图4)可知，

在最大功率点处，dP／dv=O，在最大功率点的左侧，当dP／dV>O时，P呈增加趋势，dP／dVO时，P呈减少趋势，dP／d v

图5为TMPPT型最大功率点跟踪控制框图。系统的输入指令值为0，反馈值为dP／dV，假定Z3状态为+1，则Usp*指令电压增加，经CVT环节调整，系统的输出电压V跟踪Usp*增加，采样输出电流I，经功率运算环节和功率微分环节，获得dP／dV值，如dP／dV>0，则Z1为+1，Z2为+1，Z3为+l，Usp*指令电压继续增加。如dP／dV

3系统的保护功能设计

1)过流和短路保护功能由于ASIPM的下臂IGBT母线上串有采样电阻，所以通过检测母线电流可以实现保护功能。当检测电流值超过给定值时，被认为过流或短路，此时下桥臂IGBT门电路被关断，同时输出故障信号，dsPIC检测到此信号时封锁PWM脉冲进一步保护后级电路。

2)欠压保护功能ASIPM检测下桥臂的控制电源电压，如果电源电压连续低于给定电压1OMs，则下桥臂各相IGBT均被关断，同时输出故障信号，在故障期间，下桥臂三相IGBT的门极均不接受外来信号。

3)过热保护功能ASIPM内置检测基板温度的热敏电阻，热敏电阻的阻值被直接输出，dsPIC通过检测其阻值可以完成过热保护功能。

以上保护是利用了ASIPM自身带有的功能，无须外加电路，进一步简化了硬件电路设计。系统除了具有上述保护功能外，还具有光伏水泵系统特有的低频、日照低、打干(自动和手动打干)等保护功能。对于泵类负载，当转速低于下限值时，光伏阵列所提供的能量绝大部分都转化为损耗，长期低速运行，会引起发热并影响水泵使用寿命，因此，本系统设计了低频保护，对水泵来说，当液面低于水泵进水口时，水泵处于空载状态，若不采取措施，长时间运行则会损坏润滑轴承，而本系统为户外无人值守工作方式，故系统为了增加检测可靠性，采用了自动打干和手动打干两种识别方式，其中，自动打干是根据系统输出功率和电机工作频率来进行判别；手动打干则是通过水位传感器识别当前水位高低来实现的。由于低频、日照低、打干等功能都是由软件来完成，不须增加硬件电路，故系统结构简单。

3我国光伏产业存在的主要问题

3.1污染问题突出

虽然太阳能是绿色能源，但太阳能上游的组件和硅原料却是一个高污染行业。产品的制造过程中，会排出四氯化硅、氯化氢、氢气等尾气。特别是四氯化硅，如果不做处理，就会溶解变为盐酸等物质，将污染土壤。与很多高耗能、高污染行业一样，欧洲国家染土壤。与很多高耗能、高污染行业一样，欧洲国家的阳能世界制造中心也基于此。目前普遍采用的是碳还原法，生成的物质既有硅，同时还伴随着大量的二氧化碳。在耗费大量电能之外，二氧化碳的生成直接带来了温室气体的排放，这与目前国家所提倡的低碳经济发展宗旨明显相悖。

3.2社会公众意识落后

我国光伏产业发展迟缓和社会公众意识落后有关。大部分用户意识不到能源的危机和太阳能光伏带来的好处。

3.3产业与市场倒挂

我国成为了全球生产光伏电池最多的国家，但光伏电池的使用却远远落后，形成了典型的产业与市场倒挂现象。我国90%以上的光伏电池组件和系统销往国外，德国安装的太阳能光伏发电设备九成为中国制造。而光伏发电仅限于边远无电地区和大城市里的一些示范工程。

3.4缺乏详细的资源普查和科学的统一规划

目前我国的多晶硅产能已经远远超过电池需求，但在2008年上半年多晶硅最狂热的时候，同时上马的多晶硅项目高达30多项，不少企业抛出了万吨多晶硅的计划，这些项目存在巨大的风险。一是多晶硅项目技术复杂，工艺参数多，许多项目投入巨资但却不能按期达产；二是环保风险，因为多晶硅是高污染的项目，环保不达标,有被强制关停的风险；三是投资巨大且项目建设及回收周期长。尽管经济危机给全球的光伏产业泼了一盆冷水，但产业潜在的狂热仍然存在。

3.5并网管理有待完善

集中式的光伏发电可按国家有关部门的并网规定并入电网，但是对于接入配电网的分布式光伏电源而言，国家还没有针对其制定简易的、具有实际可操作性的关于并网、购售电等方面的一系列管理办法。这在一定程度上影响了光伏发电市场的快速发展。

3.6标准、规范与检测认证体系不健全

技术标准和规范不全面、不完整，且发布滞后。在我国已颁布实行的光伏技术标准中，大部分是光伏产品的技术标准，缺少规范光伏发电性能质量和电网调度方面的管理规程，缺乏符合建筑要求的光伏产品质量标准。

目前，国际上光伏标准出台速度加快，近年来出台了大量新的关于光伏发电系统方面的标准。而我国国家标准的出版，每年都有一定的数目限制，许多已经制定校核完成的光伏标准发布迟缓。缺少强制性标准。国家相关部门已经制定的一系列光伏组件及接入系统方面相关的标准基本上均为“推荐标准”，与强制标准相比，实际执行效果难以得到保证。光伏检测和认证机构设备不足，检测水平造有限。现今我国的总体检测水平与国际上仍有一定差距，没有得到国际上的普遍认同。

3.7缺乏核心技术和生产设备

我国光伏发电产业多晶硅技术虽然已经实现了由百吨级向千吨级的提升，然而整体水平同国际先进水平相比，在生产能耗、物料循环利用以及生产成本等方面均还有一定差距。以多晶硅电池来看，尽管我国是目前全球最大的多晶硅电池生产国之一，但我国企业并没有太大的定价权，其原因主要在于多晶硅提纯核心技术主要掌握在国外厂商手中。薄膜太阳能电池技术水平（包括制设备）与国外先进水平相比差距很大；设备基本依靠进口；太阳能电池用配套材料，如电子浆料、石墨制品、石英制品、EVA材料等，主要以仿制进口为主，大部分产品档次较低。技术和装备的差，使我国的光伏产业缺乏核心竞争力。

3.8人才培养有待加强

专业人才严重缺乏，目前光伏行业从事研究、设计、生产、工程建设等方面的专业技术人员，主要都是从半导体硅材料等其他相近专业转变而来。培训力度也不够。没有相关的人才做支撑，难以适应光伏发电产业快速发展的新形势。

4光伏产业应对措施

4.1政府可实行的政策措施

4.1.1淘汰高污染企业

多晶硅并不是一个高污染行业，只有做不好才会造成污染。污染有两种原因：一是资金不投入，二是技术达不到水平。为此，国家应该加强规范，把高能耗和高污染的企业淘汰出局。未来政府应该提高企业进入的环保门槛。环保不达标的企业规模再大都不能进人这一行业。国家应制定针对多晶硅产业健康发展的引导政策，更多应该从提高环保门槛的角度人手。这面都有也将会成为未来的政策发展方向。

4.1.2实行投融资激励政策

降低项目建设的资本金比例，扩大企业融资的渠道和规模。延长贷款期限，降低贷款利率。对太阳能热利用生产企业销售其自行生产的太阳能产品，相应的增值税实行全免或全收后退回国家收取的部分；所得税全免或全收后返回国家和省收取部分。

4.1.3推行能够充分体现绿色电力价值的分地区标杆上网电价政策

国务院价格主管部门应从国家保障能源安全和供应的角度出发，充分考虑太阳能特点和不同地区的差异，按照有利于太阳能电力经济合理发展的原则，制定能够充分体现太阳能作为色电力价值的分地区标杆上网电价政策，并根据发展需要适时调整。这样既能摒弃“一事一议”传决策方式的不足，促进太阳能规模化发展，也能使投资方有投资回报预期，避免恶意竞争。

4.1.4加大财税支持力度

国家应加大财政预算内资金和国债资金对光伏发电系统技术研发的投入，加大贴息资金的支持力度，重点用于推动太阳能资源普查与评价、重点实验室建设、技术研发与推广示范工程建设等基础工作。实行有利于生产和使用可再生电力的税收政策，建议免除太阳能设备环节的增值税，太阳能发电环节的增值税减半征收，在先导示范和推广前期免除部分税收。

4.1.5出台促进光伏发电系统规模化发展的政策

对于太阳能资源丰富、适宜建设大规模并网光伏发电系统的地区，建议国家以地区为单位择优选择开发商。这样可有效防止开发过程中的无序和重复，由其统筹输电规划、环评规划、带动区域经济发展等诸多方面因素，以实现区域整体效益最大化。

4.1.6出台支持离网光伏发电系统政策

应在边远、贫困、无电地区普及推广离网光伏发电系统，解决无电人口的用电问题，从根本上提高贫困地区人口生活质量，并避开土地、成本等制约要素。

4.1.7健全和完善相关的法律法规、成立能源环境工业发展部

健全和完善以《可再生能源法》为主体的法律法规体系。进一步完善新能源电力全额保障性收购、优先调度等有关的法律法规；深入研究实行新系能源交易机制和配额管理办法。

政府可成立能源环境工业发展部，全面领导和规划我国能源、环境技术和工业的发展。组织光伏界技术（包括材料、器件／组件、系统）、经济方面专家，全面制定我国光伏技术和产业的长期发展规划，使光伏技术和产业各环节协调、健康发展。规划本身不仅仅体现在光伏系统的安装量上，更重要的是能体现光伏产业的发展，包括政策、措施及资金的投入等。仅仅用安装量来标志发展计划是远远不够的，因为实现安装还可以通过完全进口来实现。

4.1.8加大科研投入，掌握核心技术，提高自主创新能力

加大资金、人员方面的投入，提高自主创新能力，以科技攻关或其他方式使有关企业在技术、设备、工艺等方面巩固或达到领先地位，进一步提升光伏发电系统的整体实力，提高产品质量，扩大生光伏发电系统的整体实力，提高产品质量，扩大生面真正具有核心竞争力。

4.2社会、投资者等方面

4.2.1加强舆论宣传，提高全民族发展和使用太阳能的意识

我国能源和生态环境的潜在危机程度比世界平均水平更加严重，加强舆论宣传，提高全民族能源、环境危机意识和对发展太阳能等可再生能源产业的必然性、必要性和紧迫性的足够认识是非常必要和非常迫切的。

在农村推广太阳能既经济实用，投入产出比又高，既可解决农村生活生产能源问题，又能减轻农村日益严重的环境污染问题。为此，要在广大农村实施“五万”计划，促进农村对太阳能需求的大幅度增长。

4.2.2加强公共建筑中的推广

大型商场、高档旅馆酒店、机关、学校、医院等大型公共建筑，是中国耗能的大“老虎”，制冷、供暖、供热水是公共建筑能耗的主体。从目前情况分析，这些建筑在围护结构、空调、供热水以及照明方面，有50%的节能潜力。要加大大型商场、机关、学校、医院、宾馆等公共建筑节能技术推广普及力度，特别是技术成熟、方案多样的太阳能热水工程。

理由：

光伏产业目前虽然居于低谷，也有不少光伏巨头可能会倒下，甚至破产。但是，光伏产业还处于刚刚起步的时期，处于一个新兴产业的初级阶段。“沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春”，大浪淘沙，更新换代，只会使光伏这个产业更加健康，更加成熟。只有那些以自己的知识产权坚持做出好的产品的公司，才会成为常青之树，长期可持续地发展。

题目2

总结与体会：此次通过对《光伏发电原理与应用》课程的学习，更加深了我对太阳能光

伏发电系统的发电原理的理解与认识。通过学习，我深刻体会到，太阳能光伏产业是最具发展潜力的产业，各地都在大力发展光伏产业。

一是充分认识到太阳能光伏产业发展的重大意义。光伏产业是利用太阳能电池直接将太阳光能转化为电能的一个新兴产业，是最有前途的绿色环保可再生能源产业，产品附加值高，产业带动性强，发展前景广阔，是全球发展最快的产业之一。

二是制定光伏产业发展规划。制定规划，是发展光伏产业的基本前提。是指导光伏产业发展的大纲，必须认真遵循。应根据本地区实际情况，出台光伏产业发展规划，采取了有效措施，推进发展。

三是出台配套政策。加快太阳能光伏产业的发展，需要制定鼓励光伏产业发展的政策，创造光伏产业发展的良好环境。建议精心组织和编制光伏产业发展指南，提出鼓励发展的方向，引导和鼓励重点产业的发展；制定高质量的光伏产业发展的配套政策，包括投融资政策、财税优惠政策、人才政策、产业引导政策、创新政策措施，大力培育光伏产业的发展环境。 四是建立和完善配套服务体系。光伏产业发展离不开配套公共技术服务平台。要发展光伏产业，就必须建立大通关系统，实现海关、检验以及检测等平台的紧密链接，初步形成集生产加工、仓储配送、交通运输、流通贸易为一体的现代物流体系。建立和完善企业服务体系，包括融资服务体系、人才服务体系、信息服务体系、物流仓储服务体系、技术服务体系等，降低光伏产业集群内中小企业的交易费用和运行成本。

五是加强人才的引进和培育。人才是推动光伏产业发展的主导力量。通过大力引进光伏人才和各地区的高等院校、职业技术学校等大力开展对光伏学科人才的培养，形成光伏产业的可持续发展。

六是加大招商引资力度。积极利用国内外各种光伏展会，全力以赴进行产业招商。实施“定向招商、产业链招商，以商招商”，力争引进一批光伏产业链中的龙头企业。要加强对泗阳的品牌和发展环境的宣传推介力度。进一步强化“招商是龙头”的理念和“亲商、安商、富商”的意识，自觉主动地为招商项目提供优质高效的服务。针对招商重点项目，要成立专门的光伏项目招商小组，实行全程式、跟班式服务。不断提高政府服务效能，优化流程、简化程序。

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