基于單片機的光伏發電自動供水系統的設計與研究

李韶杰，湯芳芳，董 月，黃欣研，韓魯冰，朱康雕

（1．陜西科技大學理學院，陜西 西安710021；2．91286部隊指揮自動化站，山東 青島266003）

隨著國家經濟的迅速發展，人民的生活水平也得到了很大的提高。尤其是農村，各種家用電器進入了農村居民家中；農村樓房的普及與人們衛生意識的增強，也使得農村居民對水的需求量增大，并且由于近年來國家大力發展新能源，太陽能這種綠色新能源也在農村居民的生活中得到推廣應用。光伏發電自動供水系統采用光伏發電為供水系統供電，同時采用單片機控制電機帶動水泵向水塔供水，一方面可以節約大量水、電資源，另一方面也解決了農民的用水難問題。

1 系統結構

圖1是光伏發電自動供水系統的結構框圖。光伏電池陣列在有太陽光照情況下，可將太陽能轉換為直流電，當發電量大于負載需求時，太陽能電池通過充放電控制器對蓄電池充電；當發電量不足時，太陽能電池和蓄電池同時或由蓄電池單獨對負載供電。由于光伏電池陣列發出的直流電為低壓電，在該系統中采用推挽正激式電路進行升壓。目前的負載多為交流負載，因此對升壓后的直流電進行逆變，再次采用三相橋式逆變電路將直流逆變為220 V的交流電，供給負載。

建立水塔，在水塔中安裝帶有探頭的水位傳感器，運用投入式壓力傳感器，將探頭投入水塔底部，可實現水位顯示。

將水位傳感器連接到單片機，并在單片機上設定數值，當傳感器測定數值達到設定的數值時，會向電機上安裝的電磁開關發出斷開或閉合的指令，從而控制交流異步電機帶動水泵向水塔進行供水。

圖1 供水系統結構框圖

2 推挽正激式電路

2．1 穩態工作原理

如圖2所示為推挽正激式DC／DC變換器電路拓撲結構。在傳統的推挽Buck型變換器中引入箝位電容Cc。變壓器的繞組匝數分別為N1，N2，N3，開關周期為Ts，每個開關導通時間為Ton，功率開關的占空比D＝Ton／Ts。為便于分析，假定：①所有無源原件均為理想原件；②變壓器勵磁電感足夠大，勵磁電流可忽略不計；③Lf足夠大，可看為電流源ILf；④穩態時，可將Cc看成是電壓源。

圖2 推挽正激式DC／DC變換器電路拓撲

在一個開關周期Ts內，推挽正激DC／DC變換器可分為8個工作模態，由于后四個工作模態與前四個相似，現對前四個工作模式進行分析。

（1）工作模式1［t0～t1］等效電路圖如圖3（a）所示。在t0時刻以前，原邊電流沿Ui＋—N2—Cc—N1—Ui－環流，環流為Iloop＝DI0（N3／N1），副邊處于短路狀態，負載電流通過整流管續流。在t0時刻，VS1導通，Ui加在N1和N2上，電流iN1和iN2迅速上升，在副邊，流過VD1和VD4的電流增大，流過VD2和VD3的電流減小；當t1時刻，流過VD1、VD4的電流增大到負載電流，而流過VD2、VD3的電流減小到零時，該工作模式結束。

圖3 一個Ts內的工作模態等效電路

（2）工作模式2［t1～t2］等效電路如圖3（b）。當流過VD1、VD4的電流等于負載電流，而流過VD2、VD3的電流為零時，也進入此開關模式，Ui與Ucc加在Lf上提供勵磁電流和負載電流。同時加在N1與N2上，iN1與iN2升高，該模式相當于兩個正激電路并聯工作，t2時刻，VS1關斷，該模式結束。

（3）工作模式3［t2～t3］等效電路如圖3（c）所示。在t1～t2時段，iN1＞iN2，所以當t2時刻 VS1關斷后，VS2的反并聯二極管被迫導通。此時Ui＋－N1－VS2的反并 聯二極管－Ui－構成回路，Cc－VS2反并聯二極管－N2構成回路，iN1、iN2迅速下降。副邊繞組的電壓上負下正，使VD1、VD4承受反壓，處于反向恢復狀態。VD2、VD3導通，整流二極管處于續流狀態。當iN1＝iN2時，VS2的反并聯二極管構成的環流為零，反并聯二極管截止。此工作模態結束。

（4）工作模態4［t2～t3］等效電路如圖3（d）所示。在此期間，VS1、VS2均關斷，原邊繞組電壓均為零。漏感電流在Ui＋—N2—Cc—N1—Ui－構成環流，此時加在開關管上的電壓均為Ui，負載電流由副邊整流二極管續流。VS2導通時，此工作模態結束。

2．2 穩態外特性

推挽正激DC／DC變換器理想CCM模式時的穩態外特性為：

3 三相橋式逆變電路

圖4所示為三相橋式逆變電路的拓撲結構。

圖4 三相橋式變電器

該電路輸出線電壓有效值UUV為：

負載相電壓有效值UUN為：

4 單片機系統

自動供水系統主要功能是對水塔水位的檢測及控制，完成其供水。因此必須能自動對水塔水位進行采樣，并能對水位輸入信號進行分析，與設置好的水位參數進行比較，從而控制電機水泵的開啟、停機實現水位的調節。

在單片機系統中已設置好水位參數，將其與傳感器的水位信號相比較，從而控制電機帶動水泵供水。為了達到控制水泵的目的，通過控制繼電器即電磁開關來完成控制。

單片機完成檢測參數與信號的比較后，將發出指令，控制繼電器的斷開與閉合，從而使電機帶動水泵向水塔供水，實現自動控制與保護目的。

5 總 結

（1）本文設計的光伏發電自動供水系統最終可實現自動水位監測、自動啟動停止水泵、光伏發電及蓄能等功能。該系統以單片機為核心部件，完成水位的比較及控制信號的輸出。

（2）通過前文對推挽正激式DC／DC變換器及逆變電路的分析與計算，可得具體應用中的直流輸出電壓，從而設計光伏陣列的串并聯方式，為整個系統提供動力電源。光伏逆變器對系統的運行實施調節，將光伏陣列發出的直流電轉換為交流電，驅動水泵，并根據日照強度的變化實時地調節輸出頻率，實現最大功率跟蹤、最大限度地利用太陽能，有效地節約了能源，同時滿足了農村居民的生活需要。

（3）本系統采用光伏發電提供電力能源，避免了電纜安裝費用，同時結構簡單、成本低、功能全面，具有較高的可靠性，因此，該系統具有較明顯的優越性。

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