一、实验硬件部分
 
为了进行实验，主控系统如图1,图中实现表示能量传递关系，虚线表示逻辑传递关系，在第二章硬件规划的基础上，实现功能的检测采样部分、主控部分和直流缓冲单元的硬件电路，艾达光伏水泵​​主要分为如下七个部分：
 

1.光伏电源
 
光伏电源采用Chroma可编程直流电源，该电源可模拟光伏板的能量特性，可通过设定选择光伏特性曲线，随后的实验中也是根据其上工作点的变动，判定功率最终跟踪最大功率点的状态。为了匹配水杲的工作，设置了一组最大功率点为所示，电压400V、电流7.5A，功率3kW的工作状态。系统工作中，可观察红色工作点位置的变化，来实时观察光伏电源工作点的位置。
 

2.直流缓冲部分
 
直流缓冲部分由能量缓冲电容及其附属电路组成。主要目的是对系统的直流能量进行缓冲维持系统的稳定运行，并且进行稳压和滤波作用，而且在变频器主电路部分断电、检修等情况，能够通过附属电路释放能量，保障系统安全。
 
结合对直流缓冲部分电容容量的计算，再考虑电容容量和耐压的因素，采用两个同样的耐压450Vdc,容量1.5mF的电容，配置两个56kQ均压电阻，电容与电阻并联后再串联，整体耐压900Vdc,容量1.5mF接入系统作为能量缓冲单元。另外靠近逆变回路处，加入2uF的薄膜电容来吸收直流环节中由于开关动作所产生的尖峰。
 
3.辅助电源部分
 
控制系统及检测的辅助电源部分，需要保证产生稳定且准确的直流电源。常用反激式直流变换电路从光伏直流母线电容部分获取能量，再利用稳压器件产生多级的直流电压等级以满足各芯片的需要。在本实验系统中，如图3所示，为了达到电压要求，首先设计了两级反激电路，又通过多级稳压单元，形成15V，5V以及3.3V多重供电电源，从而通过主电路直流能量提供检测和控制部分的电能。
 

4.检测电路
 
系统需要对光伏电池输出的电流和电压进行采样，用于进行光伏部分输出电功率的计算，再将数据发送给驱动部分进行水泵系统的最大功率点的跟踪控制。而且系统需要对外界运行状况进行辅助检测以保障系统在故障状态下进行识别，相应动作进行合理的保护。采样部分电路由辅助电源供电。
 
光伏系统电压检测电路采用CHV-25P/400闭环霍尔电压传感器模块，其是基于霍尔磁补偿原理的高精度传感器，测量电压范围是±600V，匝数比是2500:1000,其原理图如图4(a)所示。
 
光伏系统电流检测电路采用CHB-25NP闭环霍尔电流传感器模块，其是基于霍尔磁补偿原理的高精度传感器，可选用多种量程的额定电流，其原理图如图4(b)所示，通过管脚1到管脚10不同的连接方式选定不同的量程，本实验对应选定为8A的量程，对应的原副边匝数比为3:1000,即8A时对应输出测量电流为24mA。
 
(b)电流检测电路原理图
 

水位传感器信号，在供水端以防止打干，在排水端而放溢出，对系统整体的启停进行控制，附加在外围电路，信号直接给入主控电路DSP的输入信号引脚。
 
5.主控电路
 
主要通过DSP进行运算，对主要的信号进行处理，并产生合适的PWM驱动信号，进行主电路逆变桥的驱动，从而实现系统工作，是算法设计实现的核心部分。驱动部分采用TMS320X281进行采样信号分析和产生控制和波形，利用CPLD模块对输出驱动信号进行扩展到具体开关管的信号并附加保护功能。在本实验中验证频率控制作用过程中的最大功率跟踪功能，简化上述波形输出为改变变频器的频率控制信号，只是对输出的波形驱动信号进行了分别的检测，在进一步的设计中会加入后一级的三相桥电路，进行电机驱动交流电的输出。
 
(a)主电路及辅助电源第f级
 
(b)控制电路
 

6.变频器部分
 
是光伏水泵系统的主电路部分，如上面主控电路DSP的输出信号类型相对应，在实验阶段，为了保障系统的安全和方便产品进一步开发，采用成型的变频器产品，将前面的直流环节直接接入变频器的直流母线，相关的控制信号由主控电路产生，首先是使用外部频率给入功能，进一步设计转入三相桥信号控制功能。变频器产品采用型号为CHR100-004G，额定电压为三相380V,额定输出功率为4kw,利用其变频逆变端进行系统水泵电机的控制。
 
由于使用变频器调试，简化了对逆变桥的单独控制，变频器选择外部频率给入，主电路与直流缓冲电容电路直接相连。将主控电路的电平输出信号加到变频器的外部给入端口A12，选定输入信号为0-10V模拟量。
 
在实验阶段，通过示波器检测变频器的输出电流可以对应得出功率的变化。
 
7.水泵电机
 
实验艾达光伏水泵的电机部分采用电机与水泵一体的潜水泵产品，选用深井潜水泵进行实验。水泵的能量直接来源于变频器输出的三相电，通过前端三相电频率的变化改变水泵的工作状态，进而改变水泵的状态，由于实验系统的容量有限，难于实现较多能量变换，所以后面参数主要都是以稳态工作测定。泵上的压力表可辅助估测出水泵工作的杨程值。
 
二、试验系统整体
 
整机实验系统除上述控制系统外，还包括光伏阵列和负载电机及水泵，如图2所示，两个水罐中的水进行循环而进行系统测试。
 

三、光伏水泵MPPT功能实验
 
1.MPPT方法工程实现
 
系统的功能主要通过DSP的软件程序来实现，软件程序主要包括主程序和子程序，主程序主要完成系统的初始化和高级别的状态控制，各中断子程序完成相关的保护，以及主要的采样计算和输出控制具体功能。
 
2.MPPT功能测试
 
(1)系统启动过程中的最大功率跟
 
设置光伏电源最大功率输出为3kW充足供电时，系统启动时的直流侧电流变化曲线，从波形中可见，经过启动阶段，系统光伏的直流电路稳定于7A左右的扰动平衡状态，此时系统直流侧电源端电压测试为411V,功率点接近最大功率，启动过程实现了最大功率跟踪点的跟踪。
 
(2)模拟光照变化时的最大功率跟踪情况
 
模拟外界外界环境光照变化时，对最大功率跟踪功能进行测试，设置光伏电源为功率跳变设置最大功率点为100%到50%然后50%到100%功率跳变情况，功率下降跳变，电流由7.2A左右下降至3.6A左右，电源侧读出电压值由401V逐步变为396V。功率上升跳变，电流由3.6A上升跳变为7.2A，电源侧电压恢复到400V，可见最大功率点跟踪的过程。

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