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光伏水泵研究实验结果及工作展望
一、实验结果分析
根据对光伏水泵控制策略、硬件设计和软件设计，对制作的样机进行了大量的实验研究，实验测试了光伏水泵在各种光照、负载情况下的运行情况，使用Tektronix四通道隔离示波器对实验结果进行了波形记录。实验所用光伏水泵控制系统参数如下：
1、太阳能参数：
P=200W;公差-3%&3%;Vm=27.5V;Im=7.99A;Voc=33.7V;Isc=8.35A
2、电机参数：
P=180W;I=0.53A;F=50HZ;N=-1400r/星形/三角形：380V/220V
经运行实验，水泵样机能很好的平稳起动运行，实现了最大功率跟踪和变压变频调速，控制器具有良好的过电、过流、欠压保护功能，当低于输入电压低于12V时，系统停止工作。图1是180W电机调试。
图1：180W电机调试
DC/DC变换器的4路PWM波形如图2所示。其PWM开关频率是50ICHZ，死区时间是2，峰峰值电压是14.6V。CH1是控制开关管S1的，CH2是控制开关管S2的。
图2：DC/DC环节4路PWM驱动信号
DC/DC变换器中高频变压器的设计至关重要，变压器的漏感对开关电源性能指标的影响特别重要，变压器的漏感的大小与变压器铁芯的气隙长度有关，与绕制方式有关系。系统空载的时候的电压波形。CH1是变压器原边电压，CH2是太阳能输入电压，CH3(100V/格）是IPM输入的直流母线电压，CH4(100V/格）是输出的线电压。从图中可以看出变压器原边电压，在负电压下降沿和正电平上升延的时候不怎么理想，跟变压器的绕线方式有关系，导致变压器漏感偏大。
CH1(10倍量程）是变压器原边电压，CH2(10倍量程）是太阳能输入电压，CH3(100V/格）是IPM输入的直流母线电压，CH4(100V/格）是输出的线电压。可知，达到了350V左右，说明PI调节成功实现了。输出的线电压与与空载时候相比，都达到了预期的效果，说明SVPWM算法编写的很正确，而且其峰峰值接近于输入直流电压，说明其直流电压利用率很高。实验波形证明了，控制系统是可以变频变压调速的。
系统在带广一管道泵电机负载时候，系统输入电压CH2的波形脉动有点大，原因可能是跟电机感性负载有关；跟变压器制作有关，漏感偏大有关；跟隔直电容的大小有关；跟输入滤波电容太小也有关。
实验过程使用Tektronix的电流探头（100mv/A)测试了在各种光照强度下，不同频率下电机三相电流波形。电流波形基本是正弦波，即使在频率为10HZ时候，波形畸变很小。但是在频率20HZ左右时候，有毛刺。原因是SVPWM波形控制方法本身不可避免的造成逆变器输出波形有所失真；功率开关器件存在固有的开通与关断延时时间。
样机分成三层：最低层是主电路和电源电路；中间层是控制电路和采样电路；顶层是DSP。这便于调试，和后期的维护，提高了系统的稳定性。也为以后继续研究光伏水泵系统MPPT和VVVF调速提供了很好的硬件平台。由于是实验阶段，相对真正的产品来说，还需要在硬件和软件上进行进一步的优化和研究。
二、工作总结及展望
工作总结：设计了一种基于数字信号处理器TMS320F2812的光伏水泵控制系统。系统采用观察扰动法（P&Q)实现了太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT)功能；采用变压变频（VVVF)的控制方法来实现异步电机高性能运转、全数字控制；采用SVPWM调制方式使得逆变器的直流电压利用率大大提高，输出三相电流谐波降低。试验结果表明，该系统具有一定的实用价值，运行稳定可靠。
针对该系统设计了打干保护、过载保护、欠压保护和过流保护等多种智能保护措施。详细介绍了系统主电路各元件参数的选择和设计。设计出了一台可以实现MPPT和VVVF的原理样机。本项目研究还属于起步阶段，相关改进工作还需要后期完善。在整个系统调试中遇到很多问题如下：
1、带电机水泵负载后IPM输入直流电压跌落很大，说明电源带负载能力还不是很强。原因是PI参数设置不合理导致PI调节不成功。
2、直接用ANSIC语言编写的SVPWM程序中，发现开关频率上不去，在3K以上时候输出线电压就有问题了，有畸变。而IPM参数数据表的最高开关频率是可以达到20K的。原因是2812是定点DSP，对于直接处理浮点数，会遇到问题，需要进行数据格式转换，就能避免这个问题。
3、在系统正常运行时候，太阳能输入电压纹波有点大，与变压器原边隔直电容和变压器的绕制以及输入滤波电容的大小都有关系。
4、在调试的过程中，一定要记住，焊接一部分元器件后要检查电路是否可行，切不可所有元器件都焊接好后再调试。此外，万用表测量时应尽量避免测量两笔在电路板上短接，如果短接很可能造成芯片烧掉。示波器测试过程中，切记不可在系统运行过程中，挪动示波器探头，必须要在系统上电运行前，安放好示波器探头。
5、为确保安全，在IPM逆变器调试过程中，要先低压调试后高压调试。一定要在低压测试时候确保三相平衡，避免有缺相，否者高压调试时候，IPM容易烧坏。
6、实际电路设计中，存在许多干扰源，在PCB的布局上，高频电容需要尽量靠近电源端，布线中的折线增加了高频噪声。
7、由于个研究时间的限制，对光伏水泵控制器只是做了一个初步的研究工作，对的流量、扬程、转速等研究不足，系统的整体调试还需进一步完善。因此，在下一步工作中要综合考虑水泵基本特性、日照量变化规律以及调速控制方法等因素。
今后工作展望：搭建了以TMS320F2812为核心的控制器，其基本满足了性能指标，但是要作为成熟的产品走向市场，还需要做很多的工作，下一步的主要工作如下：
1、进一步优化硬件电路参数，降低成本和提高可靠性。
2、可考虑采用通过控制DC/DC环节来实现MPPT的系统控制结构。
3、考虑运用ZigBee、eCAN、SCI通讯，多机通讯，做人机界面，方便远程监控。
4、软件编程方面需要考虑实时性，另外还要考虑优化代码。如使用Iqmath库函数来编写SVPWM代码，与直接用ANSIC编写程序相比，运算速度和运算精度都有明显提高；如进一步优化PI参数，改善电机的启动性能。
5、在变压变频控制系统的基础上，可以考虑矢量控制在光伏水泵控制中的运用。
6、申请光伏水泵控制系统的国家专利。
7、在该小功率光伏水泵基础上，深入研究，研制不同功率等级的光伏水泵，满足市场的需求。
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