基于单片机的光伏发电自动供水系统的设计与研究

李韶杰，汤芳芳，董 月，黄欣研，韩鲁冰，朱康雕

（1．陕西科技大学理学院，陕西 西安710021；2．91286部队指挥自动化站，山东 青岛266003）

随着国家经济的迅速发展，人民的生活水平也得到了很大的提高。尤其是农村，各种家用电器进入了农村居民家中；农村楼房的普及与人们卫生意识的增强，也使得农村居民对水的需求量增大，并且由于近年来国家大力发展新能源，太阳能这种绿色新能源也在农村居民的生活中得到推广应用。光伏发电自动供水系统采用光伏发电为供水系统供电，同时采用单片机控制电机带动水泵向水塔供水，一方面可以节约大量水、电资源，另一方面也解决了农民的用水难问题。

1 系统结构

图1是光伏发电自动供水系统的结构框图。光伏电池阵列在有太阳光照情况下，可将太阳能转换为直流电，当发电量大于负载需求时，太阳能电池通过充放电控制器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时或由蓄电池单独对负载供电。由于光伏电池阵列发出的直流电为低压电，在该系统中采用推挽正激式电路进行升压。目前的负载多为交流负载，因此对升压后的直流电进行逆变，再次采用三相桥式逆变电路将直流逆变为220 V的交流电，供给负载。

建立水塔，在水塔中安装带有探头的水位传感器，运用投入式压力传感器，将探头投入水塔底部，可实现水位显示。

将水位传感器连接到单片机，并在单片机上设定数值，当传感器测定数值达到设定的数值时，会向电机上安装的电磁开关发出断开或闭合的指令，从而控制交流异步电机带动水泵向水塔进行供水。

图1 供水系统结构框图

2 推挽正激式电路

2．1 稳态工作原理

如图2所示为推挽正激式DC／DC变换器电路拓扑结构。在传统的推挽Buck型变换器中引入箝位电容Cc。变压器的绕组匝数分别为N1，N2，N3，开关周期为Ts，每个开关导通时间为Ton，功率开关的占空比D＝Ton／Ts。为便于分析，假定：①所有无源原件均为理想原件；②变压器励磁电感足够大，励磁电流可忽略不计；③Lf足够大，可看为电流源ILf；④稳态时，可将Cc看成是电压源。

图2 推挽正激式DC／DC变换器电路拓扑

在一个开关周期Ts内，推挽正激DC／DC变换器可分为8个工作模态，由于后四个工作模态与前四个相似，现对前四个工作模式进行分析。

（1）工作模式1［t0～t1］等效电路图如图3（a）所示。在t0时刻以前，原边电流沿Ui＋—N2—Cc—N1—Ui－环流，环流为Iloop＝DI0（N3／N1），副边处于短路状态，负载电流通过整流管续流。在t0时刻，VS1导通，Ui加在N1和N2上，电流iN1和iN2迅速上升，在副边，流过VD1和VD4的电流增大，流过VD2和VD3的电流减小；当t1时刻，流过VD1、VD4的电流增大到负载电流，而流过VD2、VD3的电流减小到零时，该工作模式结束。

图3 一个Ts内的工作模态等效电路

（2）工作模式2［t1～t2］等效电路如图3（b）。当流过VD1、VD4的电流等于负载电流，而流过VD2、VD3的电流为零时，也进入此开关模式，Ui与Ucc加在Lf上提供励磁电流和负载电流。同时加在N1与N2上，iN1与iN2升高，该模式相当于两个正激电路并联工作，t2时刻，VS1关断，该模式结束。

（3）工作模式3［t2～t3］等效电路如图3（c）所示。在t1～t2时段，iN1＞iN2，所以当t2时刻 VS1关断后，VS2的反并联二极管被迫导通。此时Ui＋－N1－VS2的反并 联二极管－Ui－构成回路，Cc－VS2反并联二极管－N2构成回路，iN1、iN2迅速下降。副边绕组的电压上负下正，使VD1、VD4承受反压，处于反向恢复状态。VD2、VD3导通，整流二极管处于续流状态。当iN1＝iN2时，VS2的反并联二极管构成的环流为零，反并联二极管截止。此工作模态结束。

（4）工作模态4［t2～t3］等效电路如图3（d）所示。在此期间，VS1、VS2均关断，原边绕组电压均为零。漏感电流在Ui＋—N2—Cc—N1—Ui－构成环流，此时加在开关管上的电压均为Ui，负载电流由副边整流二极管续流。VS2导通时，此工作模态结束。

2．2 稳态外特性

推挽正激DC／DC变换器理想CCM模式时的稳态外特性为：

3 三相桥式逆变电路

图4所示为三相桥式逆变电路的拓扑结构。

图4 三相桥式变电器

该电路输出线电压有效值UUV为：

负载相电压有效值UUN为：

4 单片机系统

自动供水系统主要功能是对水塔水位的检测及控制，完成其供水。因此必须能自动对水塔水位进行采样，并能对水位输入信号进行分析，与设置好的水位参数进行比较，从而控制电机水泵的开启、停机实现水位的调节。

在单片机系统中已设置好水位参数，将其与传感器的水位信号相比较，从而控制电机带动水泵供水。为了达到控制水泵的目的，通过控制继电器即电磁开关来完成控制。

单片机完成检测参数与信号的比较后，将发出指令，控制继电器的断开与闭合，从而使电机带动水泵向水塔供水，实现自动控制与保护目的。

5 总 结

（1）本文设计的光伏发电自动供水系统最终可实现自动水位监测、自动启动停止水泵、光伏发电及蓄能等功能。该系统以单片机为核心部件，完成水位的比较及控制信号的输出。

（2）通过前文对推挽正激式DC／DC变换器及逆变电路的分析与计算，可得具体应用中的直流输出电压，从而设计光伏阵列的串并联方式，为整个系统提供动力电源。光伏逆变器对系统的运行实施调节，将光伏阵列发出的直流电转换为交流电，驱动水泵，并根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率跟踪、最大限度地利用太阳能，有效地节约了能源，同时满足了农村居民的生活需要。

（3）本系统采用光伏发电提供电力能源，避免了电缆安装费用，同时结构简单、成本低、功能全面，具有较高的可靠性，因此，该系统具有较明显的优越性。

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