小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的開發(fā)

徐向宇，徐 政*，陳銳堅

(1. 清華大學深圳國際研究生院電力系統(tǒng)國家重點實驗室深圳研究室，深圳 518055；2. 深圳天源新能源股份有限公司，深圳 518055)

0 引言

光伏揚水技術經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，已產(chǎn)生豐富的系列產(chǎn)品，光伏揚水系統(tǒng)單臺水泵的額定功率可從數(shù)十瓦到數(shù)百千瓦，既有解決偏遠無電地區(qū)家庭或村落生活用水問題的小型光伏揚水、淡化與凈化系統(tǒng)，也有面向農(nóng)林牧業(yè)灌溉、荒漠治理等的大型光伏水利系統(tǒng)[1-5]，相關的產(chǎn)品和系統(tǒng)方案主要由丹麥的格蘭富公司和丹佛斯公司、德國的勞倫斯公司、印度的塔塔公司，以及中國多家變頻器和水泵廠商提供。

光伏揚水系統(tǒng)主要由光伏陣列、水泵、控制器及其他配套設備構成，通常采用固定安裝的方式，就近取水與利用。在早期的推廣應用中，由于光伏揚水系統(tǒng)的初始投資成本高，其應用通常以政府財政補貼、集體資金投入、公共設施建設為主，難以吸引個體消費者。近年來，隨著光伏組件價格大幅下降，光伏揚水系統(tǒng)成本顯著降低，其市場規(guī)模也不斷增大，已在全球100多個國家和地區(qū)得到推廣應用，并以東南亞和非洲市場為主，小型光伏揚水系統(tǒng)也開始向個體消費者市場滲透。

在中國西部偏遠地區(qū)，小型光伏揚水系統(tǒng)主要用于解決生活用水和牲畜飲水等問題。由于西部偏遠地區(qū)地廣人疏、居住分散甚至不固定，水源與取水條件多變，多年前就有研究人員發(fā)現(xiàn)了移動式光伏揚水系統(tǒng)的市場需求并提出了設計構思[6-7]。筆者團隊基于長期光伏揚水技術研究所積累的經(jīng)驗和成果[8-9]，開發(fā)了以電動三輪車為移動載體的小型移動式光伏揚水系統(tǒng)，并制作了樣機，實現(xiàn)了多功能兼容、低壓安全、適應性強、操作簡便等設計目標。本文主要介紹了小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的整體設計方案，包括結構設計、設備配置和充放電與逆變控制器(下文簡稱為“控制器”)開發(fā)，并通過實驗確認小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的運行特性，驗證了設計方案的可行性。

1 小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的設計

1.1 結構設計

小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的結構設計取決于移動載體的選擇，首先需要確定移動方式是自動式還是拖動式?？紤]到揚水系統(tǒng)的自重和實際路況等因素，若采用人力或其他動力的拖動式，現(xiàn)場操作難度大；而自動式的移動載體的選擇需要綜合考慮消費者的經(jīng)濟承受能力、駕駛操控能力、移動載體與光伏揚水設備的結合度，以及多功能兼容性。基于此，本光伏揚水系統(tǒng)選擇電動三輪車作為移動載體。電動三輪車具有以下優(yōu)勢：

1)結構緊湊，便于進行安裝光伏組件的改造，而且運行靈活、操控簡單。

2)標配的蓄電池與光伏發(fā)電相輔相成，光伏組件可向蓄電池組充電，提供電動三輪車行駛的動力；而蓄電池組又能輔助光伏組件向揚水設備提供穩(wěn)定的電能。

3)價格較低，用途廣泛，載上光伏揚水設備后能夠靈活地到水源地取水，卸下?lián)P水設備后則變身為光伏電動三輪車，可用于短途交通與運輸。

本設計方案選擇了一款動力和尺寸均較大的電動三輪車，整車的長、寬、高分別為3200 mm、1200 mm、1350 mm，翻斗式車廂的長、寬分別為1800 mm、1200 mm，驅動電機額定功率為1200 W，標準配置72V/35.5Ah膠體鉛酸電池，最高可配置72V/45Ah膠體鉛酸電池。

根據(jù)所選電動三輪車的外形尺寸，小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的結構設計方案為：選用4塊規(guī)格相同的光伏組件；用40 mm×40 mm的角鋁制成固定在車廂上的框架(批量生產(chǎn)時向三輪車廠商定制專用的車廂)；先在框架頂部水平固定2塊光伏組件，離地高度為1800 mm，總長與整車基本保持一致，寬度不超過車寬；再在車廂兩側各安裝1塊活動的光伏組件，利用合頁將光伏組件上邊框固定在框架上，在電動三輪車行駛時垂下，用彈簧鎖扣將光伏組件下邊框固定在框架上。小型移動式光伏揚水系統(tǒng)行駛時的外觀如圖1a所示。該系統(tǒng)充電和揚水時，將兩側的光伏組件打開，用斜桿支撐固定，還可通過調節(jié)車身朝向和車廂傾角，使光伏組件對準太陽，提高光伏陣列輸出功率。小型移動式光伏揚水系統(tǒng)揚水和充電時的外觀如圖1b所示。

圖1 不同狀態(tài)下小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的外觀Fig. 1 Appearance of small-scale mobile PV pumping system under different conditions

對于揚水設備，其控制箱固定在車廂上，而電纜盤、水管車、水泵放在車廂內，用彈簧鎖扣固定。

1.2 設備配置

小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的運行功率上限取決于電動三輪車的外形尺寸與蓄電池組的容量。該光伏揚水系統(tǒng)設計方案的設備選型具體為：

1)光伏陣列：由4塊250WP/30V的多晶硅光伏組件組成；單塊光伏組件的尺寸為1640 mm×990 mm，重量為23 kg；光伏陣列總標稱峰值功率為1000 WP。為保證電氣安全，光伏陣列采用“2串2并”的接線方式，開路電壓為74 V，最大功率點(maximum power point tracking，MPPT)電壓為60 V。

2)蓄電池組：由6個12V/35.5Ah的膠體鉛酸電池串聯(lián)而成，正常工作電壓范圍為63～84 V。雖然膠體鉛酸電池的重量能量比、體積能量比及充/放電循環(huán)次數(shù)不如鋰電池的，但其使用環(huán)境溫度范圍寬、價格低、安全性高、維護方便。

3)水泵：由于水源與取水點不確定，要求水泵揚程范圍寬、電機效率高、揚水效率穩(wěn)定，而受光伏陣列和蓄電池組容量的限制，水泵的最大運行功率應控制在1 kW以內。因此，選用由高效直流無刷電機驅動的潛水螺桿泵，額定功率為600 W，額定電壓為48 V，額定轉速為3000 rpm，額定流量為1.8 m3/h，最高揚程為138 m；全長為560 mm，外徑為100 mm，出水口徑為32 mm，重量為7.9 kg，輕巧靈便。

4)電纜盤：考慮到從深井或從電動三輪車無法靠近的河湖中取水時，需要有長電纜連接控制器與水泵，再加上水泵的運行電壓低、電流大，為了減小電纜壓降，選用橫截面為4 mm2的三芯電纜；電纜全長為60 m，分2個電纜盤，實際距離較短時用1個電纜盤，否則就將2個電纜盤串聯(lián)使用。

5)水管車：為了保證足夠的揚水高度和距離，配置1臺水管車，采用全長為50 m、管徑為25 mm的柔性水管。

6)水桶：若取水處與用水處相隔較遠，可先將水灌入水桶，然后運至用水處，該光伏揚水系統(tǒng)共配8個25 L的塑料水桶。

1.3 充放電與逆變控制器開發(fā)

小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的電氣與控制電路框圖如圖2所示。圖中底部的充電器、蓄電池組、驅動器及電機均為電動三輪車原有的配置；虛框包圍的部分則為本小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的控制器，由控制電路、電源電路、光伏控制電路及水泵驅動電路組成；蓄電池組支撐的直流母線為公共連接點。圖中：Udc為直流母線電壓；UPV為光伏陣列輸出電壓；Uac為控制器逆變輸出電壓。

圖2 小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的電氣與控制電路框圖Fig. 2 Block diagram of electrical and control circuit of small-scale mobile PV pumping system

電源電路從蓄電池組取電，采用單端反激式電路拓撲，為控制電路提供所需的3路工作電源，分別為5 V、5 V和15 V；控制電路以美國Cypress公司生產(chǎn)的Arm架構32位控制芯片CY8C4146為核心，根據(jù)相應的算法對光伏控制電路和水泵驅動電路實施脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)，開關器件均為功率場效應管；光伏控制電路采用Boost電路拓撲，開關頻率為16 kHz，可實現(xiàn)光伏發(fā)電對蓄電池組的智能充電控制[10]；水泵驅動電路采用三相全橋逆變電路拓撲，開關頻率為8 kHz，可實現(xiàn)對水泵的變頻調速控制。

控制器的實物圖如圖3所示，其與主要配套設備在車廂內的固定擺放布局的實物圖如圖4所示。

1.4 控制策略

小型移動式光伏揚水系統(tǒng)有充電、行駛和揚水3種運行狀態(tài)，而光伏發(fā)電和揚水逆變的控制均基于蓄電池組的荷電狀態(tài)，保持相對獨立，因此只需分別設計光伏發(fā)電和揚水逆變的控制策略。

圖3 控制器的實物圖Fig. 3 Photo of controller

圖4 控制器與主要配套設備在車廂內的固定擺放布局實物圖Fig. 4 Photo of fixed layout of controller and main supporting equipment in carriage

1.4.1 光伏發(fā)電控制策略

1)根據(jù)蓄電池組的最高工作電壓Umax(對應滿荷電狀態(tài))，設定光伏發(fā)電控制的直流母線電壓的上限閾值U1約等于蓄電池組的最高工作電壓，當直流母線電壓小于光伏發(fā)電控制的直流母線電壓的上限閾值時，意味著光伏陣列輸出功率能夠全部被消納。實施MPPT控制，采用經(jīng)典的擾動觀察法，以光伏陣列輸出電壓為擾動變量，擾動步長ΔU為0.2 V。根據(jù)光伏陣列輸出功率PPV的變化，在每個MPPT控制周期(20 ms)更新光伏陣列輸出電壓的目標值UPV-ref。

光伏陣列輸出電壓的目標值可表示為：

式中：n為第n個MPPT控制周期。

其中：

2)調節(jié)Boost電路的導通占空比D，使光伏陣列輸出電壓跟隨光伏陣列輸出電壓的目標值，再檢測對應的光伏陣列輸出功率。由于直流母線電壓的大小隨蓄電池組荷電狀態(tài)、行駛驅動功率及揚水功率而大幅變化，因此本文根據(jù)Boost電路升壓比與導通占空比的關系，采用以直流母線電壓為前饋的控制。

Boost電路的導通占空比可表示為：

Boost電路調壓控制的抗擾動能力強，且無需優(yōu)化整定控制器參數(shù)。

當直流母線電壓大于等于光伏發(fā)電控制的直流母線電壓的上限閾值時，表明蓄電池組已接近充滿，而光伏陣列輸出功率過剩，因此保持ΔU(n)=0.2 V不變，再通過式(1)和式(3)調節(jié)光伏陣列輸出電壓的目標值和Boost電路的導通占空比，逐漸降低光伏陣列輸出功率，實現(xiàn)直流母線電壓的恒壓控制。

1.4.2 揚水逆變控制策略

對水泵的直流無刷電機實施變壓逆變調速控制。根據(jù)蓄電池組的最低工作電壓Umin(對應虧電狀態(tài))，設定揚水逆變控制的直流母線電壓的下限閾值U2大于蓄電池的最低工作電壓。

當直流母線電壓大于揚水逆變控制的直流母線電壓的下限閾值時，通過調節(jié)控制器逆變輸出電壓控制水泵滿功率運行(高揚程)或全速運行(低揚程)；當直流母線電壓小于等于揚水逆變控制的直流母線電壓的下限閾值時，通過減小控制器逆變輸出電壓來降低水泵運行轉速和功率，直至水泵停止運行。

由于揚水逆變控制的直流母線電壓下限閾值的設定保留了相應的裕度，從而保證蓄電池組合理保存電動三輪車繼續(xù)行駛所需的電能。

2 本光伏揚水系統(tǒng)運行實驗

2.1 行駛性能測試

小型移動式光伏揚水系統(tǒng)首先必須具備良好的機動特性，電動三輪車操控簡單，在行駛過程中有2種供電模式，一種是蓄電池組單獨供電模式，另一種是光伏發(fā)電與蓄電池組同時供電模式。實測行駛過程中小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的電氣特性如圖5所示。圖中：I為電動三輪車行駛時的驅動電流；t為時間；L為電動三輪車的行駛里程；Ubat為蓄電池組的空載電壓。

圖5 小型移動式光伏揚水系統(tǒng)行駛過程中實測的電氣特性Fig. 5 Measured electrical characteristics of small-scale mobile PV pumping system during driving

蓄電池組單獨供電時的直流母線電壓和電動三輪車行駛時的驅動電流的波形如圖5a所示。從圖中可以看出：打開電源后，蓄電池組單獨供電時實測直流母線電壓和電動三輪車行駛時的驅動電流分別為77 V和0 A；將電動三輪車的加速轉把擰到底，開始加速行駛，直流母線電壓逐漸降至69 V，驅動電流先升至50～60 A，然后逐漸回落至35～40 A，車速穩(wěn)定在32 km/h；松開電動三輪車的加速轉把減速滑行時，驅動電流迅速降至0 A，直流母線電壓回升至76 V；反復加速、減速操控的實測結果顯示，加速時驅動電流均經(jīng)歷相似的變化過程，加速驅動功率高達4～5 kW，保持32 km/h勻速行駛時的驅動功率約為2.5 kW。

蓄電池組充滿電后的續(xù)航里程決定了小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的活動范圍。在平坦的鋪裝路上保持約30 km/h的車速持續(xù)行駛，蓄電池組的初始空載電壓為80.7 V，隨著行駛里程的增加，蓄電池組的空載電壓不斷降低，直至降到其最低工作電壓(63 V)，如圖5b所示。從圖中還可以看出：蓄電池組單獨供電時續(xù)航里程約為43 km，而晴天條件下頂部500 WP光伏組件與蓄電池組同時供電時的續(xù)航里程可增至約60 km。

2.2 水泵性能測試

在水泵測試平臺上對所選潛水螺桿泵的運行特性進行全面測試，其以最高轉速3600 rpm和額定轉速3000 rpm運行時的實測結果分別如圖6所示。圖中：H為水泵全揚程；P為水泵功率；Q為水泵流量。

圖6 不同轉速下水泵的運行特性Fig. 6 Operating characteristics of water pump at different speeds

從圖6可以看出：隨著水泵揚程的增高，水泵功率呈線性增大，水泵流量呈線性減小。當轉速為3600 rpm、揚程為60 m時，水泵功率為680 W，水泵流量為1.76 m3/h，對應水泵滿功率運行狀態(tài)，揚水效率高達42.3%。由于在實際應用中的最高揚程通常低于50 m，因此水泵以全速(即3300 rpm)運行為主，僅當光伏陣列輸出功率和蓄電池組荷電不足時才會減速運行。

2.3 光伏發(fā)電特性測試

小型移動式光伏揚水系統(tǒng)有3種系統(tǒng)運行模式，分別為：充電模式、行駛模式、揚水模式，下文對不同運行模式下的光伏發(fā)電特性進行測試。

2.3.1 充電模式

充電模式時，小型移動式光伏揚水系統(tǒng)停駛，水泵停運，由光伏組件向蓄電池組充電，根據(jù)蓄電池組的荷電狀態(tài)實施MPPT控制或恒壓控制。為了避免因達到光伏發(fā)電控制的直流母線電壓上限閾值而降低光伏陣列輸出功率以保持直流母線電壓的恒壓運行狀態(tài)，選用頂部2塊光伏組件展示充電控制特性，充電模式下的光伏發(fā)電特性如圖7所示。圖中：IPV為光伏陣列的輸出電流。

圖7 充電模式下的光伏發(fā)電特性Fig. 7 PV power generation characteristics in charging mode

從圖7可以看出：充電模式下，頂部500 WP光伏陣列的輸出電壓與輸出電流實測波形較為平穩(wěn)，即光伏陣列運行狀態(tài)較為穩(wěn)定，光伏陣列輸出電壓波形在最大功率點(MPP)電壓上下呈“三點振蕩”狀態(tài)，光伏陣列輸出電流波形的變化方向與輸出電壓波形的變化方向相反，MPPT精度大于99%，控制器轉換效率約為96%。

為展示小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的最大充電能力，選用全部4塊光伏組件進行全天充電模式時的光伏發(fā)電特性測試。晴天條件下全天充電模式時的光伏發(fā)電特性實測結果如圖8所示，圖中：Eh為太陽輻照度。

蓄電池組的端口電壓始終與直流母線電壓保持一致。從圖8可以看出：蓄電池組初始電壓為67 V，處于虧電狀態(tài)；從09:00起用1000 WP光伏陣列進行充電，上午處于MPPT控制模式，光伏陣列輸出功率隨太陽輻照度的變化而變化，直流母線電壓逐漸上升；從13:00起，直流母線電壓達到設定的閾值87 V，進入恒壓充電模式，光伏陣列輸出功率逐漸減小，從虧電到充滿狀態(tài)約需7 h。

圖8 晴天條件下全天充電模式時的光伏發(fā)電特性Fig. 8 PV power generation characteristics in all day charging mode under sunny condition

2.3.2 行駛模式

行駛模式時，水泵停運，小型移動式光伏揚水系統(tǒng)移動，為了行駛安全，兩側光伏組件不打開，僅用頂部的2塊(500 WP)光伏組件輔助供電。晴天條件下行駛模式時光伏發(fā)電特性如圖9所示。

圖9 晴天條件下行駛模式時的光伏發(fā)電特性Fig. 9 PV power generation characteristics in driving mode under sunny condition

從圖9可以看出：晴天條件下行駛模式時，在驅動功率擾動下，盡管直流母線電壓隨電動三輪車行駛時的驅動電流的變化而躍變，但光伏陣列輸出電壓始終保持穩(wěn)定，光伏陣列輸出電流則略有波動。

電動三輪車行駛過程中，太陽光會被周圍建筑和樹木短時遮擋，此時的光伏發(fā)電特性如圖10所示。

圖10 光照擾動下的光伏發(fā)電特性Fig. 10 PV power generation characteristics under irradiation disturbance

從圖10可以看出：隨著太陽光的短時變化，雖然太陽輻照度存在躍變，但MPPT控制能夠迅速響應，因此光伏陣列輸出電壓基本保持穩(wěn)定，而光伏陣列輸出電流則存在大幅變化。

2.3.3 揚水模式

揚水模式時，電動三輪車停駛，水泵運行，由4塊光伏組件和蓄電池組同時向水泵供電。凈揚程h為25 m，水管全長為50 m，水泵始終全速(3300 rpm)運行，晴間多云條件下?lián)P水模式時全天光伏發(fā)電特性如圖11所示。水泵驅動電路輸入功率Ppum穩(wěn)定在480 W左右，流量計測量得到水泵流量為1.96 m3/h，基本符合圖6的水泵測試結果。由于水管中的摩擦水頭損失和出水口的速度水頭損失，全揚程遠大于凈揚程，再加上長電纜(60 m)的損耗，所測得的水泵驅動電路輸入功率與水泵性能測試結果(約為360 W)相比明顯增大。

若定義小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的揚水效率η為單位時間內流體勢能的增量與水泵驅動電路輸入功率之比，即其可表示為：

式中：ρ為流體的密度；g為重力加速度。

根據(jù)式(4)，可得到上述運行狀態(tài)所對應的小型移動式光伏揚水系統(tǒng)揚水效率為27.8%。

當光伏陣列輸出功率大于水泵驅動電路輸入功率時，向蓄電池組充電；反之，則蓄電池組放電。水泵全天運行8 h，揚水量為15.7 m3，光伏發(fā)電量與水泵耗電量基本持平，揚水運行結束時蓄電池組仍保持高荷電狀態(tài)。

3 結論

本文從結構設計、設備配置和充放電與逆變控制器開發(fā)3個方面介紹了自主設計開發(fā)的小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的整體設計方案，并通過實驗確認了小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的運行特性，驗證了設計方案的可行性。

1)以電動三輪車為載體的小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的結構緊湊、移動靈活、操控簡單，配套的1000 WP光伏陣列基本滿足揚水系統(tǒng)的用電需求，光伏發(fā)電向蓄電池組充電約6～7 h，就能使蓄電池組從虧電狀態(tài)轉為充滿狀態(tài)。

2)設計方案中的充放電與逆變控制器實現(xiàn)了光伏發(fā)電、蓄電池組充放電及水泵運行的全自動、智能化控制，MPPT精度大于99%，且采用低壓直流電配置，小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的安全性高。

3)水泵選用直流無刷電機驅動的潛水螺桿泵，最大運行功率約為600 W，揚水效率可達40%。小型移動式光伏揚水系統(tǒng)適應5～50 m的凈揚程范圍，與之對應的晴天條件下的日揚水量約為18～12 m3。

4)光伏發(fā)電和蓄電池組同時供電使小型移動式光伏揚水系統(tǒng)的續(xù)航里程可達60 km，也適用于日常的短途交通和運輸，大幅提高了系統(tǒng)投資性價比。