基于自適應(yīng)擾動觀察法的光伏灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

施允洋，李玉龍，房開拓，劉方方

?灌溉技術(shù)與裝備?

基于自適應(yīng)擾動觀察法的光伏灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

施允洋，李玉龍，房開拓，劉方方

（宿遷學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

【目的】解決光伏灌溉系統(tǒng)中水資源浪費(fèi)、系統(tǒng)效率低等問題。【方法】本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏灌溉系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測節(jié)點(diǎn)處土壤濕度，通過Zigbee技術(shù)將檢測值傳回物聯(lián)網(wǎng)平臺，平臺根據(jù)設(shè)定閾值控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成灌溉；針對光伏水泵系統(tǒng)組最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法存在的缺陷，提出自適應(yīng)擾動觀察法，通過Matlab/Simulink對算法模擬仿真?！窘Y(jié)果】自適應(yīng)擾動觀察法較定步長擾動觀察法追蹤速度提升340%，在最大功率點(diǎn)處系統(tǒng)功率損失較低；對稻田和棉花田2種作物土壤濕度進(jìn)行灌溉控制，其中稻田誤差值控制在±3%、棉花田誤差值控制在±2%，達(dá)到預(yù)期效果?！窘Y(jié)論】本灌溉系統(tǒng)具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)更加符合使用需求，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)作物狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化。

Zigbee；擾動觀察法；光伏灌溉；物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

【研究意義】21世紀(jì)，人類面臨多種全球性挑戰(zhàn)，人口不斷增長進(jìn)一步加劇了糧食短缺和能源危機(jī)，以太陽能為代表的新能源得到了廣泛應(yīng)用。農(nóng)業(yè)是支撐國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，以現(xiàn)代元素驅(qū)動農(nóng)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的重要方向，因此，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)4.0等應(yīng)運(yùn)而生[1]。伴隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水量需求日益增加，當(dāng)前農(nóng)業(yè)灌溉用水量占世界用水量的70%，而以大水漫灌為主的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，灌溉水利用效率低、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、電能消耗量高。因此，亟須開發(fā)采用清潔能源或低能耗的智能高效節(jié)水灌溉技術(shù)與裝備，助力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2]。

光伏灌溉是一種利用太陽能實(shí)現(xiàn)灌溉的方法，是一種集光、機(jī)、電于一體的灌溉系統(tǒng)，尤其對偏遠(yuǎn)地區(qū)以及電網(wǎng)覆蓋低的地區(qū)有著較高的適配性[3]，為基于智能高效節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了新的思路。同時(shí)光伏灌溉在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)“決策水網(wǎng)、信息水網(wǎng)、物理水網(wǎng)”的融合，對整個(gè)灌區(qū)的“調(diào)度管理、狀態(tài)模擬、預(yù)報(bào)預(yù)測”提供指導(dǎo)，提升了應(yīng)對水源風(fēng)險(xiǎn)的能力[4]。

【研究進(jìn)展】近年來，光伏灌溉逐步成為研究的熱點(diǎn)。Krishnan等[5]提出了太陽能抽水系統(tǒng)效率估算仿真模型，該模型以小功率離心泵為例，根據(jù)泵的技術(shù)特點(diǎn)，利用模型參數(shù)對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并開發(fā)了相應(yīng)的控制器。所建模型的仿真結(jié)果可以應(yīng)用于太陽能抽水的設(shè)計(jì)階段，可以估算太陽能抽水站的效率特性。Campana等[6]建立一種以地下水位、供水量、作物需求水量及作物產(chǎn)量相結(jié)合的仿真模型，通過對模型的優(yōu)化減少光伏陣列的數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，但系統(tǒng)智能化程度較低。Thakare等[7]提出一種基于Arduino控制的自動灌溉系統(tǒng)，通過Wifi模塊將傳感器檢測到的pH值、溫濕度等參數(shù)發(fā)送至Arduino平臺，Arduino平臺將收集到的數(shù)據(jù)與云端連接起來，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，但Wifi傳輸距離近、功耗大（10～50 mA），不適合偏遠(yuǎn)地區(qū)作物灌溉。Senpinar[8]提出一種基于Arduino控制的光伏自動灌溉系統(tǒng)，通過光伏電池、直流機(jī)泵、水箱、電磁閥、濕度傳感器及Arduino實(shí)現(xiàn)自動灌溉，該系統(tǒng)通過Arduino的以太網(wǎng)卡連接互聯(lián)網(wǎng)，可以簡單觀察灌溉區(qū)的實(shí)際情況，但系統(tǒng)較為簡單、屬于試驗(yàn)方案，無法用于實(shí)際灌溉系統(tǒng)，但為光伏灌溉提供了一種新思路。邱林等[9]設(shè)計(jì)了光伏灌溉系統(tǒng)，分析系統(tǒng)效率主要影響因素，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了具有自動跟蹤的光伏陣列及具備最大功率點(diǎn)跟蹤的光伏灌溉系統(tǒng)效率最高、功率輸出更穩(wěn)定、持續(xù)時(shí)間更長，但系統(tǒng)智能化程度低，用戶不能遠(yuǎn)程查看作物狀態(tài)。徐健[10]提出了一種基于DV-Hop算法實(shí)現(xiàn)灌溉區(qū)域定位、通過最大功率點(diǎn)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤的智能灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫濕度及pH值，實(shí)現(xiàn)自動控制，為灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新思路。

【切入點(diǎn)】綜上所述，自動化和智能化已經(jīng)成為光伏灌溉的發(fā)展方向。通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測作物土壤含水率，并自動控制水泵工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉[11]。目前，國內(nèi)外學(xué)者多采用Wifi、以太網(wǎng)等聯(lián)網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)作物信息采集、傳輸以及灌溉系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。然而，以太網(wǎng)和Wifi受自身性能的影響，無法適用于偏遠(yuǎn)、缺電地區(qū)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于此，以光伏灌溉為研究對象，采用Zigbee組網(wǎng)、4G發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，重點(diǎn)研究光伏水泵系統(tǒng)組效率影響因素，設(shè)計(jì)一種基于自適應(yīng)擾動觀察法的光伏灌溉系統(tǒng)。通過MATLAB/Simulink建模仿真，尋找更優(yōu)的太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤算法，從而提高太陽能利用率；針對傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)智能化低、控制精度差等問題，提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與灌溉系統(tǒng)相結(jié)合的智能監(jiān)控系統(tǒng)，研究物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方法、數(shù)據(jù)采集和傳輸及搭建云端平臺，根據(jù)設(shè)置閾值控制電磁閥實(shí)現(xiàn)自動灌溉，從而提高水資源利用率、節(jié)約勞動力及提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)能[12-13]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏灌溉系統(tǒng)組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏灌溉系統(tǒng)由Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、云端、光伏水泵系統(tǒng)組、終端四部分組成，如圖1所示。其中，Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)處土壤濕度傳感器信息，并將數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器和4G模塊上傳至云端，云端對數(shù)據(jù)分析并執(zhí)行相應(yīng)控制，同時(shí)用戶可以通過移動終端或者PC實(shí)時(shí)查看灌溉網(wǎng)絡(luò)情況及手動控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。光伏水泵系統(tǒng)組為灌溉網(wǎng)絡(luò)提供水源，通過DC/AC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，從而提高光伏水泵系統(tǒng)組效率。其中，光伏電池外特性及其受光照及溫度影響的輸出特性，直接影響水泵轉(zhuǎn)速和效率。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的光伏灌溉系統(tǒng)

2 光伏電池的外特性模型

光伏電池內(nèi)部為半導(dǎo)體P-N結(jié)，當(dāng)陽光照射到光伏電池后，其內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對，從而產(chǎn)生光生電動勢[14]。由于單個(gè)光伏電池功率較低，實(shí)際使用中往往串、并聯(lián)陣列使用。對于光伏水泵系統(tǒng)組，只需研究光伏電池的外特性模型，光伏電池外特性模型可以等效為1個(gè)恒電流源與1個(gè)二極管并聯(lián)的回路，如圖2所示[15-16]。圖中ph為給定輻照下光生電流，D為二極管反向飽和電流，s為光伏電池等效串聯(lián)電阻，sh為光伏電池等效并聯(lián)電阻，PV為光伏電池輸出電壓，PV為光伏電池輸出電流。

圖2 光伏電池等效電路模型

由基爾霍夫電流定律可得:

對于式（1），由于ssh，因此，最后1項(xiàng)(PV+PVs)/sh可略等于0；s較小，其分擔(dān)電流較小可忽略不計(jì)，故短路電流sc≈sh。

對于光伏電池來說，開路電壓oc、短路電流sc、最大功率點(diǎn)處輸出電壓m、最大功率點(diǎn)處輸出電流m均為已知參數(shù)，將其代帶入式（2）可得：

由于光伏電池的特性主要與光照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)，在工作過程中，光照強(qiáng)度和電池溫度是不斷變化的，因此光伏電池性能不可能一直處于上述穩(wěn)態(tài)，需考慮二者變化帶來的影響，引入光伏電池溫度和光照強(qiáng)度后可得：

根據(jù)式（5）—式（10）在MATLAB/Simulink中搭建光伏電池模型，如圖3所示，以oc=36.3 V、sc=7.84 A、m=29 V、m=7.35 A為例，不同光照和溫度情況下光伏電池-曲線、-曲線如圖4所示。由圖4可知，光伏電池最大功率隨著光照強(qiáng)度增加而增加、隨著溫度升高而降低。因此，為提高光伏水泵系統(tǒng)組能源轉(zhuǎn)換效率，需要實(shí)時(shí)跟蹤不同溫度和光照強(qiáng)度條件下系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)。

圖3 光伏電池MATLAB/Simulink模型

圖4 不同溫度、光強(qiáng)條件下光伏電池輸出特性

3 自適應(yīng)擾動觀察法及其仿真

自適應(yīng)擾動觀察法是一種根據(jù)-曲線工況點(diǎn)實(shí)時(shí)調(diào)整步長的算法，當(dāng)工況點(diǎn)靠近最大功率點(diǎn)處選用小步長、遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)處選用較大步長[19-20]。步長選擇標(biāo)準(zhǔn)以|Δ/Δ|值大小作為依據(jù)，由光伏電池-曲線可知當(dāng)工作點(diǎn)靠近最大功率點(diǎn)時(shí)，曲線斜率趨于0，當(dāng)|Δ/Δ|大于時(shí)，選擇定步長擾動觀察法，步長為1；當(dāng)|Δ/Δ|小于等于時(shí)，選擇自適應(yīng)擾動觀察法，步長為2，且以|Δ/Δ|作為迭代因子，使其越靠近MPP時(shí)步長越小。將參考電壓值與實(shí)際電壓值差值送入PI控制器，控制器計(jì)算占空比控制Boost電路中IGBT，從而實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)的快速穩(wěn)定跟蹤[21-22]。自適應(yīng)擾動觀察法工作流程如圖5所示。

為驗(yàn)證算法的有效性，采用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真，建立自適應(yīng)擾動觀察法仿真模型圖（圖6），并根據(jù)流程圖編寫M函數(shù)，其中=0.8，=0.5；Boost模型參數(shù)設(shè)置：1=100 μF、2=80 μF、=0.01 mH、負(fù)載=10 Ω；光伏電池初始參數(shù)：mpp=213 W、oc=36.3 V、sc=7.84 A、mpp=29 V、mpp=7.35 A。在以上條件下對環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度在0.5 s時(shí)由1 000 W/m2降到600 W/m2情況下定步長擾動觀察法和自適應(yīng)擾動觀察法進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖7（a）為自適應(yīng)擾動觀察法仿真結(jié)果，圖7（b）為定步長擾動觀察法仿真結(jié)果。由圖7可知，當(dāng)采用自適應(yīng)擾動觀察法時(shí)，系統(tǒng)初始化后約0.095 s即可追蹤到最大功率點(diǎn)，而定步長擾動觀察法則需要約0.325 s才能追蹤到最大功率點(diǎn)；而當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化（由1 000 W/m2降到600 W/m2）時(shí)，自適應(yīng)擾動觀察法約0.12 s即可再次追蹤到最大功率點(diǎn)，而定步長擾動觀察法則需要約0.165 s才能追蹤到最大功率點(diǎn)。

圖5 自適應(yīng)擾動觀察法流程

由仿真可得本文提出的自適應(yīng)擾動觀察法追蹤速度更快，由波形可得當(dāng)系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近時(shí)，自適應(yīng)擾動觀察法比定步長擾動觀察法追蹤精度更高，穩(wěn)態(tài)震蕩率較低，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，有效地解決了定步長擾動觀察法的弊端。

圖6 Matlab Simulink仿真模型

圖7 仿真結(jié)果

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏灌溉系統(tǒng)測試

4.1 光伏水泵系統(tǒng)組效率分析

光伏水泵系統(tǒng)組由光伏電池、控制器、電機(jī)、水泵4部分組成，該子系統(tǒng)是將地下水通過水泵提出，如圖8所示。對于理想情況下，可通過泵抽出水獲得的能量來分析本系統(tǒng)效率[23]。

圖8 光伏水泵系統(tǒng)組框圖

可得水泵的軸功率：

則電機(jī)輸入功率m-in：

表1 功率余量系數(shù)

光伏電池輸入功率：

4.2 實(shí)物驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性及光伏水泵系統(tǒng)組效率，分別以棉花和水稻為研究對象，構(gòu)建光伏灌溉系統(tǒng)，其中節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2為棉花區(qū)、節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4為水稻區(qū)。設(shè)置棉花區(qū)最佳濕度為（40±2）%，水稻區(qū)最佳濕度為（70±3）%，搭建系統(tǒng)測試平臺，如圖9所示。4塊測試區(qū)域內(nèi)垂直挖直徑約20 cm、深度約30 cm的坑，將濕度傳感器鋼針插入坑內(nèi)并將坑內(nèi)填埋壓實(shí)，確保鋼針與土壤緊密接觸。根據(jù)水稻根系的深度一般在20 cm左右、棉花生長盛期蕾期主根深度約為10 cm左右，選擇棉花田濕度傳感器離地面深度約10 cm、水稻區(qū)濕度傳感器離地面深度約20 cm。

圖9 系統(tǒng)測試環(huán)境

搭建云端控制平臺，Zigbee節(jié)點(diǎn)每5 min采集1次土壤濕度并上傳至云端，對1 d內(nèi)不同時(shí)刻節(jié)點(diǎn)濕度值進(jìn)行采樣，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，系統(tǒng)在工作時(shí)始終可以控制目標(biāo)土壤濕度在設(shè)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以有效地為農(nóng)作物提供生長環(huán)境，當(dāng)土壤濕度到達(dá)設(shè)定值下限時(shí)，云端下發(fā)命令控制節(jié)點(diǎn)開啟電磁閥，啟動灌溉模式。

對光伏水泵系統(tǒng)組效率試驗(yàn)分析，光伏電池選用2塊250 w串聯(lián)，水泵選用3FLD3-35-48-300型號，經(jīng)測試，光伏水泵系統(tǒng)組效率穩(wěn)定在62%左右，詳見表2，效率明顯高于相同電壓等級產(chǎn)品（如4SPSC1.3/90-D425），系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

圖10 節(jié)點(diǎn)濕度記錄

表2 光伏水泵系統(tǒng)組效率

5 結(jié)論

1）光伏水泵系統(tǒng)組中采用自適應(yīng)擾動觀察法，該方法較定步長擾動觀察法跟蹤速度更快，系統(tǒng)啟動后，追蹤最大功率點(diǎn)速度提高了340%，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，追蹤最大功率點(diǎn)速度提高了138%，且在MPP處輸出功率波動較小、系統(tǒng)損耗功率較低；采用自適應(yīng)擾動觀察法的光伏水泵系統(tǒng)組綜合效率達(dá)到62%左右，高于同電壓等級產(chǎn)品。

2）系統(tǒng)根據(jù)土壤預(yù)設(shè)濕度進(jìn)行控制，檢測濕度值與設(shè)定值的誤差值控制在±3%（水稻）、±2%（棉花），可以較好地為作物生長提供條件，滿足設(shè)計(jì)要求。

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Design and Verification of a PV Irrigation Systems Based on Adaptive Disturbance Observation Method

SHI Yunyang, LI Yulong, FANG Kaituo, LIU Fangfang

(Suqian College, Suqian 223800, China)

【Objective】PV irrigation system is a new technology that has seen an increased application in helping irrigation management in China. The purpose of this paper is to propose a method to increase water use efficiency and operation efficiency of the PV system. 【Method】 The photovoltaic irrigation system we studied was based on the IOT technology. It detects soil moisture at nodes in real time, transmits the detection value to the IOT platform through a zig-bee technology. The platform controls the actuator to complete irrigation based on a pre-set threshold. For alleviating the disadvantage of the maximum power point tracking (MPPT) algorithm traditionally used for photovoltaic water pumping system, we proposed an adaptive disturbance observation method and solved it using Matlab/Simulink.【Result】The adaptive perturbation observation method improved the tracking speed by 340%, compared with the fixed-step perturbation observation method, and reduced the system power at the maximum power point. Application to a paddy field and a cotton field showed that the adaptive method can control soil moisture in the paddy field with ±3% error, and in the cotton field with ±2% error.【Conclusion】The proposed adaptive irrigation system has the advantages of low cost and high efficiency. Through the internet technology, the system can be used to remotely monitor soil moisture status of cropping fields and realize intelligent irrigation.

Zigbee; perturbation observation method; photovoltaic irrigation; Internet of Things

1672 - 3317（2022）09 - 0071 - 06

S24

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022020

施允洋, 李玉龍, 房開拓, 等. 基于自適應(yīng)擾動觀察法的光伏灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(9): 71-76.

SHI Yunyang, LI Yulong, FANG Kaituo, et al.Design and Verification of a PV Irrigation Systems Based on Adaptive Disturbance Observation Method[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 71-76.

2022-01-11

宿遷市科技計(jì)劃項(xiàng)目（K202114）；江蘇高校自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（20KJB210013）

施允洋（1988-），男。實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事新能源應(yīng)用與電氣自動化研究。E-mail: syy@squ.edu.cn

責(zé)任編輯：白芳芳