便攜式高能效光伏揚(yáng)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐昌宸，陶 偉，陳高健，陳玟睿，段名浩，黃聲洪，林 奇，鄭志雄

（武夷學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地球污染日益加劇，全球氣溫不斷升高，導(dǎo)致全球各地干旱地區(qū)的范圍不斷擴(kuò)大，農(nóng)作物的生長也因此受到嚴(yán)重影響，阻礙了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。研究表明，干旱地區(qū)都伴隨著晴天多、云量少、太陽輻射強(qiáng)及日照時(shí)間長等特征，并且由于這些地區(qū)有著豐富的地下水資源，因此光伏揚(yáng)水系統(tǒng)就自然成為解決干旱地區(qū)農(nóng)作物灌溉問題的最佳選擇。近年來，隨著光伏太陽能板技術(shù)的不斷革新和價(jià)格的持續(xù)下跌，水泵提水效率的穩(wěn)步攀升，使得光伏揚(yáng)水系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。

本文基于之前對光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的研究成果[1-6]，與太陽能發(fā)電技術(shù)的研究[7-9]，加之目前的市場需求與干旱地區(qū)的實(shí)際環(huán)境條件，提出便攜式高效能光伏揚(yáng)水系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT方法，即根據(jù)光照強(qiáng)度動態(tài)調(diào)節(jié)輸出頻率，據(jù)此保證系統(tǒng)以最大功率進(jìn)行輸出，以此來實(shí)現(xiàn)將太陽能高效轉(zhuǎn)化為電能的目的，極大地降低了太陽能資源的損耗，相對于傳統(tǒng)光伏揚(yáng)水系統(tǒng)提高了約18.6%的揚(yáng)水效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由4 部分構(gòu)成：光伏陣列、智能揚(yáng)水控制器、光伏水泵、管道和儲水系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。光伏陣列可根據(jù)不同環(huán)境不同需求選擇不同的光伏太陽能板組合，此外本系統(tǒng)未有使用蓄電池蓄電而是直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動光伏水泵運(yùn)作，降低了能源傳輸過程中的損耗，并且優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)光伏揚(yáng)水系統(tǒng)降低了約20%經(jīng)濟(jì)成本，本系統(tǒng)通過智能揚(yáng)水控制器調(diào)節(jié)和控制電壓、電流，進(jìn)一步降低了能源損耗且能適應(yīng)不同的水泵需求，提高了系統(tǒng)整體的適應(yīng)能力。

圖1 光伏揚(yáng)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 光伏陣列

光伏陣列是光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的能源組件，其最大輸出功率受氣象條件的影響，比如日照時(shí)間和環(huán)境溫度。因此，本文進(jìn)行了對太陽能電池I-V 特性關(guān)系曲線的研究，如圖2 所示。太陽能電池最大功率點(diǎn)追蹤MPPT方法的選擇降低了氣象條件的影響，提高了系統(tǒng)整體的運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖2 太陽能電池的I-V 特性曲線圖

在圖2 中，總能夠在I-V 曲線上找到一個(gè)工作PM點(diǎn)，這一點(diǎn)就是（MPPT）最大功率點(diǎn)。PM點(diǎn)所對應(yīng)的電流IM為絕佳運(yùn)作電流，VM為絕佳運(yùn)作電壓，PM為極大輸出功率，但是當(dāng)太陽能電池不能運(yùn)作在最大功率點(diǎn)PM點(diǎn)時(shí)，其運(yùn)行效率都比這個(gè)定義的效率值更低，以至于達(dá)到零效率。理論上講，該光伏太陽能板的最佳工作電壓VM、電流IM都可以通過對輸出功率求導(dǎo)獲得，從而得出其最大功率PM，由于受太陽能電池內(nèi)部等效的串、并聯(lián)電阻的影響，此方程具有非線性，故此求出其解析解幾乎無望，其特性也無法用線性方程表示，太陽能電池的P-V 曲線如圖3所示。

圖3 太陽能電池的P-V 特性曲線圖

因此，在選擇光伏陣列太陽能板的同時(shí)，不僅需要考慮輻照度、日照時(shí)間、最佳傾斜角、安裝地點(diǎn)的環(huán)境溫度和海拔高度等，而且還需要計(jì)算光伏陣列的VO和VM。本系統(tǒng)通過結(jié)合武夷山茶園環(huán)境與經(jīng)濟(jì)成本，選擇了2 塊380 W/47 V 的太陽能光伏陣列板，如圖4 所示。

圖4 光伏陣列示意圖

1.2 光伏水泵設(shè)計(jì)

在光伏揚(yáng)水系統(tǒng)中，水泵的效率和工作特性會直接影響到系統(tǒng)整體的運(yùn)作效率，因此在選擇水泵時(shí)理應(yīng)考慮水泵輸出的功率P、揚(yáng)程H、流量Q，除此以外，系統(tǒng)揚(yáng)程閾值、水泵最小運(yùn)轉(zhuǎn)頻率等都要考慮進(jìn)去。通過對武夷山茶園灌溉的勘察，平均每660 m2的土地需要約10 t 的水進(jìn)行滴灌，且茶園大多為梯田狀，水量損失較大，取平均流量Q 為2 m3/h 的水泵，初定水泵的揚(yáng)程H為25 m，綜合效率η 為0.8，可計(jì)算出水泵的功率

本文根據(jù)流量需求和實(shí)際揚(yáng)程，保留一定的揚(yáng)程冗余度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇了額定功率P 為400 W，額定流量Q 為2.4 m3/h 和額定揚(yáng)程H 為30 m 的直流潛水泵，水泵參數(shù)見表1。

表1 水泵基本參數(shù)表

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能光伏發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

光伏水泵控制系統(tǒng)主要由光伏陣列（太陽能發(fā)電）、Boost 電路（升壓電路，DC/DC）、控制器DC/DC 和無刷直流電機(jī)等構(gòu)成，如圖5 所示。

圖5 光伏水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于光伏太陽能發(fā)電隨著太陽輻射的變化而變化，所以太陽能電池不是恒流源，也不是恒壓源，而是非線性直流電源，因此需要一個(gè)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)后才能實(shí)現(xiàn)對水泵的平穩(wěn)控制。為使系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到最高，運(yùn)行狀態(tài)更具有可靠性，本系統(tǒng)利用基于STM32 芯片的控制電路、升壓電路、逆變電路等，再加上采用太陽能電池最大功率點(diǎn)追蹤MPPT 方法，保證了水泵與光伏太陽能電池板相互協(xié)作的最高效率和穩(wěn)定運(yùn)行。

MPPT 控制電路通過與STM32 集成芯片相結(jié)合，并在光伏陣列與DC/DC 控制器之間加上一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換Boost 電路，如圖6 所示。通過控制Boost 電路中開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，即控制開關(guān)器件的占空比α來改變控制器與無刷直流電機(jī)、水泵組成的系統(tǒng)的輸入阻抗，使之匹配光伏陣列的輸出阻抗，這樣就可以使得光伏陣列輸出功率穩(wěn)定在最大功率附近。

圖6 MPPT 控制系統(tǒng)基本框圖

光伏陣列的MPPT 算法的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是Boost 電路的設(shè)計(jì)，倘若電路中電感L 與電容C 的值較大，當(dāng)可控開關(guān)V 處于接通狀態(tài)時(shí)，電源E 充電到電感L 上，與此同時(shí)，電容C 上的電壓向負(fù)載端R 供電。當(dāng)V 處于斷開狀態(tài)時(shí)，因?yàn)殡姼蠰 的電流不會突變，此時(shí)，電源E 和電感L 共同為電容C 充電并提供能量給負(fù)載端R，實(shí)現(xiàn)電壓的提高?？刂破髦饕? 個(gè)功率管與續(xù)流二極管組成，如圖7 所示。

圖7 Boost 電路基本框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的智能光伏控制器主要由STM32集成芯片進(jìn)行集中控制，可在水泵運(yùn)行過程中采集、監(jiān)測水泵電機(jī)的線電壓信息，計(jì)算反電動勢過零點(diǎn)，從而產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 波型控制信號，以此來控制功率器件的聯(lián)通與阻斷，進(jìn)而調(diào)控水泵電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，智能光伏控制器如圖8 所示。

圖8 智能光伏控制器

智能光伏控制器的控制內(nèi)容包括：①Boost 電路中開關(guān)器件的聯(lián)通與阻斷控制，并由此控制開關(guān)占空比來調(diào)節(jié)占空比α 大小來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。②基于線電壓計(jì)算反電動勢過零點(diǎn)，并依據(jù)反電動勢過零點(diǎn)測算轉(zhuǎn)子位置，并產(chǎn)生PWM 波型控制信號。③系統(tǒng)程序還包括光伏揚(yáng)水系統(tǒng)的初始化、I/O 端口的設(shè)置、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)器和中斷等，中斷除了正常的中斷程序以外，也包括過流保護(hù)等重要保護(hù)模塊。

2.2 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏水泵是通過光伏太陽能板提供的動力來進(jìn)行提水工作，其運(yùn)行狀態(tài)受光伏太陽能板的制約，期于使光伏揚(yáng)水系統(tǒng)運(yùn)作更加高效穩(wěn)定，光伏水泵電機(jī)也需要進(jìn)行優(yōu)化控制。

在PWM 控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用的前提下，考慮到光伏揚(yáng)水系統(tǒng)需求，揀選了電壓空間矢量調(diào)制法SVPWM 來優(yōu)化控制光伏水泵電機(jī)運(yùn)作。SVPWM 技術(shù)是一種磁鏈軌跡法，以電動機(jī)的磁鏈圓形軌跡作為控制的目標(biāo)，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂菩Ч庇^，線路清晰且易于實(shí)現(xiàn)。

不僅如此，再加上零序電壓的注入，降低了合成電壓在直流電壓中點(diǎn)的峰值，使得直流電機(jī)利用直流電的效率提高了約15.6%，SVPWM 控制結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 SVPWM 控制結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)位于武夷學(xué)院天心湖旁，北緯27.5°，光伏陣列采用2 塊380 W/47V 的太陽能板，選用額定流量2.4 m3/h、額定揚(yáng)程為30 m 的直流潛水泵。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2023 年3 月4—12 日，進(jìn)行了全天候無間斷運(yùn)行測試，采樣周期為5 min，選取太陽輻射和輸出功率的瞬時(shí)值為采樣點(diǎn)，流量為采樣點(diǎn)之間的平均值。雖然春季的日照時(shí)間縮短、太陽高度角降低，導(dǎo)致?lián)P水量減少了約17.2%，但還是能達(dá)到20 m3/d 的供水需求，其結(jié)果與理論值基本相吻合，本文選擇了其中較為具有代表性和象征性的實(shí)驗(yàn)測試成果，如圖10 所示。

圖10 日運(yùn)行特性實(shí)測結(jié)果

4 結(jié)論

1）本系統(tǒng)由可拆卸式裝置組成，系統(tǒng)組合容易，極易擴(kuò)容。光伏陣列組件、智能揚(yáng)水控制器、光伏水泵等既可以單機(jī)組合獨(dú)立使用，也可多機(jī)組合形成多機(jī)系統(tǒng)，揚(yáng)水效果可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，使用便利，安裝簡易。

2）本系統(tǒng)利用太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT方法進(jìn)一步提升了太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效率，壓縮了蓄電池的使用，進(jìn)而降低了能源傳輸損耗，提高了能量傳輸效率。

3）創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了智能光伏揚(yáng)水控制器，可根據(jù)日照時(shí)間動態(tài)調(diào)整水泵運(yùn)行，使水泵運(yùn)作功率接近光伏太陽能電池板的最大輸出功率。

4）本系統(tǒng)優(yōu)化了光伏水泵的控制系統(tǒng)，采用SVPWM 磁鏈軌跡法，并且增加了零序電壓，使得電機(jī)在利用直流電的效率方面有所提高，并且在其中增添了低水位防護(hù)電路，防止因電機(jī)空載造成資源浪費(fèi)和機(jī)器損耗。