高林朝,張香萍,謝毅,胡國華,孫潤超,賈兵,王光
(1.河南省科學(xué)院能源研究所有限公司,河南 鄭州 450008; 2.鄭州市綠文廣場管理中心 河南 鄭州 450002)
光伏水泵系統(tǒng)相較于常規(guī)電泵系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保和長期費(fèi)用低等技術(shù)與成本優(yōu)勢,近年來得以商品化推廣應(yīng)用,尤其在農(nóng)田灌溉抽水和解決偏遠(yuǎn)無電缺水地區(qū)人畜飲用水等方面,展現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益[1-3]。利用太陽能替代柴油或常規(guī)電能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要途徑。光伏水泵系統(tǒng)是一種集光、機(jī)、電于一體的灌溉系統(tǒng),對于系統(tǒng)裝置間的適配性要求較高[4]。目前,農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)雖然可滿足大流量生產(chǎn)要求,但往往功能單一,光伏發(fā)電方陣容量大,灌溉水利用效率低,致使系統(tǒng)有效性降低。因此,探究光伏水泵系統(tǒng)農(nóng)田灌溉綜合用能需求特性,拓展系統(tǒng)效率提高途徑,提高系統(tǒng)可靠性和實(shí)用性,對于農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和工程應(yīng)用以及減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理溫室氣體排放等具有重要的科學(xué)價值與實(shí)踐意義。
光伏水泵系統(tǒng)通常由太陽電池光伏方陣、控制器、最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)逆變器和電機(jī)水泵等構(gòu)成。電機(jī)水泵是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能再到流體勢能的核心部件,其選型會直接影響揚(yáng)水系統(tǒng)效率,應(yīng)根據(jù)不同需求選擇合理驅(qū)動電機(jī)類型與水泵規(guī)格[5]。近年來,光伏水泵系統(tǒng)技術(shù)研究大多集中在系統(tǒng)配置、性能預(yù)測和系統(tǒng)評價優(yōu)化等方面[6-7]。有研究指出,在電機(jī)方面,由于太陽電池具有非線性直流電源特性,因此要求系統(tǒng)各部件具有良好運(yùn)行效率還需要整體優(yōu)化設(shè)計;小功率系統(tǒng)可選用高效直流無刷電機(jī),光伏組件容量在千瓦級及以上的系統(tǒng)應(yīng)以三相交流感應(yīng)異步傳動方式為主[8-9]。目前,變頻控制技術(shù)發(fā)展已較為成熟,大多數(shù)功率較大的光伏水泵電機(jī)多為交流變頻電機(jī),該類系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,槽滿率低,再配上兼具M(jìn)PPT功能的光伏水泵逆變器,可大幅提高電泵全日及全年總平均效率[10-11]。在水泵方面,小流量、高揚(yáng)程的揚(yáng)水場合應(yīng)選用活塞式或螺桿式容積泵,但該水泵對水質(zhì)要求較高,維護(hù)量大[12];較大流量、揚(yáng)程較高的揚(yáng)水系統(tǒng)多選用離心泵,有較好使用通用性,可滿足農(nóng)田澆灌需要的大功率工作條件,但系統(tǒng)裝置占地面積大、安裝成本高、使用范圍受限多、年利用率不高且水泵受轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程影響,其系統(tǒng)平均效率低于容積泵[13-14]。相關(guān)研究表明,在用的光伏水泵系統(tǒng)揚(yáng)水效率大多僅有10%~30%[15],用于農(nóng)田灌溉的現(xiàn)場測試方法還不夠豐富,多結(jié)果數(shù)據(jù)相互印證還不足,準(zhǔn)確度還有提升空間[16]。因此,需要考察該系統(tǒng)在不同地域、不同水量運(yùn)行工況下運(yùn)行情況,進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)配置,以提高光伏水泵系統(tǒng)投資收益率,開發(fā)出清潔能源的高效灌溉節(jié)水技術(shù)與裝備,助力現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。
鑒于光伏水泵系統(tǒng)負(fù)載率全日早中晚變化大且可以變頻運(yùn)行等特點(diǎn)[17-18],本研究選擇三相交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的潛水型水泵,通過研發(fā)配套的直流/交流(direct current/alternating current,DC/AC)逆變器構(gòu)建基于高效水泵的光伏發(fā)電揚(yáng)水系統(tǒng),對不同運(yùn)行工況下太陽輻照量、輸出功率、揚(yáng)水量和揚(yáng)水效率等進(jìn)行性能測試。其中,日輻照量-揚(yáng)水量特性、流量-揚(yáng)水效率特性及光伏方陣日發(fā)電量與蓄電量比例等已在前期研究中進(jìn)行了測試分析[19]。在此基礎(chǔ)上,本研究著重開展三相交流逆變控制對于農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)電性能參數(shù)及不同揚(yáng)程流量-效率與流量-功率特性的影響比較,并評估性能改善效果,以期以較小的光伏組件功率配置用于光伏水泵抽水,從而為提高光伏水泵系統(tǒng)利用效率、擴(kuò)大應(yīng)用范圍、降低農(nóng)田灌溉作業(yè)成本提供理論依據(jù)。
農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)及測試裝置如圖1所示。系統(tǒng)配置參數(shù):太陽電池光伏方陣標(biāo)稱功率2.1 kW,由14組多晶硅電池組件串接而成,單組件長×寬×高=1 480 mm×670 mm×35 mm,最大功率150 W,最大功率點(diǎn)電壓17.5 V,最大功率點(diǎn)電流8.57 A,開路電壓21.5 V,短路電流9.59 A;方陣正南朝向布置,安裝傾角37°,選用高效三相潛水型不銹鋼光伏泵,規(guī)格SJ 5-12,額定出水量3~5 m3·h-1,揚(yáng)程范圍38~59 m,配置自動變頻驅(qū)動電機(jī),功率1.1 kW,三相交流電壓220 V。蓄水箱外徑×高度=1 700 mm×2 600 mm,有效體積5 m3;通過設(shè)置高位水箱調(diào)整系統(tǒng)揚(yáng)水高程,設(shè)計揚(yáng)程可在10~25 m范圍可調(diào)。光伏水泵逆變器為自行研發(fā)。
圖1 農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)及測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic pump system and testing device for farmland irrigation
研制的YKNP1K1L光伏水泵逆變器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。本研究以16位微處理器為核心,通過三相全橋拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和傳感器實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)和工作環(huán)境控制。逆變電路主要由主電路、驅(qū)動電路、控制電路和保護(hù)電路及開關(guān)電源等構(gòu)成。太陽電池光伏方陣輸出經(jīng)儲能電容后連接到開關(guān)管 PS21865 正極引腳和負(fù)極引腳,作為逆變電路輸入電源,逆變電路輸出端與機(jī)泵連接。主電路采用模塊化功率器件,具有IGBT 驅(qū)動、短路與過載保護(hù)和欠壓保護(hù)等集成功能。控制電路采用SPMC75F2413A中央微處理器,讀取和計算處理PWM脈寬與各路檢測信號,由V1-V6 橋式PS21865功率管輸出三相(U相、V相、W相)對稱交變電壓,實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和逆變電源控制。
圖2 光伏水泵逆變器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of photovoltaic water pump inverter
自研的YKNP1K1L逆變器采用自然風(fēng)冷方式,防護(hù)等級為IP65,具有電壓允許范圍寬、輸出精度高、正弦波波形失真度小、逆變效率高、電池組件接反與過欠壓保護(hù)及負(fù)載短路保護(hù)等特點(diǎn)。主要性能指標(biāo)如表1所示。
表1 光伏水泵逆變器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of photovoltaic water pump inverter
圖3 三相交流電機(jī)變頻控制原理圖Fig.3 The schematic diagram of three-phase AC motor frequency conversion control
在搭建的農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)測試平臺上,先設(shè)定揚(yáng)水高程24.8 m開展運(yùn)行特性試驗(yàn),然后設(shè)定揚(yáng)程14.0 m進(jìn)行對比試驗(yàn),實(shí)測分析不同工況下的光伏水泵流量與系統(tǒng)效率及功率特性。測試時間2020年5月—2021年12月,時刻為09:15—16:35,測試地點(diǎn)鄭州市;試驗(yàn)方法依照《太陽能光伏水泵系統(tǒng)》(NB/T32017—2013)[22]。試驗(yàn)期間,采用HT304手持式激光測距儀測定系統(tǒng)揚(yáng)程,同時,分別監(jiān)測記錄太陽電池光伏方陣的功率、全日發(fā)電量和水泵的流量、流速、揚(yáng)水量及逆變器的輸入輸出電壓、電流、頻率等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)每日人工啟閉。TRM-ZH型太陽能室內(nèi)外綜合監(jiān)測系統(tǒng)每隔10 min自動記錄存儲瞬時太陽輻射量、環(huán)溫、風(fēng)速等數(shù)據(jù);光伏水泵逆變器數(shù)據(jù)采集器型號LDG-271A10021;光伏水泵流量采用TUF-2000E-TS-2-HT-PT100超聲波流量計,測量精度±0.1%,外夾式探頭V型法置于泵出口穩(wěn)流滿管段,水平安裝距離大于10倍管徑,每隔10 min自動記錄存儲數(shù)據(jù);其他電工儀表包括UT243鉗形諧波功率計和UT204數(shù)字鉗形萬用表。
因?yàn)樘栯姵亟M件的材料和溫度特性,組件功率隨使用時限而衰減,需對已安裝使用的組件功率進(jìn)行實(shí)際衰減核驗(yàn)[23-24]。采用PV 900便攜式太陽能I-V測試儀,最大功率測試重復(fù)性±0.01,測試方法參照《晶體硅光伏(PV)方陣I-V特性的現(xiàn)場測量》(GB/T 18210—2000)[25]。根據(jù)已有研究可知,該光伏方陣的電池組件功率衰減率12.5%,因此該光伏方陣實(shí)際峰值功率為1.84 kW[26]。
3.2.1 直流輸入電流、三相輸出電流和輸出頻率曲線 測試日光伏水泵逆變器的直流輸入電流、三相輸出電流和輸出頻率檢測結(jié)果如圖4所示。三相輸出電流和輸出頻率曲線分布特征一致,說明逆變器工作狀態(tài)正常;逆變器直流輸入電流曲線與測試日光伏方陣斜面上的太陽輻照功率分布曲線特征基本一致,大致為正弦態(tài)分布。在09:55—14:35時段,斜面上瞬時太陽輻照功率均大于500 W·m-2,正午時段最大值697 W·m-2,此時,光伏方陣發(fā)電功率1 341.9 W,直流輸入電流7.1 A,水泵流量達(dá)2.05 m3·h-1,處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài);14:35以后,由于天氣變化瞬時太陽輻射強(qiáng)度有較大減弱,直流輸入電流呈近似直線陡降趨勢,致水泵流量輸出減少,表明逆變器的跟蹤控制運(yùn)行表現(xiàn)較為良好。
圖4 直流輸入電流、三相輸出電流和輸出頻率曲線Fig.4 Direct input current, three-phase output current and frequency curve
3.2.2 定揚(yáng)程下流量-輸出頻率特性 傳統(tǒng)的電機(jī)水泵運(yùn)行特性表明,不同揚(yáng)程所對應(yīng)的流量和效率均大幅變化[27]。在光伏水泵系統(tǒng)中,太陽電池光伏方陣發(fā)電功率受日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響而變化,水泵始終處于調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)[28-29]。流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速n之間滿足式(1)—式(3):
Q1/Q2=n1/n2
(1)
H1/H2=(n1/n2)2
(2)
P1/P2=(n1/n2)2
(3)
式中:Q1、Q2分別為泵流量;H1、H2分別為揚(yáng)程;P1、P2分別為水泵功率;n1、n2分別為轉(zhuǎn)速。
流量與輸出頻率對應(yīng)測試結(jié)果如圖5所示。測試日光伏水泵有效運(yùn)行時間09:15—16:35,定揚(yáng)程工況下,水泵在一定范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)行的流量變化趨勢與逆變器輸出頻率變化趨勢相同,有較好的一致性。當(dāng)日照變化時,逆變器實(shí)時調(diào)整電機(jī)輸入電壓和輸出頻率,變頻調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而調(diào)控水泵流量。起始頻率值38 Hz,當(dāng)頻率值低至28.48 Hz時,水泵停止工作,此時太陽電池光伏方陣仍有424 W輸出電能,也即該光伏水泵系統(tǒng)的揚(yáng)水閾值。對于實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計配置時,這部分電能可通過配置高壓充放電控制器為蓄電池組進(jìn)行充電儲能,以提高太陽電池組件的能量利用率。
圖5 流量輸出頻率特性曲線Fig.5 Flow-output frequency characteristics curve
3.2.3 定揚(yáng)程下水泵流量-效率及流量-功率特性 為了分析比較不同揚(yáng)程時光伏水泵系統(tǒng)的水泵流量與揚(yáng)水效率及功率性能,本研究在搭建的光伏發(fā)電揚(yáng)水系統(tǒng)試驗(yàn)平臺上,采用1.1 kW潛水型離心泵(出水口徑3.81 cm)進(jìn)行性能測試,揚(yáng)程設(shè)定為24.8 m,然后降低揚(yáng)程為14 m,進(jìn)行對比試驗(yàn)。
分別選取氣候條件相近的2日,即2020-10-29定揚(yáng)程24.8 m的全天運(yùn)行狀態(tài)實(shí)測結(jié)果(測試當(dāng)天,晴天,室外溫度9~24 ℃,PM2.5值為56,空氣濕度17%,3~4級西南風(fēng),平均風(fēng)速0.77 m·s-1,日出06:43—日落17:35,日累積太陽輻射量19 331 W·m-2,日平均太陽輻射量411.29 W·m-2和2021-10-22定揚(yáng)程14.0 m的全天運(yùn)行狀態(tài)實(shí)測結(jié)果(測試當(dāng)天,晴天,環(huán)境溫度6~21 ℃,空氣質(zhì)量PM2.5值為67,空氣濕度52%,微風(fēng),平均風(fēng)速0.75 m·s-1,日出06:37—日落17:42,日累積太陽輻射量19 107 W·m-2,日平均太陽輻射量406.53 W·m-2進(jìn)行分析比較。測試期間,采樣周期為10 min,太陽輻射強(qiáng)度與輸出功率為采樣點(diǎn)的瞬時值,流量為采樣點(diǎn)之間的平均值。揚(yáng)程H1=14.0 m和H2=24.8 m下的水泵流量-效率特性實(shí)測數(shù)據(jù)對比見表2。在搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)中,揚(yáng)水效率隨輸出頻率變化,在初始和終了時段,輸出頻率較小,但揚(yáng)水效率較大,最大值達(dá)12.7%;在10:25—13:45穩(wěn)定運(yùn)行時段,輸出頻率增大情況下,揚(yáng)水效率反而降低,但基本上保持穩(wěn)定值不變,全天平均效率達(dá)11.6%,這表明光伏水泵在此定揚(yáng)程下出力達(dá)到最大,也即表明不同揚(yáng)程下最高揚(yáng)水效率及對應(yīng)的頻率也不同。
表2 農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)流量-效率特性Table 2 Flow-efficiency characteristics of photovoltaic pump system for farmland irrigation
揚(yáng)程降低到14.0 m時,光伏水泵流量增加量不大,揚(yáng)水效率反而降低,最大值僅為9.5%,試驗(yàn)當(dāng)日全天穩(wěn)定運(yùn)行后系統(tǒng)揚(yáng)水平均效率為8.0%,相比較揚(yáng)程24.8 m的系統(tǒng)最大揚(yáng)水效率低3.2%,日平均效率低3.6%。這表明減低揚(yáng)程并不一定能提高系統(tǒng)揚(yáng)水效率,但對輸出流量會有影響。揚(yáng)程24.8 m的試驗(yàn)系統(tǒng)配置相對較優(yōu),水泵運(yùn)行效率始終較高。
定揚(yáng)程H1=14.0 m和H2=24.8 m下,水泵流量與光伏方陣發(fā)電功率特性參數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)對比如表3所示。每個試驗(yàn)日,光伏方陣發(fā)電功率隨著當(dāng)天太陽輻射強(qiáng)度的頻繁變化而變化,水泵流量變化幅度較大。當(dāng)光伏方陣發(fā)電功率處于1 000 W以上時,水泵流量基本都可達(dá)到2 m3·h-1以上,系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行時段,也即此定揚(yáng)程下水泵出力達(dá)到最大,光伏泵流量變化趨勢與光伏方陣發(fā)電功率分布有較好的一致性。而在上午開始時段和下午終了時段,太陽輻射量變化幅度較大,光伏水泵始終處于不穩(wěn)定運(yùn)行時段,也就是水泵一直處于調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài),水泵流量隨輸出頻率的不同而有一定的變化,從而在一定范圍內(nèi)影響水泵出力。當(dāng)日出水量累計為13.1 m3,平均出水量1.93 m3·h-1。由光伏水泵系統(tǒng)的應(yīng)用特性可知,當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度減弱時,水泵的揚(yáng)水高程會隨之降低;而當(dāng)實(shí)際揚(yáng)程保持不變時,大范圍調(diào)速運(yùn)行時的輸出流量相應(yīng)減小。
表3 農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)流量功率特性Table 3 Flow-input power characteristics of photovoltaic pump system for farmland irrigation
本研究在選用高效水泵基礎(chǔ)上,結(jié)合配套研制的逆變器,構(gòu)建了一種農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)。通過對三相全橋拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)和傳感器開發(fā),結(jié)合PI調(diào)節(jié)器的SPWM正弦脈寬調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和逆變環(huán)節(jié)的交流電機(jī)變頻調(diào)速靈活控制。電性能參數(shù)測試顯示,其最大MPPT效率和逆變效率分別達(dá)到99%和97%,MPPT電壓調(diào)節(jié)范圍150~400 V,輸出電壓精度(220±66)V,輸出頻率范圍0~60 Hz。與通常較小容量范圍的逆變電源(一般10 kW以下)比較[30-31],該裝置具有逆變效率較高,具有電壓允許范圍寬、輸出精度高、通用性好等特點(diǎn)。
太陽輻射強(qiáng)度及環(huán)境溫度對農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)的揚(yáng)水量有較大影響,特別是日照強(qiáng)度是日揚(yáng)水量大小的關(guān)鍵因素[32]。為此,本研究對該系統(tǒng)不同揚(yáng)程運(yùn)行工況下的電性能參數(shù)和流量-輸出頻率、流量-揚(yáng)水效率及流量-功率特性等進(jìn)行了測試分析。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)調(diào)速運(yùn)行的水泵流量與輸出頻率的變化趨勢有較好一致性。這說明逆變器可隨著光照強(qiáng)度變化調(diào)節(jié)頻率,并自動追蹤最大功率點(diǎn),顯示出該系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)控制動態(tài)性能良好。同時,在揚(yáng)程24.8 m工況下,當(dāng)日在09:55—14:35期間光伏方陣發(fā)電功率達(dá)1 000 W以上的運(yùn)行時段,水泵流量基本都可穩(wěn)定達(dá)到2 m3·h-1,表明在一定太陽輻射量范圍內(nèi)(斜面輻射量大于500 W·m-2),該一系統(tǒng)配置下的水泵出力已達(dá)到上限,處于最大揚(yáng)水量工作狀態(tài)。這與理論計算基本相符,也符合常規(guī)水泵揚(yáng)水特性表征規(guī)律[33-34]。通常將此工作點(diǎn)作為光伏水泵的標(biāo)稱參數(shù),即該光伏水泵系統(tǒng)的標(biāo)稱流量和揚(yáng)程分別為2 m3·h-1和24.8 m。而在當(dāng)日的初始和終了時段,太陽輻射強(qiáng)度在較低值區(qū)變化幅度較大,光伏水泵調(diào)速運(yùn)行,水泵流量隨之變化,處于1~2 m3·h-1范圍。日出水量累計為13.1 m3,平均出水量1.93 m3·h-1。據(jù)此研究表明,該系統(tǒng)以1.84 kW較小的光伏方陣功率配置(3 kW以下)[35-36],其揚(yáng)水能力即可滿足于省水微灌和植被綠化等基本農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要,降低系統(tǒng)初始建設(shè)成本,提高投資收益率,更具實(shí)用性。另外,本研究考察了14.0 m和24.8 m不同揚(yáng)程下該系統(tǒng)流量與揚(yáng)水效率及功率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),定揚(yáng)程24.8 m時,該系統(tǒng)揚(yáng)水效率最大值和平均值分別達(dá)12.7%、11.6%;當(dāng)揚(yáng)程14.0 m時,其最大揚(yáng)水效率和日平均效率僅為9.5%和8.0%,相比前者分別降低了3.2%和3.6%。這表明減低揚(yáng)程并不一定能提高系統(tǒng)揚(yáng)水效率,但對輸出流量會有影響。這是太陽電池具有的非線性直流電源特性所致,不同揚(yáng)程下?lián)P水效率及其所對應(yīng)的調(diào)節(jié)頻率不同,即揚(yáng)程24.8 m的系統(tǒng)配置相對較優(yōu),運(yùn)行性能始終較好。
本研究設(shè)計的農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng),以較小光伏方陣功率配置實(shí)現(xiàn)了水泵出水量、揚(yáng)程及啟動電流與調(diào)速運(yùn)行等基本功能,可用于電網(wǎng)未及的偏遠(yuǎn)場合的農(nóng)田微灌,與目前農(nóng)田灌溉常用的柴油機(jī)或市電驅(qū)動水泵揚(yáng)水相比,沒有污染與噪聲,全天自動運(yùn)行(日出而作,日落而停),經(jīng)濟(jì)性明顯。下一步,通過提高裝置匹配和流量測試精度來提高農(nóng)田灌溉光伏水泵系統(tǒng)的揚(yáng)水效率,以期獲得最大日揚(yáng)水量和累計月或年抽水量,更好適用于清潔低碳高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉需要,從而為該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。