市电互补变频控制的太阳能水泵系统优化设计

康微微，鞠振河

(1.辽宁太阳能研究应用有限公司产品中心，辽宁沈阳110136;2.沈阳工程学院新能源学院，辽宁沈阳110136)

目前市场上暂无针对自来水、空调系统的太阳能与市电互补供电的大功率变频水泵控制系统，仅有太阳能供电水泵(功率最大为2 kW左右，电压多为直流100 V或交流220 V)、太阳能与市电互补供电的水泵系统(功率最大为6 kW、电压等级为AC 220 V).以三相5.5 kW/380 V水泵恒压控制系统为例进行系统优化设计，适用范围为自来水、空调系统的二次加压恒压供水，住宅、企业、商场、政府办公楼的自来水、空调系统的恒压供水.本设计利用太阳能与市电相结合，以太阳能发电为主，将电能存储在蓄电池中，同时进行蓄电池充电和逆变器供电，蓄电池充满后，即仅向逆变器供电.这样即节省电能，又可保证系统可靠稳定的运行.同时根据市场情况，可以继续开发同系列的大功率系统，拖动7个5.5 kW水泵时，整体功率可达38.5 kW.由于本系统受太阳能电池板数量、蓄电池数量、整流器规格、逆变器规格、蓄电池充放电控制器规格等因素限制，系统最大功率需进一步调查才能确定.

目前国内北方的用电高峰期在冬季，南方的用电高峰期在夏季，而自来水系统为常年运行，在民用、商用、企事业单位常见的都是较大型用电设备，这些设备在未来十几年内不会出现新的替代产品.太阳能发电系统直接为系统供电，在负载侧引入太阳能供电系统，可不受任何制约、对电网无影响.

1 系统结构及设计方案

1.1 系统结构设计

采用三相380 V系统供电，整流器将三相交流电转换为直流电.来自太阳能电池板的直流电通过汇流箱、控制器，对蓄电池进行充电.蓄电池的直流电与整流器的直流电通过切换电路，给逆变器供电，逆变器将直流电转换为交流电为泵电机供电.图1为系统部件结构连接框图.

图1 系统部件结构

1.2 系统接线设计

系统主要由太阳能发电部分、控制部分、整流部分、逆变器部分、水泵控制器部分和泵电机组成.接线电路图如图2所示.

2 电气设计

2.1 主回路部分设计

三相电通过整流器将交流电变成直流电.光伏发电系统通过汇流箱与控制器，先将电能存储在蓄电池中，控制器根据蓄电池的电量情况，当蓄电池的电量不足时，将整流器的直流电投入供电，然后再切断来自蓄电池的直流电.当蓄电池充满电时，光伏系统的电能直接向逆变器供电.水泵控制器通过检测到的管道水压控制逆变器，使泵电机为管道加压.

图2 系统接线电路

2.2 控制电路部分设计

控制器作为中心控制器件，控制整流器、逆变器、水泵控制器、直流切换的2个接触器，并检测整流器与逆变器是否出现故障.当发现逆变器和整流器有1个出现故障时，立即停止所有设备的运行，并发出故障报警信号.同时控制器还要完成给蓄电池充电、向逆变器放电，检测电池是否处于充满、电量不足、过充、过放等其他相关状态.

系统采用变频方式，水泵控制器根据实际管道压力情况，向变频器发出速度指令，调整水泵的转速.当管道压力降低时，水泵控制器发出信号，让变频器提高泵电机转速，使管道压力达到设定值;当管道用水量变小，管道压力变大时，水泵控制器发出信号，让变频器降低泵电机转速，使管道压力降到设定值;当泵电机转速低于一定转速并达到一定时间后，水泵控制器进入休眠状态，向变频器发出停止指令，水泵停止运行，即节省了电能又提高了水泵的使用寿命.

水泵控制器可以通过参数设置，使2个泵电机在单台运行设定天数后，自动来回切换，使电机在用水高峰期，不会因为长时间工作，温升过高而影响电机的寿命.同时增加了手动切换泵电机的功能，调整旋转开关AN2，使K1吸合后，2台泵电机的切换进入手动操作状态，旋转开关AN1，可选择1#泵电机或2#泵电机投入系统运行.

3 实例分析

泵电机为5.5 kW/380 V，太阳能发电满足白天使用，蓄电池保证夜间满足使用即可.具体参数详见表1.

蓄电池的容量为

太阳能电池板选择峰值功率为280 W p，开路电压45 V，峰值电压35.5 V，峰值电流7.89 A，则每串电池板数量为

表1 系统部件参数

若选择19块，则系统电压为19×45/1.6=534.375 V，与设计系统电压偏差为534.375/540×100%=98.95%.若选择20块，则系统电压为20×45/1.6=562.5 V，与设计系统电压偏差为562.5/540×100%=104.17%.当选择20块时，系统电压高于设计电压4%，设计裕量过大，故选择19块.

电池板并联回路为

若选择2个回路，则系统峰值电流为:7.89×2=15.78 A，与负载电流相比偏差为:15.78/10.5=1.5倍.若选择3个回路，则系统峰值电流为7.89×3=23.67 A，与负载电流相比偏差为23.67/10.5=2.254倍.当选择3个回路时，太阳能的发电量没有充分的利用，造成了浪费，故并联2个回路即可.故一共需要电池板19×2=38块.

计算得到的蓄电池容量为16.29 Ah，选择12 V、18 Ah的铅酸蓄电池，则串联数量为540/12=45块.

4 经济效益分析

系统设计的电池板容量为280×38=10 640 W p，按照沈阳地区最佳倾角为48°，日均辐照度为4.6 kWh/m2，系统发电效率为0.8，可计算出每天发电量为10 640 Wp×4.6 h×0.8=39.16 kWh.根据设计的负载情况可知，每年发电量为9 749.6度.每度电按照0.83元计算，则每年节省9 749.6×0.83=8 092.21元.蓄电池与电池板为主要部件，其总成本约为70 040元.

由于水泵变频恒压供水系统在不使用太阳能发电的情况下，同样需要采购，故客户实际增加的成本仅为太阳能电池板、汇流箱、蓄电池、系统控制器和安装费用，此部分相当于电池板与蓄电池的0.4倍.成本收回年数70 040/8 092.81=8.7年，电池板使用寿命为20年，其中每5年更换一次蓄电池，增加成本15 660元，再需15660/8092.21=1.9年，则共需10.6年.其余9.4年节省8 092.21×9.4=76 066.77元，则20年的总投资收益率n=76 066.71/70 040×100%=108.6%.

5 结论

在蓄电池与市电供电结构中，可实现2个供电电源的无缝衔接，即在蓄电池电量不足的情况下，提前将市电投入系统，等待几分钟的延时后，便切断蓄电池供电.若蓄电池已经充满，也可先将蓄电池的直流电投入系统，等待几分钟的延时后，再切断市电的供电.本系统将并网发电系统的前部分电路(即电池板至直流电路部分)与整流器和逆变器的直流母线直接对接，将太阳能发电直接运用到负载供电电路中.扩大了太阳能发电的应用范围，用户可以在初始设计中，选择这个方案，也可以在现有设备的基础上，通过系统优化改造，实现降低运营成本的目的.

［1］ 鞠振河.DB21/T 1685－2008太阳能光伏照明技术规程［S］.沈阳:辽宁科学技术出版社，2009.

［2］ 赵争鸣，刘健政，孙晓英，等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京:科学出版社，2005.

［3］ Markvart T.Solar Electricity［M］.England:West Sussex PO191UD，2001.