光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的优化匹配

屈 盛，刘祖明，李杰慧，马 逊，马雄韬，王玉林

（1.云南民族大学电气信息工程学院，云南昆明，650500；2.云南师范大学太阳能研究所，云南昆明，650500；3.云南卓业能源有限公司，云南昆明，650217）

光伏提水工程中光伏功率和水泵功率的优化匹配

屈 盛1，3，刘祖明2，3，李杰慧3，马 逊2，马雄韬1，王玉林1

（1.云南民族大学电气信息工程学院，云南昆明，650500；2.云南师范大学太阳能研究所，云南昆明，650500；3.云南卓业能源有限公司，云南昆明，650217）

摘要：为了能够优化配置光伏提水工程中的光伏功率和水泵功率，分析了控制逆变器的转换效率、导线带来的损失、光伏阵列的实际最大输出功率等影响因素，推算出在云南省绝大部分地区光伏功率和水泵功率之比的优化取值范围应在1.3～1.6之间.对一个功率比为1.3左右的光伏提水工程的测量表明，在晴天中午时分，该工程的水泵工作在其额定功率的90%左右，验证了该优化取值范围是有效的.

关键词：光伏水泵；光伏提水工程；功率匹配

光伏水泵（photovoltaic pump）以太阳能为动力，用光伏发电来驱动水泵工作，也常常称为太阳能水泵（solar energy pump），或者太阳水泵（solar pump）.光伏水泵系统（photovoltaic pump system）具有运行费用低、全自动运行、日出而作、日落而息、无需人看守、不受电网限制等特点，可以应用于多种需要提水的场合.在经济成本上，光伏水泵系统相比传统的交流电水泵系统和柴油机水泵系统具有较大的优势［1-3］，在许多场合上都可以代替目前的交流电水泵系统和柴油机水泵系统.它尤其适合于解决无电、干旱少雨地区的日常用水问题［4］.

对于一个光伏水泵系统来说，一定额定功率的水泵，可以配置不同功率的光伏阵列.而这种配置并不是任意的，而是存在一个优化范围.已有一些文献对光伏水泵系统的优化配置问题进行研究，但对其中的光伏功率和水泵功率的优化匹配问题研究得不够详细［5-11］.而在工程实践中，我们则曾多次看到过光伏标称功率是水泵额定功率2倍的实际工程.这样的光伏提水系统尽管也可以提水，但是光伏阵列的功率容量过大，造成了投资的浪费.因此，对此问题进行深入研究很有必要，可以减少或避免投资上的浪费.为了能够优化地匹配光伏水泵系统中的光伏功率和水泵功率，本文通过分析和计算，确定出光伏阵列的标称输出功率和水泵额定功率之比的优化取值范围，然后测试一个光伏提水工程在晴天正午时分的光伏实际输出功率和水泵的实际功率，以此来考察该优化取值范围的正确性.

1 实验平台

本文所检测的光伏提水工程位于云南省大理市下关区石坪村，该工程的光伏阵列由330块光伏组件连接而成，光伏组件型号为ZYSM235，标称输出功率（最大输出功率）为235W（实际约为240W），这些光伏组件由60片规格为156的多晶硅太阳电池串联封装而成，光伏阵列总的标称输出功率为78.96 kW.该工程的控制逆变器型号为ZYPD37，由2台37 kW的逆变器和一个控制器构成.该工程有2台水泵，每台水泵的额定功率为30 kW，额定扬程为70m，额定流量为150 m3／h，为上海熊猫机械（集团）有限公司制造，型号为AAB100-250A.该工程的管道距离约为800m.

为了使得测试结果具有一定的权威性，本文委托云南省太阳能产品质量监督检查站对我们的光伏水泵系统进行第三方检测（检测报告编号：2012CPBV01，检测时间：2012年12月15日，检测人：高文峰）.主要测试不同太阳辐照强度下，光伏阵列的实际输出功率、水泵的实际输出功率、系统效率以及其他的一些性能参数.

光伏水泵系统一般由光伏阵列、控制逆变器和水泵等3部分组成，如图1所示.其中，光伏阵列的作用将太阳光辐射能转换成直流电，它由多个光伏组件串并联而成；控制逆变器的作用则是将直流电变为交流电，并对水泵进行自动化控制；而水泵的作用是将水从低处提到高处，它一般为三相交流水泵.

光伏水泵系统建设好后基本上没有任何运行费用，而相比之下，传统的柴油机水泵系统和交流市电水泵系统则需要较大的运行费用，因此光伏水泵系统比它们具有较大的经济优势.例如，对一个水泵额定功率为7.5 kW的提水系统，如果分别采用光伏发电、柴油机和交流电来驱动水泵，则这3种水泵系统的建设成本大约分别为11万元、0.7万元和0.3万元（此处不考虑架设输电线路和变压器的费用，如果考虑架设1 km的输电线路和安装一个变压器，则此项的费用约为8万元左右），但是它们25年的运行费用则分别约为0元、62万元和15万元（假定1年运行200 d、日均运行5 h，交流电的电价按0.8元／（kW·h），柴油价按10元／L）.因此，即使不考虑柴油机水泵系统和交流市电水泵系统的初期建设费用，它们在若干年后的运行费用也会超过光伏水泵系统的建设费用.如果考虑了它们的初期建设费用，柴油机水泵系统和交流电水泵系统的费用超过光伏水泵系统建设费用的时间还会进一步缩短.在这25年的运行时间里，光伏水泵系统的维护主要来自水泵，光伏阵列和控制逆变器基本上不需要维护，而柴油机水泵系统和交流电水泵系统同样也需要对水泵进行维护，因此，上述3种水泵系统的维护费用可以认为是一样的，均主要来自水泵的维护费用（当然，如果考虑柴油机的维护，则柴油机水泵系统的维护费用是最高的）.光伏水泵系统相对于柴油机水泵系统和交流电水泵系统的这种经济优势在一些无电的山区更为明显.

由图1可知，对于一个光伏水泵系统，其水泵有一个额定功率P1，它取决于系统的提水扬程等因素［9］.而其光伏阵列则有一个标称输出功率P2，因为存在着导线损失，它应该大于水泵的额定功率.如果将光伏阵列的标称输出功率和水泵的额定功率之比值定义为α，则有如下关系式：P2＝αP1.由该关系式可知，α的取值应存在一个优化范围.因为如果α过小，光伏阵列的实际输出功率则可能不足，晴天里水泵不能充分发挥出它的性能，甚至不能正常工作；而如果α过大，则晴天里光伏阵列的最大输出功率将远大于水泵的额定功率，但由于水泵最大只是以其额定功率工作，故此时光伏阵列的功率利用率将会降低.配置光功率过高的光伏水泵系统将会带来投资上的浪费，由于目前光伏发电的成本比较高，所以这种投资上的浪费也是较为巨大的.

2 结果及讨论

2.1 α优化取值范围的讨论

为了确定功率比α的优化取值范围，本文考虑了3个方面的因素：①控制逆变器的转换效率；②导线带来的损失；③光伏阵列的标称输出功率和实际最大输出功率的关系.目前，光伏控制逆变器的转换效率一般都能在90%以上，甚至可以达到95%以上.而导线带来的损失，如果光伏阵列和水泵之间的距离不太远，一般可以控制在1%以内.因此考虑前2项因素以后，α的值应该在1／0.9≈1.1左右.

地面光伏组件的标准测试条件是AM 1.5、25℃、1 000W／m2.光伏组件的标称输出功率均是在该标准测试条件下得出的.在云南省范围内，该标准测试条件的光照强度实际上是高于晴天里太阳光照射到在地面上的强度的，这也就是说，在云南省内，晴天里光伏组件在太阳光照射下的实际输出功率是小于其标称输出功率的.为了找出光伏组件在晴天里的实际输出功率和其标称输出功率的差异，我们测量了云南省大理市下关区石坪村在晴天中午时分的太阳辐照强度，结果如表1所示.

表1 云南省大理市下关区石坪村太阳辐照的测量结果（斜面倾角约20°）

由表1可知，在晴天的正午时分，该地太阳光照射到光伏阵列前表面（倾斜角约为20°左右）的强度约在700～850W／m2之间.如果近似认为在此辐照强度范围内光伏组件的光电转换效率不变，仍为标准测试条件下的光电转换效率，则我们可以推算出，在该地太阳光辐照下，地面光伏组件的最大输出功率实际上只有标称输出功率的70%～85%.例如一个标称为200W的地面光伏组件，在该地太阳光辐照下，其所输出的最大功率实际上在140～170W之间.

由文献［10］可知，云南省绝大部分地区的年太阳辐射总量很接近，都与上述测试地点的年辐射总量相近.因此，表1的数据在云南省内具有代表性，依据表1的数据进行计算所得的结果适用于云南省绝大部分地区.

综上所述，在考虑以上3个方面的因素以后，在云南省绝大部分地区α的优化取值范围应该在（1／0.9）×（1 000／850）-（1／0.9）×（1 000／700）≈1.3～1.6之间，此即是光伏提水系统中光伏阵列标称输出功率和水泵额定功率的优化匹配范围.例如，对于一个水泵额定功率为10 kW的光伏提水系统，光伏阵列的标称输出功率应该配置在13～16 kW之间.

3.2 α优化取值范围的验证

为了考察上述讨论所得到的α优化取值范围的正确性，我们依托云南省太阳能产品质量监督检查站对一个功率比为1.3左右的光伏水泵系统进行了实际测试，该测试是在中午12∶18进行，测得此时的太阳辐照强度为810W／m2，当天天气晴朗，该光伏水泵系统的功率配置情况和所得的测量结果如表2所示.

由表2可知，此时光伏阵列的实际输出功率实际上只有其标称输出功率的79.4%.但按照上面讨论中的假设，当太阳辐照强度为810W／m2时，光伏阵列的实际输出功率应该是其标称输出功率的81%.其中可能的原因是：①光伏组件在此光强下的光电转换效率并不等于标准光强（1 000W／m2）下的光电转换效率，而是稍有下降；②在太阳光的长时间照射下，光伏组件的温度会高于25℃，从而使得其光电转换效率进一步下降.

表2 光伏提水系统的光伏功率和水泵功率的实际测量结果

由表2还可知，此时光伏水泵系统的电效率为86.2%（即水泵的实际功率和光伏阵列的实际输出功率之比），而此时水泵的实际功率是54 kW，为其额定功率的90%.尽管水泵并没有以额定功率工作，但已经非常接近额定功率了，可以认为基本上达到了系统的设计指标.故功率比为1.3左右配置是可行的，此即是α的取值范围的下限.

由表2可以预知，如果功率比小于1.3，则在晴天的正午时分，水泵的实际功率将小于额定功率的90%，系统将不能很好地发挥出其设计的性能.而如果功率比大于1.3，则在晴天的正午时分，水泵的实际功率将大于额定功率的90%.例如，如果假定系统的电效率不变，则可以预知当功率比为1.46时（即光伏阵列的标称功率为87.6 kW时），在同样的光照条件和光伏阵列的功率输出比例（实际输出功率和其标称功率之比）下，光伏阵列的实际输出功率将达到87.6×79.4%≈69.6 kW，而水泵的实际功率将69.6×0.862≈60 kW，即水泵以额定功率工作.而当功率比为1.6时（即光伏阵列标称功率为96 kW时），在同样的光照条件和输出比例下，光伏阵列的实际输出功率将达到96×79.4%≈77.2 kW，如果此时系统仍想保持86.2%的电效率，则水泵需要工作在66.5 kW上，即工作在额定功率的1.1倍上.但实际上，水泵的实际工作功率不会大于其额定功率，故此时系统若想仍保持86.2%的电效率，则光伏阵列的输出功率将会由77.2 kW下降到69.6 kW，即光伏阵列的功率输出比例将由79.4%下降到72.5%，也即光伏阵列的功率利用率下降了.根据上面的讨论，在此种情况下，如果假定为1.46时光伏阵列的功率利用率为100%，则当为1.6时光伏阵列的功率利用率仅仅约为91.3%，也就是说，当为1.6时，光伏阵列的功率容量已经过大了.如果功率比进一步增大，光伏阵列的功率利用率还会进一步降低，光伏阵列功率容量的过剩还会进一步严重.因此，即使考虑了一定的功率余量，将α的优化取值确定在1.3～1.6就已经比较恰当了.

在阳光非常好的晴天，太阳辐照强度可以达到810W／m2，而在辐照稍差一点的晴天里，太阳辐照强度将达不到810W／m2，如表1所示.因此将α的优化取值确定在1.3～1.6范围是比较合理的，可以兼顾这种太阳辐射稍差一点的天气.此外，在工程实践中，尽管光伏阵列的标称功率是光伏组件的整数倍，但是为了维持一定的输出电压，光伏阵列的功率要想增加时，往往是需要增加一个子阵的功率，而不是增加一块光伏组件的功率，因此将α的优化取值确定在一个范围内，而不是确定为某一个值，更加符合光伏水泵工程的实际情况.

4 结语

在实际测试的基础上，通过分析和计算，我们得出，在云南省内光伏水泵系统中光伏阵列的标称输出功率和水泵的额定功率之比值应该在1.3～1.6之间.如果该功率比值小于1.3，则晴天里水泵不能充分发挥出它的性能；而如果该功率比值大于1.6，则光伏阵列的功率利用率不高，造成光伏阵列功率容量的浪费.实际测量结果表明，一个功率比为1.3左右的光伏水泵工程在晴天中午时分，其水泵的实际功率为其额定功率的90%.这验证了该优化取值范围的有效性.

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（责任编辑 庄红林）

中图分类号：TK51

文献标志码：A

文章编号：1672-8513（2014）06-0465-04

收稿日期：2014-05-09.

基金项目：国家自然科学基金（51367019）.

作者简介：屈盛（1976-），男，博士，讲师.主要研究方向：太阳能光伏科学与工程.

Photovoltaic power and pump power in a photovoltaic pumping engineering

QU Sheng1，3，LIU Zu-ming2，3，LI Jie-hui3，MA Xun2，MA Xiong-tao1，WANG Yu-lin1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Yunnan Minzu University，Kunming 650500，China；2.Institute of Solar Energy，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China；3.Yunnan ZY Energy Corporation，Kunming 650217，China）

Abstract：In order to optimally configure photovoltaic power and pump power in a photovoltaic pumping engineering，the impact factors of photovoltaic pump systems are analyzedin detail in this paper，including the efficiency of control inverters，the wire-induced loss and the real maximum output power of photovoltaic arrays，then a deduction is made that the optimum value of the ratio of photovoltaic power to pump power in a photovoltaic pumping system should be between 1.3 and 1.6 in most areas of Yunnan province.Measurement results indicate that at noon of a fine day，the pump works at90 percent of its rated power in a photovoltaic pumping engineering with a power ratio of 1.3.This proves the optimum value of the power ratio is effective.

Keywords：photovoltaic pump；photovoltaic pumping engineering；powermatch