便携式高能效光伏扬水系统设计

徐昌宸，陶 伟，陈高健，陈玟睿，段名浩，黄声洪，林 奇，郑志雄

（武夷学院 机电工程学院，福建 武夷山 354300）

伴随着科学技术的发展，地球污染日益加剧，全球气温不断升高，导致全球各地干旱地区的范围不断扩大，农作物的生长也因此受到严重影响，阻碍了社会经济发展。研究表明，干旱地区都伴随着晴天多、云量少、太阳辐射强及日照时间长等特征，并且由于这些地区有着丰富的地下水资源，因此光伏扬水系统就自然成为解决干旱地区农作物灌溉问题的最佳选择。近年来，随着光伏太阳能板技术的不断革新和价格的持续下跌，水泵提水效率的稳步攀升，使得光伏扬水系统得以广泛应用。

本文基于之前对光伏扬水系统的研究成果[1-6]，与太阳能发电技术的研究[7-9]，加之目前的市场需求与干旱地区的实际环境条件，提出便携式高效能光伏扬水系统，本系统采用太阳能电池最大功率点跟踪MPPT方法，即根据光照强度动态调节输出频率，据此保证系统以最大功率进行输出，以此来实现将太阳能高效转化为电能的目的，极大地降低了太阳能资源的损耗，相对于传统光伏扬水系统提高了约18.6%的扬水效率。

1 系统设计方案

本系统主要由4 部分构成：光伏阵列、智能扬水控制器、光伏水泵、管道和储水系统，其结构组成如图1 所示。光伏阵列可根据不同环境不同需求选择不同的光伏太阳能板组合，此外本系统未有使用蓄电池蓄电而是直接将太阳能转化为电能驱动光伏水泵运作，降低了能源传输过程中的损耗，并且优化了系统结构，相较于传统光伏扬水系统降低了约20%经济成本，本系统通过智能扬水控制器调节和控制电压、电流，进一步降低了能源损耗且能适应不同的水泵需求，提高了系统整体的适应能力。

图1 光伏扬水系统结构示意图

1.1 光伏阵列

光伏阵列是光伏扬水系统的能源组件，其最大输出功率受气象条件的影响，比如日照时间和环境温度。因此，本文进行了对太阳能电池I-V 特性关系曲线的研究，如图2 所示。太阳能电池最大功率点追踪MPPT方法的选择降低了气象条件的影响，提高了系统整体的运行稳定性。

图2 太阳能电池的I-V 特性曲线图

在图2 中，总能够在I-V 曲线上找到一个工作PM点，这一点就是（MPPT）最大功率点。PM点所对应的电流IM为绝佳运作电流，VM为绝佳运作电压，PM为极大输出功率，但是当太阳能电池不能运作在最大功率点PM点时，其运行效率都比这个定义的效率值更低，以至于达到零效率。理论上讲，该光伏太阳能板的最佳工作电压VM、电流IM都可以通过对输出功率求导获得，从而得出其最大功率PM，由于受太阳能电池内部等效的串、并联电阻的影响，此方程具有非线性，故此求出其解析解几乎无望，其特性也无法用线性方程表示，太阳能电池的P-V 曲线如图3所示。

图3 太阳能电池的P-V 特性曲线图

因此，在选择光伏阵列太阳能板的同时，不仅需要考虑辐照度、日照时间、最佳倾斜角、安装地点的环境温度和海拔高度等，而且还需要计算光伏阵列的VO和VM。本系统通过结合武夷山茶园环境与经济成本，选择了2 块380 W/47 V 的太阳能光伏阵列板，如图4 所示。

图4 光伏阵列示意图

1.2 光伏水泵设计

在光伏扬水系统中，水泵的效率和工作特性会直接影响到系统整体的运作效率，因此在选择水泵时理应考虑水泵输出的功率P、扬程H、流量Q，除此以外，系统扬程阈值、水泵最小运转频率等都要考虑进去。通过对武夷山茶园灌溉的勘察，平均每660 m2的土地需要约10 t 的水进行滴灌，且茶园大多为梯田状，水量损失较大，取平均流量Q 为2 m3/h 的水泵，初定水泵的扬程H为25 m，综合效率η 为0.8，可计算出水泵的功率

本文根据流量需求和实际扬程，保留一定的扬程冗余度，根据计算结果选择了额定功率P 为400 W，额定流量Q 为2.4 m3/h 和额定扬程H 为30 m 的直流潜水泵，水泵参数见表1。

表1 水泵基本参数表

2 控制系统设计

2.1 智能光伏发电系统控制设计

光伏水泵控制系统主要由光伏阵列（太阳能发电）、Boost 电路（升压电路，DC/DC）、控制器DC/DC 和无刷直流电机等构成，如图5 所示。

图5 光伏水泵控制系统结构图

由于光伏太阳能发电随着太阳辐射的变化而变化，所以太阳能电池不是恒流源，也不是恒压源，而是非线性直流电源，因此需要一个控制系统调节后才能实现对水泵的平稳控制。为使系统运行效率达到最高，运行状态更具有可靠性，本系统利用基于STM32 芯片的控制电路、升压电路、逆变电路等，再加上采用太阳能电池最大功率点追踪MPPT 方法，保证了水泵与光伏太阳能电池板相互协作的最高效率和稳定运行。

MPPT 控制电路通过与STM32 集成芯片相结合，并在光伏阵列与DC/DC 控制器之间加上一个DC/DC转换Boost 电路，如图6 所示。通过控制Boost 电路中开关器件的导通与关断，即控制开关器件的占空比α来改变控制器与无刷直流电机、水泵组成的系统的输入阻抗，使之匹配光伏阵列的输出阻抗，这样就可以使得光伏阵列输出功率稳定在最大功率附近。

图6 MPPT 控制系统基本框图

光伏阵列的MPPT 算法的一个重要环节就是Boost 电路的设计，倘若电路中电感L 与电容C 的值较大，当可控开关V 处于接通状态时，电源E 充电到电感L 上，与此同时，电容C 上的电压向负载端R 供电。当V 处于断开状态时，因为电感L 的电流不会突变，此时，电源E 和电感L 共同为电容C 充电并提供能量给负载端R，实现电压的提高。控制器主要由3 个功率管与续流二极管组成，如图7 所示。

图7 Boost 电路基本框图

本系统设计优化的智能光伏控制器主要由STM32集成芯片进行集中控制，可在水泵运行过程中采集、监测水泵电机的线电压信息，计算反电动势过零点，从而产生相应的PWM 波型控制信号，以此来控制功率器件的联通与阻断，进而调控水泵电机的高效运转，智能光伏控制器如图8 所示。

图8 智能光伏控制器

智能光伏控制器的控制内容包括：①Boost 电路中开关器件的联通与阻断控制，并由此控制开关占空比来调节占空比α 大小来实现最大功率点跟踪。②基于线电压计算反电动势过零点，并依据反电动势过零点测算转子位置，并产生PWM 波型控制信号。③系统程序还包括光伏扬水系统的初始化、I/O 端口的设置、A/D 转换模块、定时器和中断等，中断除了正常的中断程序以外，也包括过流保护等重要保护模块。

2.2 电机控制系统设计

光伏水泵是通过光伏太阳能板提供的动力来进行提水工作，其运行状态受光伏太阳能板的制约，期于使光伏扬水系统运作更加高效稳定，光伏水泵电机也需要进行优化控制。

在PWM 控制技术已经广泛应用的前提下，考虑到光伏扬水系统需求，拣选了电压空间矢量调制法SVPWM 来优化控制光伏水泵电机运作。SVPWM 技术是一种磁链轨迹法，以电动机的磁链圆形轨迹作为控制的目标，进而控制电机的运转。控制效果直观，线路清晰且易于实现。

不仅如此，再加上零序电压的注入，降低了合成电压在直流电压中点的峰值，使得直流电机利用直流电的效率提高了约15.6%，SVPWM 控制结构图如图9所示。

图9 SVPWM 控制结构图

3 实验验证

试验位于武夷学院天心湖旁，北纬27.5°，光伏阵列采用2 块380 W/47V 的太阳能板，选用额定流量2.4 m3/h、额定扬程为30 m 的直流潜水泵。实验时间为2023 年3 月4—12 日，进行了全天候无间断运行测试，采样周期为5 min，选取太阳辐射和输出功率的瞬时值为采样点，流量为采样点之间的平均值。虽然春季的日照时间缩短、太阳高度角降低，导致扬水量减少了约17.2%，但还是能达到20 m3/d 的供水需求，其结果与理论值基本相吻合，本文选择了其中较为具有代表性和象征性的实验测试成果，如图10 所示。

图10 日运行特性实测结果

4 结论

1）本系统由可拆卸式装置组成，系统组合容易，极易扩容。光伏阵列组件、智能扬水控制器、光伏水泵等既可以单机组合独立使用，也可多机组合形成多机系统，扬水效果可根据需求进行调整，使用便利，安装简易。

2）本系统利用太阳能电池最大功率点跟踪MPPT方法进一步提升了太阳能转化为电能的效率，压缩了蓄电池的使用，进而降低了能源传输损耗，提高了能量传输效率。

3）创新性地设计了智能光伏扬水控制器，可根据日照时间动态调整水泵运行，使水泵运作功率接近光伏太阳能电池板的最大输出功率。

4）本系统优化了光伏水泵的控制系统，采用SVPWM 磁链轨迹法，并且增加了零序电压，使得电机在利用直流电的效率方面有所提高，并且在其中增添了低水位防护电路，防止因电机空载造成资源浪费和机器损耗。