便攜式高能效光伏揚水系統設計

徐昌宸，陶 偉，陳高健，陳玟睿，段名浩，黃聲洪，林 奇，鄭志雄

（武夷學院 機電工程學院，福建 武夷山 354300）

伴隨著科學技術的發展，地球污染日益加劇，全球氣溫不斷升高，導致全球各地干旱地區的范圍不斷擴大，農作物的生長也因此受到嚴重影響，阻礙了社會經濟發展。研究表明，干旱地區都伴隨著晴天多、云量少、太陽輻射強及日照時間長等特征，并且由于這些地區有著豐富的地下水資源，因此光伏揚水系統就自然成為解決干旱地區農作物灌溉問題的最佳選擇。近年來，隨著光伏太陽能板技術的不斷革新和價格的持續下跌，水泵提水效率的穩步攀升，使得光伏揚水系統得以廣泛應用。

本文基于之前對光伏揚水系統的研究成果[1-6]，與太陽能發電技術的研究[7-9]，加之目前的市場需求與干旱地區的實際環境條件，提出便攜式高效能光伏揚水系統，本系統采用太陽能電池最大功率點跟蹤MPPT方法，即根據光照強度動態調節輸出頻率，據此保證系統以最大功率進行輸出，以此來實現將太陽能高效轉化為電能的目的，極大地降低了太陽能資源的損耗，相對于傳統光伏揚水系統提高了約18.6%的揚水效率。

1 系統設計方案

本系統主要由4 部分構成：光伏陣列、智能揚水控制器、光伏水泵、管道和儲水系統，其結構組成如圖1 所示。光伏陣列可根據不同環境不同需求選擇不同的光伏太陽能板組合，此外本系統未有使用蓄電池蓄電而是直接將太陽能轉化為電能驅動光伏水泵運作，降低了能源傳輸過程中的損耗，并且優化了系統結構，相較于傳統光伏揚水系統降低了約20%經濟成本，本系統通過智能揚水控制器調節和控制電壓、電流，進一步降低了能源損耗且能適應不同的水泵需求，提高了系統整體的適應能力。

圖1 光伏揚水系統結構示意圖

1.1 光伏陣列

光伏陣列是光伏揚水系統的能源組件，其最大輸出功率受氣象條件的影響，比如日照時間和環境溫度。因此，本文進行了對太陽能電池I-V 特性關系曲線的研究，如圖2 所示。太陽能電池最大功率點追蹤MPPT方法的選擇降低了氣象條件的影響，提高了系統整體的運行穩定性。

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 曲線上找到一個工作PM點，這一點就是（MPPT）最大功率點。PM點所對應的電流IM為絕佳運作電流，VM為絕佳運作電壓，PM為極大輸出功率，但是當太陽能電池不能運作在最大功率點PM點時，其運行效率都比這個定義的效率值更低，以至于達到零效率。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獲得，從而得出其最大功率PM，由于受太陽能電池內部等效的串、并聯電阻的影響，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，不僅需要考慮輻照度、日照時間、最佳傾斜角、安裝地點的環境溫度和海拔高度等，而且還需要計算光伏陣列的VO和VM。本系統通過結合武夷山茶園環境與經濟成本，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 光伏水泵設計

在光伏揚水系統中，水泵的效率和工作特性會直接影響到系統整體的運作效率，因此在選擇水泵時理應考慮水泵輸出的功率P、揚程H、流量Q，除此以外，系統揚程閾值、水泵最小運轉頻率等都要考慮進去。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，初定水泵的揚程H為25 m，綜合效率η 為0.8，可計算出水泵的功率

本文根據流量需求和實際揚程，保留一定的揚程冗余度，根據計算結果選擇了額定功率P 為400 W，額定流量Q 為2.4 m3/h 和額定揚程H 為30 m 的直流潛水泵，水泵參數見表1。

表1 水泵基本參數表

2 控制系統設計

2.1 智能光伏發電系統控制設計

光伏水泵控制系統主要由光伏陣列（太陽能發電）、Boost 電路（升壓電路，DC/DC）、控制器DC/DC 和無刷直流電機等構成，如圖5 所示。

圖5 光伏水泵控制系統結構圖

由于光伏太陽能發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，因此需要一個控制系統調節后才能實現對水泵的平穩控制。為使系統運行效率達到最高，運行狀態更具有可靠性，本系統利用基于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追蹤MPPT 方法，保證了水泵與光伏太陽能電池板相互協作的最高效率和穩定運行。

MPPT 控制電路通過與STM32 集成芯片相結合，并在光伏陣列與DC/DC 控制器之間加上一個DC/DC轉換Boost 電路，如圖6 所示。通過控制Boost 電路中開關器件的導通與關斷，即控制開關器件的占空比α來改變控制器與無刷直流電機、水泵組成的系統的輸入阻抗，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定在最大功率附近。

圖6 MPPT 控制系統基本框圖

光伏陣列的MPPT 算法的一個重要環節就是Boost 電路的設計，倘若電路中電感L 與電容C 的值較大，當可控開關V 處于接通狀態時，電源E 充電到電感L 上，與此同時，電容C 上的電壓向負載端R 供電。當V 處于斷開狀態時，因為電感L 的電流不會突變，此時，電源E 和電感L 共同為電容C 充電并提供能量給負載端R，實現電壓的提高。控制器主要由3 個功率管與續流二極管組成，如圖7 所示。

圖7 Boost 電路基本框圖

本系統設計優化的智能光伏控制器主要由STM32集成芯片進行集中控制，可在水泵運行過程中采集、監測水泵電機的線電壓信息，計算反電動勢過零點，從而產生相應的PWM 波型控制信號，以此來控制功率器件的聯通與阻斷，進而調控水泵電機的高效運轉，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容包括：①Boost 電路中開關器件的聯通與阻斷控制，并由此控制開關占空比來調節占空比α 大小來實現最大功率點跟蹤。②基于線電壓計算反電動勢過零點，并依據反電動勢過零點測算轉子位置，并產生PWM 波型控制信號。③系統程序還包括光伏揚水系統的初始化、I/O 端口的設置、A/D 轉換模塊、定時器和中斷等，中斷除了正常的中斷程序以外，也包括過流保護等重要保護模塊。

2.2 電機控制系統設計

光伏水泵是通過光伏太陽能板提供的動力來進行提水工作，其運行狀態受光伏太陽能板的制約，期于使光伏揚水系統運作更加高效穩定，光伏水泵電機也需要進行優化控制。

在PWM 控制技術已經廣泛應用的前提下，考慮到光伏揚水系統需求，揀選了電壓空間矢量調制法SVPWM 來優化控制光伏水泵電機運作。SVPWM 技術是一種磁鏈軌跡法，以電動機的磁鏈圓形軌跡作為控制的目標，進而控制電機的運轉。控制效果直觀，線路清晰且易于實現。

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的峰值，使得直流電機利用直流電的效率提高了約15.6%，SVPWM 控制結構圖如圖9所示。

圖9 SVPWM 控制結構圖

3 實驗驗證

試驗位于武夷學院天心湖旁，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、額定揚程為30 m 的直流潛水泵。實驗時間為2023 年3 月4—12 日，進行了全天候無間斷運行測試，采樣周期為5 min，選取太陽輻射和輸出功率的瞬時值為采樣點，流量為采樣點之間的平均值。雖然春季的日照時間縮短、太陽高度角降低，導致揚水量減少了約17.2%，但還是能達到20 m3/d 的供水需求，其結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驗測試成果，如圖10 所示。

圖10 日運行特性實測結果

4 結論

1）本系統由可拆卸式裝置組成，系統組合容易，極易擴容。光伏陣列組件、智能揚水控制器、光伏水泵等既可以單機組合獨立使用，也可多機組合形成多機系統，揚水效果可根據需求進行調整，使用便利，安裝簡易。

2）本系統利用太陽能電池最大功率點跟蹤MPPT方法進一步提升了太陽能轉化為電能的效率，壓縮了蓄電池的使用，進而降低了能源傳輸損耗，提高了能量傳輸效率。

3）創新性地設計了智能光伏揚水控制器，可根據日照時間動態調整水泵運行，使水泵運作功率接近光伏太陽能電池板的最大輸出功率。

4）本系統優化了光伏水泵的控制系統，采用SVPWM 磁鏈軌跡法，并且增加了零序電壓，使得電機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電路，防止因電機空載造成資源浪費和機器損耗。