恒定電壓跟蹤光伏水泵系統(tǒng)瞬態(tài)工作點特性分析

摘要：采用定電壓跟蹤器(CVT)的光伏水泵系統(tǒng)在不同地區(qū)已成功地投入實際應用。實地運行數(shù)據(jù)表明,CVT不能適應太陽電池方陣伏安特性的變化,使系統(tǒng)瞬態(tài)工作點偏離方陣輸出最大功率點，導致系統(tǒng)功率損失。報道了2.5kWp光伏水泵系統(tǒng)的基本構(gòu)成和典型實地運行數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)瞬態(tài)工作點特性進行了分析討論。

關(guān)鍵詞：光伏水泵系統(tǒng)；瞬態(tài)工作點；數(shù)據(jù)分析

1  引言

    光伏水泵系統(tǒng)是典型的光機電一體化高新技術(shù)，為聯(lián)合國國際開發(fā)署（UNDP）向發(fā)展中國家推薦的首選技術(shù)。據(jù)報道全世界已有數(shù)萬臺不同規(guī)格的光伏水泵系統(tǒng)投入了運行，且其應用規(guī)模在逐年擴大，特別是在亞、非、拉等發(fā)展中國家。據(jù)報道印度近五年來新安裝的光伏水泵系統(tǒng)約有4000臺套，并計劃再推廣安裝50000臺套。預計到2010年世界上將有50萬套光伏水泵系統(tǒng)投入運行。我國經(jīng)過十幾年的努力,已成功地研制出2.5kW和5kW光伏水泵系統(tǒng)，并在不同地區(qū)相繼投入實地運行。目前這些系統(tǒng)基本上采用恒定電壓跟蹤器(CVT)代替最大功率點跟蹤器(MPPT)。對于全年冬夏溫差較大的地區(qū)，由于CVT不能適應太陽電池方陣伏安特性隨光強和溫度的變化，引起系統(tǒng)工作點偏離太陽電池方陣最大功率點，造成系統(tǒng)失配損失。本文介紹2.5kW光伏水泵系統(tǒng)的構(gòu)成和典型的實地運行試驗數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)典型的日瞬態(tài)工作點特性進行了分析討論。

2  系統(tǒng)基本構(gòu)成

    光伏水泵系統(tǒng)主要由太陽電池方陣，逆變控制器，電機和水泵四部分構(gòu)成。太陽電池方陣由四組并聯(lián)組成，每組由18塊35W單晶硅太陽能電池組件串聯(lián)組成。單塊組件工作電壓約為17V,工作電流約為2A。每組工作電壓約為306V，工作電流約為2A。方陣總輸出工作電壓約為DC306V，總工作電流約為8A，標稱輸出總功率2500W。

    逆變控制器將太陽電池方陣輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡斎腚妷篋C300V，額定輸出電壓AC220V，起始工作頻率25Hz。主要由定電壓跟蹤器（CVT），Duck式DC/DC變換器、可控壓控振蕩器(V/f），環(huán)形分配器，逆變器的驅(qū)動及主電路，為控制電路供電的DC/DC變換器六部分組成。

    三相異步電動機和潛水泵構(gòu)成潛水電泵總成，變頻運行。電機標稱功率1.5kW，額定工作電壓三相220V。水泵為6英寸5級潛水泵，額定揚程45m。

3  實地運行數(shù)據(jù)采集

    太陽電池方陣安裝方位為南偏西10°，傾角30°～55°可調(diào)。逆變控制器置于泵站室內(nèi)陰涼、通風、干燥處。潛水泵置于機井內(nèi)動態(tài)水位以下15m，出水管采用法蘭連接。系統(tǒng)安裝完成后，先檢查太陽電池方陣的輸出電壓，再將四組太陽電池方陣逐一并聯(lián)接入逆變控制器，啟動逆變器驅(qū)動電機進行運行實驗,采集數(shù)據(jù)。圖1為現(xiàn)場太陽電池方陣實物照片。

圖1  光伏水泵系統(tǒng)太陽電池方陣實物照片

    運行數(shù)據(jù)采集所用儀器儀表為

    1）國產(chǎn)DT9907C型數(shù)字萬用表；

    2）日產(chǎn)HCL－60數(shù)字溫度計；

    3）II級標準太陽電池（標準值I_sc=159.11mA）。將標準太陽電池固定在太陽電池方陣面上，測定入射到方陣面上瞬時太陽輻射強度。同時測定方陣輸出工作電流，工作電壓，組件溫度和環(huán)境溫度。每隔1h采集一次數(shù)據(jù)，典型日實地運行數(shù)據(jù)見表1。

表1  2.5kW光伏水泵系統(tǒng)典型日實地運行數(shù)據(jù)

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4  數(shù)據(jù)分析與討論

    由典型日運行數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)瞬時工作電壓基本跟蹤在296V附近,并隨太陽輻射強度和組件溫度的變化而漂移。分析表1的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當太陽輻射強度為730W/m²，組件溫度50℃，方陣工作電壓296V時，方陣工作電流達6.4A。而當太陽輻射強度為830W/m²，組件溫度58℃，方陣工作電壓298V時，方陣工作電流為6.0A。方陣工作電流隨太陽輻射強度的增加反而減小，反映了系統(tǒng)瞬態(tài)工作點偏離了最大功率點。圖2為某典型日太陽輻射強度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時變化。由此可進一步看出，在方陣工作電壓基本恒定的情況下，方陣工作電流開始隨太陽輻射強度的增加而線性增加，當達到某一值時隨太陽輻射強度的增加反而下降。當太陽輻射強度減小時，方陣工作電流開始略有增加隨后線性下降。在太陽輻射較強的時段方陣工作電流出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。這是因為隨組件溫度的升高方陣伏安特性變差，CVT不能適應這種瞬態(tài)變化使系統(tǒng)偏離最大功率點，導致功率損失。

圖2  太陽輻射強度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時變化

     圖3為組件溫度隨太陽輻射強度的瞬時變化情況，由此可看出環(huán)境溫度基本恒定，組件溫度隨太陽輻射強度的變化近似線性變化，當環(huán)境溫度30℃,太陽輻射強度為750W/m²時,組件溫度達60℃，太陽輻射強度和組件溫度的變化導致系統(tǒng)工作點的漂移。圖4為典型日系統(tǒng)瞬態(tài)工作點變化情況。綜合分析可知，夏季在太陽輻射較強的時段工作電壓設(shè)定在296V偏高，不能使系統(tǒng)有效地工作。

圖3  組件溫度隨太陽輻射強度的瞬時變化

圖4  典型日系統(tǒng)瞬態(tài)工作點變化情況

5  結(jié)語

    光伏水泵系統(tǒng)采用定電壓跟蹤器(CVT)雖然制作簡單成本較低,但系統(tǒng)瞬態(tài)工作點不能適應太陽電池方陣伏安特性隨溫度和光強的瞬態(tài)變化。在方陣工作電壓基本恒定的情況下，方陣工作電流隨太陽輻射強度的變化出現(xiàn)反常現(xiàn)象。系統(tǒng)工作點偏離方陣輸出最大功率點，導致系統(tǒng)功率損失。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為使光伏水泵系統(tǒng)發(fā)揮應有的作用，從技術(shù)上應真正實現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)，使系統(tǒng)更經(jīng)濟合理。