恒定電壓跟蹤光伏水泵系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用。實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,CVT不能適應(yīng)太陽(yáng)電池方陣伏安特性的變化,使系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)偏離方陣輸出最大功率點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)功率損失。報(bào)道了2.5kWp光伏水泵系統(tǒng)的基本構(gòu)成和典型實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)特性進(jìn)行了分析討論。

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

1  引言

    光伏水泵系統(tǒng)是典型的光機(jī)電一體化高新技術(shù)，為聯(lián)合國(guó)國(guó)際開(kāi)發(fā)署（UNDP）向發(fā)展中國(guó)家推薦的首選技術(shù)。據(jù)報(bào)道全世界已有數(shù)萬(wàn)臺(tái)不同規(guī)格的光伏水泵系統(tǒng)投入了運(yùn)行，且其應(yīng)用規(guī)模在逐年擴(kuò)大，特別是在亞、非、拉等發(fā)展中國(guó)家。據(jù)報(bào)道印度近五年來(lái)新安裝的光伏水泵系統(tǒng)約有4000臺(tái)套，并計(jì)劃再推廣安裝50000臺(tái)套。預(yù)計(jì)到2010年世界上將有50萬(wàn)套光伏水泵系統(tǒng)投入運(yùn)行。我國(guó)經(jīng)過(guò)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(shí)地運(yùn)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(diǎn)跟蹤器(MPPT)。對(duì)于全年冬夏溫差較大的地區(qū)，由于CVT不能適應(yīng)太陽(yáng)電池方陣伏安特性隨光強(qiáng)和溫度的變化，引起系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離太陽(yáng)電池方陣最大功率點(diǎn)，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(shí)地運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)典型的日瞬態(tài)工作點(diǎn)特性進(jìn)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(yáng)電池方陣，逆變控制器，電機(jī)和水泵四部分構(gòu)成。太陽(yáng)電池方陣由四組并聯(lián)組成，每組由18塊35W單晶硅太陽(yáng)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(biāo)稱輸出總功率2500W。

    逆變控制器將太陽(yáng)電池方陣輸出的直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，輸入電壓DC300V，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(dòng)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(dòng)機(jī)和潛水泵構(gòu)成潛水電泵總成，變頻運(yùn)行。電機(jī)標(biāo)稱功率1.5kW，額定工作電壓三相220V。水泵為6英寸5級(jí)潛水泵，額定揚(yáng)程45m。

3  實(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

    太陽(yáng)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(fēng)、干燥處。潛水泵置于機(jī)井內(nèi)動(dòng)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(yáng)電池方陣的輸出電壓，再將四組太陽(yáng)電池方陣逐一并聯(lián)接入逆變控制器，啟動(dòng)逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)行實(shí)驗(yàn),采集數(shù)據(jù)。圖1為現(xiàn)場(chǎng)太陽(yáng)電池方陣實(shí)物照片。

圖1  光伏水泵系統(tǒng)太陽(yáng)電池方陣實(shí)物照片

    運(yùn)行數(shù)據(jù)采集所用儀器儀表為

    1）國(guó)產(chǎn)DT9907C型數(shù)字萬(wàn)用表；

    2）日產(chǎn)HCL－60數(shù)字溫度計(jì)；

    3）II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池（標(biāo)準(zhǔn)值I_sc=159.11mA）。將標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池固定在太陽(yáng)電池方陣面上，測(cè)定入射到方陣面上瞬時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。同時(shí)測(cè)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(shí)地運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

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

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4  數(shù)據(jù)分析與討論

    由典型日運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出,系統(tǒng)瞬時(shí)工作電壓基本跟蹤在296V附近,并隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)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(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為730W/m²，組件溫度50℃，方陣工作電壓296V時(shí)，方陣工作電流達(dá)6.4A。而當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為830W/m²，組件溫度58℃，方陣工作電壓298V時(shí)，方陣工作電流為6.0A。方陣工作電流隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加反而減小，反映了系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)偏離了最大功率點(diǎn)。圖2為某典型日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時(shí)變化。由此可進(jìn)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(kāi)始隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而線性增加，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加反而下降。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減小時(shí)，方陣工作電流開(kāi)始略有增加隨后線性下降。在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)段方陣工作電流出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。這是因?yàn)殡S組件溫度的升高方陣伏安特性變差，CVT不能適應(yīng)這種瞬態(tài)變化使系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn)，導(dǎo)致功率損失。

圖2  太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時(shí)變化

     圖3為組件溫度隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的瞬時(shí)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(yáng)輻射強(qiáng)度的變化近似線性變化，當(dāng)環(huán)境溫度30℃,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為750W/m²時(shí),組件溫度達(dá)60℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和組件溫度的變化導(dǎo)致系統(tǒng)工作點(diǎn)的漂移。圖4為典型日系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)變化情況。綜合分析可知，夏季在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的時(shí)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(yáng)輻射強(qiáng)度的瞬時(shí)變化

圖4  典型日系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)變化情況

5  結(jié)語(yǔ)

    光伏水泵系統(tǒng)采用定電壓跟蹤器(CVT)雖然制作簡(jiǎn)單成本較低,但系統(tǒng)瞬態(tài)工作點(diǎn)不能適應(yīng)太陽(yáng)電池方陣伏安特性隨溫度和光強(qiáng)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(yáng)輻射強(qiáng)度的變化出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離方陣輸出最大功率點(diǎn)，導(dǎo)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(yīng)有的作用，從技術(shù)上應(yīng)真正實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)，使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)合理。