太阳能光伏水泵系统的基本结构

太阳能光伏水泵系统的基本组成

光伏水泵系统大致由光伏阵列、控制器、电机和水泵四部分组成。

1.1 光伏阵列

光伏阵列由大量串并联的太阳能电池组成，其功能是将太阳能直接转换为直流电能。目前，光伏水泵系统中使用的太阳能电池大多是硅太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。太阳能电池的伏安特性曲线如图所示：它具有很强的非线性。

光伏阵列的伏安特性曲线与单个太阳能电池的形状相同。如果忽略单个太阳能电池片生产过程的差异和组件之间的连接电阻，则具有理想的一致性。光伏阵列的伏安特性曲线可以看作是串并联放大的单个太阳能电池的伏安特性曲线坐标的尺度。

1.2 控制器

光伏阵列的输出特性曲线具有很强的线性关系，与太阳辐照度、环境温度、阴天、晴天、雨天、雾天等气象条件密切相关。它的输出随着阳光的变化而变化。直流电源，以及光伏水泵作为负载的 光伏阵列，其驱动电机有时是直流电动机，有时是交流电动机甚至其他新型电动机，它们也具有非线性特性。在这种情况下，为了使光伏泵系统工作在相对理想的工作状态，并在任何阳光下最大限度地发挥光伏阵列的输出功率潜力，需要一个适配器，以实现负载与光伏阵列之间和谐、高效、稳定的工作状态。适配器的内容主要是最大功率点跟踪器、逆变器和一些保护设施。

1.2.1 最大功率点跟踪器 （MPPT）

从光伏阵列的伏安特性曲线可以看出，光伏阵列在不同太阳辐照度下的最大功率点位置并不是固定的，当环境温度发生变化时，相同辐照度对应的最大功率点位置也会发生变化。为了实现最大的功率点跟踪，在当下的阳光下获得最大的能量，MPPT通常被制成两种形式，下面介绍一下。• 恒压最大功率点跟踪器（CVT 型 MPPT）。

仔细查看图中代表最大功率输出的黑点，即最大功率点的位置。它们都位于 Umax=const 的直线附近，尤其是在阳光强烈时，它们更接近 Umax=const。同时，考虑到 光伏阵列性能优良，在相同的阳光条件下，其开路电压 UOC 会降低，短路电流 Isc 会略有增加。考虑到日照高时环境温度一般较高，日照低时环境温度普遍较低的特点，结合太阳能电池的温度特性，它们正好有利于使一天内最大功率点的轨迹更接近一条垂直线 Umax=const。也就是说，在工程学中，人们被允许将最大功率点的轨迹近似为一条垂直线 Umax=const，这构成了 TcvT MPPT 的理论基础。

• 真正的 MPPT

T型MPPT有其缺点，主要是光伏阵列的开路电压Uoc和最大功率点电压U受温度影响很大。一旦设定了 Um，冬天和夏天就会有很大的偏差，不经意间会损失相当多的能量。因此，随着微机芯片的性能/价格及其实时性能的不断提高，许多系统已经开始采用“真正的 MPPT”技术。

在“真MPPT”技术中，人们采用自我优化的理念，实时测量光伏阵列的输出功率，并自动发现 比较后的最大功率点。不断的搜索，不断的调整，不断的再次搜索......，等等，系统总是处于微调状态。这种“真正的 MPPT”可以自动适应冬夏温差大，无需人工干预，对提高系统全年的效率非常有帮助。

1.2.2 变频逆变器

光伏阵列通过最大功率点跟踪器后的输出是直流电压。如果水泵使用的驱动电机是直流电电机，当然，当两者的电压值适应时，可以直接连接。电机会带动水泵旋转抽水，比如早些年美国Solarjack公司的静音产品。由于直流电动机的成本一般较高，因此还需要定期维护或更换其电刷。近年来，由于新的速度控制理论和电力电子器件和技术的进步，交流速度控制技术取得了长足的进步。它的效率已逐渐赶上直流电机，而其便利性和坚固性则远超直流电机。因此，有刷直流电动机的驱动方式正在逐渐被淘汰，主要由高效三相异步电动机和直流无刷电动机取代，偶尔也用永磁同步电动机 使用电机或不情愿电机。后一种类型的电机必须由专用的变频装置或相应的电力电子驱动电路驱动。： 这里以三相异步电动机驱动的基本原理为例进行说明。

交流驱动通常分为两大类：方波驱动（包括阶跃波驱动）和正弦波驱动。一般来说，功率较低（300W以下）的光伏水泵系统大多采用方波驱动，而当功率较高时，常采用正弦波驱动来限制谐波损耗。无论使用哪种类型的驱动器，其基本电路结构都可以分为以下四个部分，即：

（1）开关电源部分：其功能是为控制器提供动力。控制器通常需要 ±5V 或 +12V 等控制电源，而太阳能电池阵列的输出电压在大多数情况下不能直接用于此目的。因此，需要一个 DC/DC 转换器件，将阵列的直流电压转换为所需的直流电压，即开关电源。

（2） 主电路及其驱动电路

作为主电路的三相逆变电路的主要元件是电力电子器件，它们构成了一个全桥逆变电路。大容量电解电容器作为储能元件直接连接在直流侧。当逆变器电路关闭时，太阳能电池阵列为电容器充电。当逆变器电路导通时，电容器和太阳能电池阵列一起为负载供电。

驱动电路的设计和制作应仔细进行。使用功率 MOSFET 时，栅极驱动电路应具有良好的性能。

3） 控制电路

目前，许多光伏水泵的控制电路都采用了先进的单片机技术。经过 MsC-51 系列和 MCS96 系列的开发过程，最近推出了比较令人满意的 8XCI96 系列，包括专门用于电机调速的 80C196MC 系列。除了 196 系列的许多常见特征外，它还具有特别适用于电机驱动的特点。通过汇编语言编程，以下功能主要在这个系统中完成。

• 完成系统所需的过流、欠压、低速、干保护等保护功能，并显示故障状态;

• 检测主电路直流侧的电流和电压，计算太阳能电池阵列的输出功率，完成变频调速过程中阵列输出最大功率点的跟踪;

• 根据磁通跟踪或其他相应的变频调速原理，发送 SPWM 信号。

（4） 保护电路

为了系统的安全运行，需要设置如过流、过压、过载、欠载、欠压、井水干涸、停机后各种条件下自动重启......根据所选的控制装置和控制电路，电路中应设置许多保护环节。由于光伏水泵在大多数情况下是“日出时启动，日落时停止”并且完全自动工作，因此必须采用非常可靠的保护措施。

1.3 电机和水泵

光伏水泵系统的所有措施都是为了确保稳定可靠的出水，或者换句话说，必须在电机和水泵的工作中实施。它们通常构成一个组件，需要最大的可靠性和高效率。对于光伏水泵来说，电机和水泵的组合并不像普通电机和水泵的组合那样“随意”。由于电机的功率水平和电压水平在很大程度上受太阳能电池阵列的电压水平和功率水平的限制，因此当对泵扬程和流量的要求反映在电机上时，往往需要在考虑阵列结构的情况下进行专门设计。由于不同用户的不同要求，驱动电机光伏水泵包括：不同电压等级的传统直流电动机、直流无刷永磁电动机、三相异步电动机、永磁同步电动机、磁阻电动机等。从目前的使用情况来看，三相异步电动机和直流无刷电动机最多，大功率系统仍以高效三相异步电动机为主。在设计电机时，应充分考虑光伏水泵的具体运行条件，主要有：变频运行、大型 早晚负载率的变化等。在这种情况下，我们应该努力使电机的总平均效率在一天和全年中达到最高。它不像普通电机那样可以认为总是由恒压电源驱动。

光伏水泵系统中水泵的选型和设计也非常特殊。根据用户对流量和扬程的不同要求，在经济性和可靠性的基础上，可根据以下原则选择泵的型号：

要求小流量、高扬程的用户应选择容积式水泵;要求流量大、扬程高的用户应选择潜水电泵;需要大流量但扬程低的用户通常应使用自吸水泵。

2. 光伏水泵系统的效率和特点

系统效率 ηsys 可以是瞬时系统效率、小时平均系统效率、日平均系数效率、月平均系统效率、季度平均系统效率、年平均系统效率等。在计算这些效率时，需要注意的是，在上面的定义公式中，为分子和分母选择的积分极限是相同的小时、日、月、季度或年，这通常很容易 混淆例如将日平均效率视为每小时平均效率的算术平均值，或将月平均效率视为一个月中每天的日平均效率的平均值。

商用光伏水泵系统的系统效率一般在 1% 到 6% 之间。产品质量参差不齐。此外，由于太阳能电池的效率包含在系统效率中，因此很难根据系统判断逆变器和泵组件等主要部件的效率 。因此，太阳能电池的效率通常在市场上被排除在外，并给出了“泵系统效率”。在这里，“系统”一词是指考虑了 MPPT 和变频逆变器的效率。从目前世界市场的产品情况来看，泵系统的效率差异很大，最高达到 60% 左右，最低只有 10% 左右。当然，不同的功率水平、泵类型和电机类型会有不同的效率范围。在保证其可靠性的前提下，应仔细考虑其在一定时间内的性能/价格比。

光伏水泵系统每天的出水量受天气（主要是阳光）影响很大，很难给出具体结果。相应的系统工作状态只能根据特定日期的具体日照分布给出。

例如，对于光伏水泵系统，升水开始时的太阳辐照度（对应一定的扬程值）约为 420w/m2（大约早上 7：50）。当扬程等于这个确定值时，人们称这个“420W/m2”为系统的“提水阈值”。水举阈值是衡量光伏水泵系统工作状态的重要指标。这取决于光伏水泵系统的质量和太阳能电池阵列的尺寸。对于具有相同阵列容量和扬程的同一系统，阈值越小越好，这意味着泵抽水的时间越早、越多。

为进一步发展和改进光伏水泵系统的设计、制造和测试，我国推出了系统仿真、系统CAD和优化配置等相应的软件包。