恒定电压跟踪光伏水泵系统瞬态工作点特性分析

　　1  引言

　　光伏水泵系统是典型的光机电一体化高新技术，为联合国国际开发署（UNDP）向发展中国家推荐的首选技术。据报道全世界已有数万台不同规格的光伏水泵系统投入了运行，且其应用规模在逐年扩大，特别是在亚、非、拉等发展中国家。据报道印度近五年来新安装的光伏水泵系统约有4000台套，并计划再推广安装50000台套。预计到2010年世界上将有50万套光伏水泵系统投入运行。我国经过十几年的努力,已成功地研制出2.5kW和5kW光伏水泵系统，并在不同地区相继投入实地运行。目前这些系统基本上采用恒定电压跟踪器(CVT)代替最大功率点跟踪器(MPPT)。对于全年冬夏温差较大的地区，由于CVT不能适应太阳电池方阵伏安特性随光强和温度的变化，引起系统工作点偏离太阳电池方阵最大功率点，造成系统失配损失。本文介绍2.5kW光伏水泵系统的构成和典型的实地运行试验数据，并对系统典型的日瞬态工作点特性进行了分析讨论。

　　2  系统基本构成

　　光伏水泵系统主要由太阳电池方阵，逆变控制器，电机和水泵四部分构成。太阳电池方阵由四组并联组成，每组由18块35W单晶硅太阳能电池组件串联组成。单块组件工作电压约为17V,工作电流约为2A。每组工作电压约为306V，工作电流约为2A。方阵总输出工作电压约为DC306V，总工作电流约为8A，标称输出总功率2500W。

　　逆变控制器将太阳电池方阵输出的直流电逆变为三相交流电，输入电压DC300V，额定输出电压AC220V，起始工作频率25Hz。主要由定电压跟踪器（CVT），Duck式DC/DC变换器、可控压控振荡器(V/f），环形分配器，逆变器的驱动及主电路，为控制电路供电的DC/DC变换器六部分组成。

　　三相异步电动机和潜水泵构成潜水电泵总成，变频运行。电机标称功率1.5kW，额定工作电压三相220V。水泵为6英寸5级潜水泵，额定扬程45m。

　　3  实地运行数据采集

　　太阳电池方阵安装方位为南偏西10°，倾角30°～55°可调。逆变控制器置于泵站室内阴凉、通风、干燥处。潜水泵置于机井内动态水位以下15m，出水管采用法兰连接。系统安装完成后，先检查太阳电池方阵的输出电压，再将四组太阳电池方阵逐一并联接入逆变控制器，启动逆变器驱动电机进行运行实验,采集数据。图1为现场太阳电池方阵实物照片。

图1  光伏水泵系统太阳电池方阵实物照片

　　运行数据采集所用仪器仪表为

　　1）国产DT9907C型数字万用表；

　　2）日产HCL－60数字温度计；

　　3）II级标准太阳电池（标准值Isc=159.11mA）。将标准太阳电池固定在太阳电池方阵面上，测定入射到方阵面上瞬时太阳辐射强度。同时测定方阵输出工作电流，工作电压，组件温度和环境温度。每隔1h采集一次数据，典型日实地运行数据见表1。

表1  2.5kW光伏水泵系统典型日实地运行数据

　　4  数据分析与讨论

　　由典型日运行数据可以看出,系统瞬时工作电压基本跟踪在296V附近,并随太阳辐射强度和组件温度的变化而漂移。分析表1的数据发现，当太阳辐射强度为730W/m2，组件温度50℃，方阵工作电压296V时，方阵工作电流达6.4A。而当太阳辐射强度为830W/m2，组件温度58℃，方阵工作电压298V时，方阵工作电流为6.0A。方阵工作电流随太阳辐射强度的增加反而减小，反映了系统瞬态工作点偏离了最大功率点。图2为某典型日太阳辐射强度、方阵工作电压和工作电流的瞬时变化。由此可进一步看出，在方阵工作电压基本恒定的情况下，方阵工作电流开始随太阳辐射强度的增加而线性增加，当达到某一值时随太阳辐射强度的增加反而下降。当太阳辐射强度减小时，方阵工作电流开始略有增加随后线性下降。在太阳辐射较强的时段方阵工作电流出现反常现象。这是因为随组件温度的升高方阵伏安特性变差，CVT不能适应这种瞬态变化使系统偏离最大功率点，导致功率损失。

图2  太阳辐射强度、方阵工作电压和工作电流的瞬时变化

　　图3为组件温度随太阳辐射强度的瞬时变化情况，由此可看出环境温度基本恒定，组件温度随太阳辐射强度的变化近似线性变化，当环境温度30℃,太阳辐射强度为750W/m2时,组件温度达60℃，太阳辐射强度和组件温度的变化导致系统工作点的漂移。图4为典型日系统瞬态工作点变化情况。综合分析可知，夏季在太阳辐射较强的时段工作电压设定在296V偏高，不能使系统有效地工作。

图3  组件温度随太阳辐射强度的瞬时变化

图4  典型日系统瞬态工作点变化情况

　　5  结语

　　光伏水泵系统采用定电压跟踪器(CVT)虽然制作简单成本较低,但系统瞬态工作点不能适应太阳电池方阵伏安特性随温度和光强的瞬态变化。在方阵工作电压基本恒定的情况下，方阵工作电流随太阳辐射强度的变化出现反常现象。系统工作点偏离方阵输出最大功率点，导致系统功率损失。随着微电子技术和电力电子技术的发展，为使光伏水泵系统发挥应有的作用，从技术上应真正实现最大功率跟踪(MPPT)，使系统更经济合理。