CN101109387A - 具有水压控制功能的光伏水泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有水压控制功能的光伏水泵系统，该系统属于太阳能光伏利用的技术领域。其主要由太阳电池光伏阵列、电机、DC/AC变换器、水泵、蓄电池组、充放电控制器、控制器和水压传感器组成。利用太阳能电池阵列吸收日照能量，储存在蓄电池中以适应日照太弱或无日照时的需要，吸收或存储的能量通过电力变换器或者直流电机驱动器供给各种类型的电机，拖动水泵提水。同时，采用水压检测装置对水压进行检测和闭环控制，利用“移峰填谷”的办法来提高光伏水泵系统的效率，尽可能地使系统在较多时间内扬水，达到系统效率的最优化以及出水量最大化的目的。它具有无污染、全自动、高可靠性等优点。

Description

具有水压控制功能的光伏水泵系统

技术领域

本发明属于光伏水泵技术领域，具体是一种利用水压检测装置检测水压并根据水压来进行控制的高效率光伏水泵系统。

背景技术

在我国许多地区，降水量少，常年干旱，植被的生长受到限制，人类的生活用水供应非常困难，但这些地区太阳能资源非常丰富，还具有相当好的地下水资源，最好的解决办法是利用当地丰富的太阳能资源，开发无需燃料消耗、无污染、便于搬运、安装，维修简单的光伏水泵系统，将丰富的地下水通过水泵引至地表，供给人畜饮用和植被灌溉，对解决我国各地农村尤其是我国西部地区的饮用水和植被灌溉，对促进地区经济发展并防止沙漠化起着非常重要的作用。

由于光伏水泵系统价格昂贵，其效率对光伏水泵系统的推广应用具有关键性作用。由光伏水泵系统的结构可知，光伏水泵系统通常由光伏阵列、电力变换器、电机和水泵四部分构成，系统效率可由系统中各部件效率的乘积形式来描述，即

${\mathrm{\η}}_s\left(t\right)=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\η}}_i\left(t\right)---\left(1\right)$

式中η_i(t)为系统的第i个部件的瞬时效率，n为系统中的部件数量。对于光伏水泵系统来说，其系统瞬时效率的表达式可写作：

η_s(t)＝η_sp(t)η_i(t)η_m(t)η_p(t)          (2)

式中η_sp(t)为太阳能电池的瞬时转换效率，η_i(t)为变频逆变器的瞬时效率，η_m(t)为电动机的瞬时效率，η_p(t)为水泵的瞬时效率。如图1所示是光伏水泵系统的效率随日照强度变化的曲线图。

目前，提高光伏水泵系统机泵效率的方法主要是调整光伏阵列、逆变器、电机和水泵之间的参数匹配，结合机、泵的负载特性等因素进行综合考虑，从而确定一种合理的配置方案。但是这种方法在设计光伏水泵系统之前，需要对安装地的水文条件(静水位及动水位)和气象条件(日照强度的大小及变化情况)进行细致地考察，并需要进行大量的现场实验，并且受气象条件的影响很大。另一方面，由于水泵的启动需要一定的能量，使得日照较弱的时候光伏水泵系统无法启动，致使太阳能白白浪费。此外，在光照强烈的时候，水泵泵出来的水获得很多的能量，由于其静扬程不变，额外的能量转换为其动能，使得其流速增大，出水口水压升高，实际上在许多应用中，我们仅仅需要将水提至地表而不需要其满足水压指标。因此，即便光伏水泵系统的参数配置最好，其机泵效率也难以超过90％。

发明内容

为了最大程度地将太阳能转化为电能，提高光伏水泵的有效利用率，尽可能地使系统在较多时间内扬水，达到系统效率的最优化以及出水量最大化的目的，本发明提供了一种增大光伏水泵效率使其获得更多出水量的方案即具有水压控制功能的光伏水泵系统。本发明系统配备有蓄电池组和水压传感器，通过控制器，根据水泵出水口的水压情况，在日照强烈的时候将部分能量储存在蓄电池中，而在日照较弱时蓄电池释放出能量，使光伏水泵系统工作在最高效率状态。

本发明所采用的技术方案如下：一种具有水压控制功能的光伏水泵系统，主要包括太阳能光伏阵列、电机、DC/AC变换器、水泵，太阳能光伏阵列直接与DC/AC变换器相连，其特征在于：本系统还包括连接在太阳能光伏阵列与DC/AC变换器之间的蓄电池组、充放电控制器，连接在蓄电池组和DC/AC变换器之间的控制器，所述水泵的出水口安装有水压传感器；通过太阳能光伏阵列将太阳能转换为直流电，然后通过DC/AC变换器驱动电机，从而带动水泵打水，控制器通过水压传感器实现对水泵出水口水压的实时监测，并根据水压情况来控制DC/AC变换器和蓄电池组的充放电，从而来提高系统的效率。

所述太阳能光伏阵列与DC/AC变换器之间连接有DC/DC变换器，太阳能光伏阵列的输出能量先通过DC/DC变换器(主要便于MPPT即最大功率点跟踪时保持直流侧电压稳定)，再通过DC/AC变换器将能量输送给电机。

所述电机为直流电机，所述DC/AC变换器采用直流电机驱动电路代替。

所述充放电控制器可以采用二极管、继电器、接触器或开关来代替。

所述蓄电池组可以采用电容器和超级电容等储能装置代替，充放电控制器同时作相应变换。

系统具有至少一个太阳能光伏阵列、至少一个水泵和至少一个水压传感器，通过太阳能光伏阵列将太阳能转换为直流电，再通过DC/AC变换驱动电路拖动水泵打水，在此基础上通过水压传感器实现对水泵出水口水压的实时监测，并根据水压情况来控制电力变换器。

附图2所示是光伏水泵的扬程～流量特性曲线图，其中H₀DCA为管道特性曲线。在日照较弱时刻，光伏水泵的转速较慢，为n₁，此时光伏水泵系统的扬程为H₁，流量为Q₁，当日照较强时，电机转速升高为n₂，此时光伏水泵的工作点由D点转移至C点，其流量也相应地增加至Q₂，而如果我们根据光伏水泵的水压将其扬程控制在H₁附近时，其流量为Q₁，其剩余能量储存在蓄电池中，因此可以运行更长时间，其等效流量可以达到Q₀。由此可见，光伏水泵系统的扬水量将增大，其效率也相应地得以提高。

本发明的技术效果在于：

1.利用太阳电池的光生伏打效应将光能转换为电能，将光伏阵列的输出能量，再通过DC/AC变换器将能量传递给电机和水泵，或者直接将光伏阵列输出的能量通过DC/AC变换器传递给电机，带动水泵从深井、江、河、湖、塘等水源提水。

2.采用水压闭环控制方法，通过对水泵出水口水压进行实时检测来控制电力变换器的转换输出，从而方便有效地提高光伏水泵系统的效率。

3.采用蓄电池组储存日照强烈时的一部分日照能量，并在日照较弱时将能量供给水泵。这种“移峰填谷”的方式使光伏水泵系统能达到最佳能效状态。

附图说明

图1是光伏水泵系统的效率随日照强度变化的曲线图；

图2是光伏水泵系统的“扬程-流量”特性曲线图；

图3是本发明系统实施例的结构示意图；

图4是图3中控制器的控制流程图；

图5是带有DC/DC变换器的本发明系统结构示意图；

图6是三相直流无刷电机的水压反馈光伏水泵系统配置图；

图7是带有DC/DC变换器，采用三相直流无刷电机的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明系统作进一步说明。

如图3所示是本发明系统的一个实施例。其主要由太阳电池光伏阵列1、电机2、DC/AC变换器3、水泵4、蓄电池组5、充放电控制器6、控制器7、水压传感器8组成。太阳能光伏阵列1直接与DC/AC变换器3相连，蓄电池组5和充放电控制器6连接在太阳能光伏阵列1与DC/AC变换器3之间，控制器7连接在蓄电池组5和DC/AC变换器3之间。水压传感器8安装在水泵4的出水口。本系统通过太阳能光伏阵列1将太阳能转换为直流电，然后通过DC/AC变换器驱动电机2，从而带动水泵4打水，控制器6通过水压传感器8实现对水泵出水口水压的实时监测，并根据水压情况来控制DC/AC变换器3和蓄电池组5的充放电，从而来提高系统的效率。

太阳电池光伏阵列1采用三洋HIT高效率太阳能电池构成，将太阳能转换为电能；蓄电池组5采用铅酸蓄电池，用以储存日照强烈时过剩的能量；蓄电池组5的充放电控制器6采用双向DC/DC变换器，既能控制蓄电池的充电速度和深度，又能控制其发电速度和深度，双向DC/DC变换器开关器件采用三菱高速智能功率模块(IPM模块)。DC/AC变换器3主要由IPM模块及其辅助电路构成，采用三相全桥的拓扑结构，它将光伏阵列输出的直流电变换为交流电供给机泵负载；电机2采用三相交流异步电动机，水泵4采用深井潜水泵，电机和水泵采用一体化结构，地下水被潜水泵通过输水管道引至地表，供给人畜饮用和植被灌溉；控制器7以TS320F2812数字信号处理器(DSP)芯片，配备有液晶显示模块和键盘等，对系统工况进行检测、分析计算后输出DC/AC变换器和蓄电池组充放电控制器的控制信号，经过光电隔离后驱动DC/AC变换器和蓄电池组充放电控制器中的功率开关器件，实现DC/AC变换器和蓄电池组充放电控制器之间的协调控制，其控制流程框图如附图4所示。水压传感器8采用全数字式水压传感器，输出与水压对应的0-4V电压信号，经信号处理电路后送往TMS320F2812芯片进行A/D采样分析。

本系统通过水压传感器8检测水泵输出的水压来确定充放电控制器向蓄电池组5的充放电速度，使整个系统处于整体能效最高的状态。当光照强度较大时，出水口水压升高而使得光伏阵列的部分能量转化为水的动能，使得在相同的光伏阵列输出能量下光伏水泵的出水量减少。而在光照强度较弱的情况下，部分水由于能量不够而无法流出井口，这使得弱光照下光伏阵列的输出能量大量损失。为此，在日照强烈的时候，通过对水泵出水口的水压监测，将其稳定在某个最优的水压下，并将剩余的能量储存在储能装置中，在日照强度较弱时将能量释放，补充光伏阵列的输出能量。根据水压进行“移峰填谷”的办法可以提高光伏水泵系统的效率，获得更多的出水量。

系统对光伏阵列的最大功率跟踪通过DC/AC变换器和蓄电池充放电控制器的综合控制来实现，即DC/AC变换器的控制目标为光伏阵列的最大功率跟踪(MPPT)，它通过控制DC/AC变换器PWM调制的调制度来实现，在满足此条件的前提下，根据光伏水泵的水压采用比例积分(PI)控制器调节蓄电池的充放电速度，达到水压控制的目的。水压设定值根据季节的变化进行调整，不同季节设置不同的水压参考值。

如图5所示，本系统可以在太阳能光伏阵列1与DC/AC变换器3之间增加DC/DC变换器9，主要便于MPPT即最大功率点跟踪时保持直流侧电压稳定。太阳能光伏阵列1的输出能量先通过DC/DC变换器9，再通过DC/AC变换器将能量输送给电机2。光伏阵列的最大功率跟踪通过DC/AC变换器的控制来实现。为了适应不同类型和特点的电机的要求，DC/AC变换器可以用不同类型的变换器或者电机驱动电路来代替，如图6和图7所示。

这种带有水压反馈装置的光伏水泵系统，采用区别于传统提高光伏水泵系统的效率的方法，只需要外加一水压传感器就可以提高光伏水泵的效率，实现算法也比较简单，是一种较经济的解决措施。

Claims (6)

1.具有水压控制功能的光伏水泵系统，主要包括太阳能光伏阵列[1]、电机[2]、DC/AC变换器[3]、水泵[4]，太阳能光伏阵列[1]直接与DC/AC变换器[3]相连，其特征在于：本系统还包括连接在太阳能光伏阵列[1]与DC/AC变换器[3]之间的蓄电池组[5]、充放电控制器[6]，连接在蓄电池组[5]和DC/AC变换器[3]之间的控制器[7]，所述水泵[4]的出水口安装有水压传感器[8]；通过太阳能光伏阵列[1]将太阳能转换为直流电，然后通过DC/AC变换器驱动电机[2]，从而带动水泵[4]打水，控制器[6]通过水压传感器[8]实现对水泵出水口水压的实时监测，并根据水压情况来控制DC/AC变换器[3]和蓄电池组[5]的充放电，从而来提高系统的效率。

2.根据权利要求1所述的光伏水泵系统，其特征在于所述太阳能光伏阵列[1]与DC/AC变换器[3]之间连接有DC/DC变换器[9]，太阳能光伏阵列[1]的输出能量先通过DC/DC变换器[9](主要便于MPPT即最大功率点跟踪时保持直流侧电压稳定)，再通过DC/AC变换器将能量输送给电机[2]。

3.根据权利要求1或2所述的光伏水泵系统，其特征在于所述电机[2]为直流电机，所述DC/AC变换器[3]采用直流电机驱动电路代替。

4.根据权利要求1或2所述的光伏水泵系统，所述充放电控制器[6]可以采用二极管代替。

5.根据权利要求3所述的光伏水泵系统，所述充放电控制器[6]可采用二极管、继电器、接触器或开关来代替。

6.根据权利要求1所述的光伏水泵系统，其特征是所述蓄电池组[5]可以采用电容器和超级电容等储能装置代替，充放电控制器[6]同时作相应变换。

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