CN103075329A - 一种新型光伏水泵控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种新型光伏水泵控制系统。其特征是将两个小片太阳电池采用与光伏方阵相同的材料和工艺封装起来，用镀锡焊带将这两个小片太阳电池的输出引出来，构成采样小组件，将采样小组件与光伏方阵安装成相同方位及倾角，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为温度的采样，使用这个采用小组件能同时获得光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度数据；或者将两个小片太阳电池直接封装在光伏组件中，该组件的引出接线盒中增加两路输出，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为温度的采样，这样使用这个特殊采样组件也能同时得到光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度。

Description

一种新型光伏水泵控制系统
技术领域
本发明涉及一种新型光伏水泵控制系统，特别是太阳能光伏发电直接驱动水泵工作装置的控制系统。属太阳能工程控制设备领域。
背景技术
常规的光伏水泵或称太阳能水泵，通常由光伏方阵、控制逆变器(带逆变器的可使用交流水泵，不带逆变器只能使用直流水泵)、水泵三部分组成，有的系统为稳定工作还带蓄电池，以便在太阳辐射低时保障一定的工作时间。由于蓄电池的使用寿命较短，且投资较大，目前大多数光伏水泵系统均不带蓄电池。太阳电池组件将阳光直接变成直流电，将强烈非线性不规则直流电输入光伏水泵控制逆变器，逆变器将其转换为适合水泵电机运行的交流电，直接驱动水泵，并根据日照强度的变化实时地调节输出频率，实现最大功率点跟踪（MPPT）。
光伏水泵的控制是整个光伏水泵系统的核心。太阳辐射变化时，将导致水泵工作功率的变化。通常光伏水泵控制是根据太阳辐射变化后输出功率的变化来调整水泵的功率的，这种模式具有跟踪不及时，甚至在太阳辐射快速变化时经常出现跟踪不了，水泵掉线的情况，水泵掉线后还必须停机一段时间才能重新启动，这样损失的系统效率更大；另一方面由于没有温度采样，对光伏方阵最佳工作点的电压无法准确控制，只能根据经验值选一比较常见的电压作为最佳电压进行控制，这样对最大功率点的跟踪是不准确的，损失了不少的功率。
参考文献：
1. 刘程，基于MPPT的户用光伏水泵变频变频控制器的研制，合肥工业大学硕士论文，2012年。
2、张志刚，光伏水泵系统变频驱动与控制研究，合肥工业大学硕士论文，2005年。
3、热孜望·坎吉, 陈昆仑, 刘云峰，赵争鸣，太阳能光伏水泵和照明综合应用系统，能源工程，2000年第6期，p.16
发明内容
本发明的目的在于克服现有因为太阳辐射快速变化时，光伏水泵变频控制器跟踪不及时、最大功率点跟踪不准确的问题，发明一种采用采样光伏组件或太阳电池，得到瞬时的太阳辐射及光伏组件工作温度信息，更准确控制光伏水泵工作，真正实现光伏方阵的最大功率跟踪，并且确保水泵在激烈变化的太阳辐射情况时不掉线，仍能正常工作，避免了由于突然停泵所引起的水锤效应对水泵及管道的危害的新型光伏水泵控制系统。
本发明是通过以下的技术方案实现的：
一、将两个小片太阳电池采用与光伏方阵相同的材料和工艺封装起来，用镀锡焊带将这两个小片太阳电池的输出引出来，如图1所示，将采用小组件与光伏方阵安装成相同方位及倾角，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为温度的采样，使用这个采用小组件就同时得到光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度。
二、将两个小片太阳电池直接封装在光伏组件中，该组件的引出接线盒中增加两路输出，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为温度的采样，这样使用这个特殊采样组件就同时得到光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度。
通过这两个值就能比较准确的控制光伏方阵的最大功率工作点。
所述的采样小组件得到瞬时太阳辐射度、光伏方阵工作温度及获得到的光伏方阵准确功率数据，输送到水泵用的变频控制器中，控制软件快速响应，采用动态太阳辐照度及方阵温度最大功率点跟踪（PTMPPT）控制法，直接调整水泵的工作频率及光伏方阵的最大功率点的电压，让水泵运行稳定，保证水泵工作时不掉线；通过控制逆变器让光伏方阵最大功率跟踪太阳光照更精准、让光伏水泵工作状态控制更精确。
所述的装有逆变器使用交流水泵，没有装逆变器只能使用直流水泵。
本发明控制系统理论基础：
太阳能光伏电池原理是光生伏特效应，其短路电流也成为光生电流，是所有光子所激发的电子-空穴对被内建电场分离后达到电极的带电粒子的总和，与太阳辐照度成正比，因此短路电流的大小直接反映了太阳辐照度的大小。
从太阳电池的等效电路得到其特性如下：
式中I、V为太阳电池的工作电流、电压，Iph为太阳电池的光生电流，I0为饱和暗电流。
在短路情况下V=0，有
即短路电流等于太阳电池的光生电流。根据实验测量太阳电池的短路电流正比于太阳辐照度，因此知道了太阳电池的短路电流即知道了太阳辐照度。
在开路情况下I=0有
一般Iph/I0〉〉1，则有
所以，知道了短路电流和开路电压，也就知道了太阳电池的工作温度。知道了太阳辐照度及温度，可以根据太阳电池的I-V曲线方程准确知道太阳电池的工作状况，当然也知道最大功率点在哪儿。
参考文献：
1、Chenming Hu, Richard M. White, Solar Cells—From Basic to Advanced System, McGraw-Hill Book Company, 1983, p.57
2、国家标准GB/T 18210 晶体硅光伏（PV）方阵I-V特性的现场测量 (IEC61829)，中国标准出版社2000年
本发明直接使用采样小组件，同时得到光伏方阵所处位置的太阳辐射和光伏方阵工作温度瞬时值，及时主动调整水泵的工作功率和光伏方阵的最佳匹配工作电压，让光伏水泵系统更好地跟随太阳辐射的变化，同时对最大功率电压的跟踪更准确，得到更精确的最大功率的跟踪，使水泵的工作效率更高，根据太阳辐射情况和温度的变化，采用新的控制系统水泵的工作效率能提高约10%~25%。
附图说明
以下将结合附图的实施例，对本发明作进一步的说明。
图1本发明由两个小片太阳电池组成的采样小组件结构示意图
图2 本发明将采样小组件太阳电池片封装进常规组件的示意图，
图3为本发明一个实施例具体控制电路图。
图中：1为短路电流采样太阳电池；2为开路电压采样太阳电池。
具体实施方式
按图1或图2所示方法，制作采样小组件，将从采样小组件太阳电池中获得的太阳辐照度及温度等数据，送入光伏水泵用的变频控制器，控制软件快速响应，直接调整水泵的工作频率及光伏方阵的最大功率点的电压，采用动态太阳辐照度及方阵温度最大功率点跟踪（PTMPPT）控制法，让两者保持最为匹配状态，让水泵运行稳定，克服传统定电压MPPT 等方法在日照强度快速变化时跟踪效果差、水泵运行不稳定的问题。这样使水泵能依据更准确地数据工作在光伏方阵的最大功率点上，提高光伏水泵系统的效率。
本发明采用一种采样小组件，同时得到太阳辐照度及光伏方阵的温度，主动及时改变光伏方阵的最大工作点，这种跟踪模式比常规定电压跟踪效率要高很多，且最大的优势是跟踪准确及时，在太阳辐射快速变化时能及时跟踪上，水泵工作不掉线，使光伏水泵系统的工作效率得到了极大的提高，特别是几乎杜绝了因水泵掉线导致的水锤危害，这在高扬程的水泵系统中是至关重要的。
本发明极大地提高了光伏水泵的整体效率，提高了相同配置的出水量，使光伏水泵更具有经济性。同时该系统在太阳辐射不够的情况下能准确控制水泵停机，不像传统的光伏水泵必须启动工作，当工作频率低于设定停止频率一段时间后才停机，在低光强下必须反复这样运行才能不错过太阳辐射高时的及时启动，加大的电机水泵磨损。

Claims (3)

1.一种新型光伏水泵控制系统，其特征是由光伏方阵、采样组件、逆变器、水泵三部分组成，其中将两个小片太阳电池采用与光伏方阵相同的材料和工艺封装起来，用镀锡焊带将这两个小片太阳电池的输出引出来，构成采样小组件，将采样小组件与光伏方阵安装成相同方位及倾角，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为温度的采样，使用这个采用小组件能同时获得光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度数据；或者将两个小片太阳电池直接封装在光伏组件中，该组件的引出接线盒中增加两路输出，其中一个电池的短路电流作为太阳辐照度的采样，另一个电池的开路电压作为温度的采样，这样使用这个采样小组件也能同时得到光伏方阵所处位置的太阳辐照度和温度；通过这两个值就能比较准确地控制光伏方阵的最大功率工作点。
2.根据权利要求成1所述的新型光伏水泵控制系统，其特征在于采样小组件得到瞬时太阳辐射度、光伏方阵工作温度及获得到的光伏方阵准确功率数据，输送到水泵用的变频控制器中，控制软件快速响应，采用动态太阳辐照度及方阵温度最大功率点跟踪（PTMPPT）控制法，直接调整水泵的工作频率及光伏方阵的最大功率点的电压，让水泵运行稳定，保证水泵工作时不掉线；通过控制逆变器让光伏方阵最大功率跟踪太阳光照更精准、让光伏水泵工作状态控制更精确。
3.根据权利要求成1所述的新型光伏水泵控制系统，其特征在于装有逆变器使用交流水泵，没有装逆变器只能使用直流水泵。
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