CN113765204B - 一种移动式光伏发电扬水蓄能监测系统 - Google Patents

一种移动式光伏发电扬水蓄能监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏发电扬水蓄能监测系统，属太阳能光伏发电领域。其包括太阳能光伏方阵、光伏水泵及其机泵逆变器、储能蓄电池组及其充放电控制器、可收拢展开光伏方阵支架及移动拖车等。光伏水泵逆变器通过MPPT跟踪控制器连接光伏方阵，输出端接水泵电机，充放电控制器分别与MPPT跟踪控制器、光伏方阵、蓄电池组和负载相连接，逆变器、控制器、电机水泵、开关箱等一体化组合配置，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装于双轮拖车车架上。本发明提出了一种光伏发电扬水与储电蓄能协同控制策略，实现光伏水泵扬水运行的同时蓄电池充电储能，有效利用了光伏方阵全天早中晚三时段的裕量电能为蓄电池组充电，提高了光伏发电能量利用率，满足不同用水地点扬水供电需要，而不占用固定安装场地，节约了资源。

Description

一种移动式光伏发电扬水蓄能监测系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能光伏水泵系统，特别是涉及一种移动式光伏水泵扬水储电蓄能监测集成系统，属太阳能光伏发电技术领域。
技术背景
太阳能光伏发电技术目前得到了广泛应用。光伏水泵就是一种利用光伏发电技术将太阳能直接转换为电能，然后驱动电机带动水泵从深井或江河湖泊中实现提水的独立光伏系统。光伏水泵系统比常规动力水泵系统具有一系列技术经济优势，在解决偏远无电缺水地区人畜饮水和农田灌溉用水方面，具有明显的经济社会和生态环境效益，得到了快速发展与产业化规模化推广应用。目前对光伏水泵系统的技术研究大多着重于单一系统供给项下的分析，系统配置一部分是光伏方阵小容量(10～500W)的直流水泵系统，包括早期的直流电机直连系统和无刷直流水泵系统，由于水泵功率较小，抽水量小，多用于花草绿地小面积喷灌、滴灌；另一部分是较大光伏方阵容量(≥100kW)的三相交流水泵系统。相比较而言，交流光伏水泵系统的逆变环节可以实现电压频率的灵活控制，逆变器可随着光照强度变化调节频率，并自动追踪最大功率，特别适用于大功率抽水场合。但该类系统光伏阵列大多采用固定安装形式，占地面积大，建造成本高，其应用地域范围和使用范围受到限制，致使整套系统年利用率较低，影响其规模化推广应用；且现有用于扬水、照明、作物监测等发供电系统大都相互独立重复设置，分散运行，各自工作时段重叠，功能单一，其经济性、可靠性和实用性方面尚不能解决田间管理综合用能需求。
为此，需要研发一种移动式光伏发电扬水蓄能照明监测集成应用系统，基于光伏水泵扬水功率特性对系统参数优化配置，将光伏方阵容量控制在1～10kW，并通过模块化设计，将支架设计为可移动可折叠形式，按需要随时随地布放到不同用水地点而不占用固定安装场地，一机多用，进而将光伏组件模块、控制系统模块、水机模块及蓄电池储能模块等一体化组合，发电、扬水、储电蓄能、监测协同控制，使得太阳能光伏方阵输出电能得以最优化利用。为偏远无电缺水地区人畜饮水和农田灌溉提供用水供电解决方案。目前未见相关报道。
光伏水泵系统通常由光伏方阵、光伏水泵逆变器、三相交流机泵以及储水装置等四部分组成。由于光伏水泵系统有起动力矩及一定扬程的要求，并非有日照即可出水，即存在一个“扬水阙值”。对于某一系统配置在一定扬程下，开始抽水时刻和停止抽水时刻随太阳光照变化。当光照强度大于“扬水阙值”时，水泵可以启动正常抽水，当光伏方阵输出功率超出水泵额定功率时，水泵运行的同时发电功率仍有裕量；当光照强度较弱时，即光伏方阵输出功率小于“扬水阙值”时，系统将无法继续驱动水泵抽水，但光伏方阵仍将输出一定功率的电能。导致光伏方阵输出电能在全晴日的早晨、中午和傍晚三个时段，都存在能量浪费的情况。
为此，需要研发光伏发电扬水与蓄电优化协同控制模式，通过光伏水泵逆变器与蓄电池高压充电器协同控制，实现光伏水泵扬水运行的同时蓄电池充电储能，有效利用光伏方阵全晴天早中晚三时段的裕量电能为蓄电池组充电，提高光伏发电能量利用率。
发明内容
针对目前技术状况，本发明提出了一种移动式光伏扬水蓄能监测集成系统。实现光伏水泵扬水运行的同时蓄电池充电储能，且能实现光伏方阵可移动可收拢和展开，安装角度可调节，提高光伏水泵系统利用率，节约占场地资源。
为实现本发明目的，本发明采用的技术方案是：
光伏方阵吸收太阳辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源，光伏水泵逆变器将光伏方阵输出的直流电转化为交流电并驱动电机水泵，并根据日照强度的变化实时检测直流侧电压电流，计算出光伏方阵输出功率进而调节输出电压和频率，实现MPPT最大功率点跟踪，并实现诸如过压、过负荷、欠电、防打干及自启动等特殊保护功能。当光照较强时，系统可以自动地利用光伏方阵的输出电能带动电机和水泵进行提水，当光伏方阵输出功率超出光伏水泵额定功率时或当阳光较弱时水泵无法启动扬水，系统都将自动地转变为蓄电池组充电。同时，16位主控处理器通过检测回路实时采样电压电流温度值，计算判定光伏方阵输出MPPT工作状态与蓄电池组荷电状态，采用恒压限流并增大逐级限流方式，不断改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池组的最佳充电状态，实现蓄电池自平衡快速充电控制。用电时，充放电控制器控制蓄电池组放电，经配电线路供照明和监测通讯负载使用。太阳能光伏方阵所发电能采用扬水优先控制策略。逆变器、控制器、电机水泵、开关箱和进出线缆等一体化组合配置，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装于双轮拖车车架上，光伏组件通过可收拢可展开的连接外框固定于双轮拖车底盘上；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，由车载拖动到工作目的地，通过手动进行横向展开，伸展开后按安装倾角调节活动支腿顶杆支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水蓄电工作模态。
根据上述描述，本发明所述的移动式光伏发电扬水蓄能监测系统包括光伏方阵、可收拢展开支架结构及移动拖车、MPPT跟踪控制器、DC/AC逆变器、水泵电机、充/放电控制器与蓄电池组、连接线缆和负载等。
本发明所述的MPPT跟踪控制器直流输入端接光伏方阵的直流侧正负极，输出端一路接DC/AC逆变器输入端，另一路接蓄电池充放电控制器；
本发明所述的DC/AC逆变器一端通过MPPT跟踪器连接光伏方阵直流侧正负极，输出端连接水泵电机；
本发明所述的DC/AC逆变器包括开关电源部分，主电路及驱动电路，控制电路和保护电路等。所述的开关电源由大容量的电解电容C作为储能元件直接跨接在方阵直流侧两端，当逆变电路关断时，太阳电池方阵向电容充电，当逆变电路导通时，电容和太阳电池方阵一同为负载供电。同时，在电机启动瞬间，储能电容能通过释放自身能量提供启动所需的大电流，起到一定的平波作用。所述的主电路拓扑由V1-V6功率开关管构成的三相全桥逆变电路组成，开关管两端并联具有续流作用的二极管。三相全桥逆变电路采用模块化器件PS21865，PS21865智能功率模块化器件中将开关管、驱动电路和保护电路高度集成，内部集成了三相逆变桥和IGBT驱动电路、短路、过载保护、欠压保护等功能，故障信号由控制电路单片机读出。其特征在于：光伏方阵输出经储能电容后连接到PS21865引脚P(正极)和引脚N(负极)，作为DC/AC逆变输入电源。然后16位主控芯片发出6路PWM脉冲信号直接驱动PS21865中三相全桥的6个开关管，并完成系统过电流、过电压、欠压等保护措施。最后PS21865输出三相对称交流电压，驱动电机转动。所述的控制电路由16位主控芯片通过处理SVPWM输入信号，由PWM脉冲发生器组产生6路PWM波控制逆变桥开关管的开通与关断，实现电机的变频调速，并通过直流电压电流采样电路实现MPPT最大功率跟踪。所述的保护电路和系统采样电路包括光伏方阵输出母线电压、电流检测电路，电机过载保护检测电路、IPM过温检测电路和(水塔、水井)水位检测电路等，以及数据记录时钟和基于S52单片机的人机界面通信。
本发明所述的扬水优先与储电蓄能协同控制策略，采用光伏水泵逆变器与蓄电池高压光伏充放电器二者共用一个MPPT跟踪控制器，光伏水泵逆变器输入端和蓄电池高压光伏充放电控制器输入端分别连接MPPT控制器的输出端，逆变器输出端接水泵电机，充放电控制器输出端接蓄电池及负载。基于光伏水泵功率工作特性和扬水优先能量管理方案，由16位主控处理器，根据日照强度的变化实时对光伏水泵逆变器与蓄电池高压充放电器联动控制。当阳光较弱时，也即太阳辐射强度小于“扬水阙值”，光伏方阵最大输出功率无法驱动水泵扬水，系统将自动地转变为蓄电池组充电；当光照较强时，系统可以自动地利用光伏方阵的输出电能带动电机和水泵进行提水，随着太阳光照强度的不断增加，当光伏方阵所发电功率为充电功率和水泵额定功率之和时，逆变器控制水泵以满负荷扬水，同时，高压充放电控制器协调控制为蓄电池组充电。其约束条件为，当蓄电池容量达到95％标称容量或者达到最大浮充电压时，停止充电，太阳能全部的发电功率用于光伏水泵扬水。无论水泵扬水运行还是蓄电池充电运行，16位主控处理器都将通过检测回路实时采样直流侧电压电流温度，计算出光伏方阵输出功率进而调节输出电压和频率，实现MPPT最大功率点跟踪控制。
所述的充放电控制器包括电压温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由16位主控处理器发出3路PWM信号直接驱动PS21865中3个开关管，第一路PWM信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵此时输出工作在最大功率点；第二路PWM信号调节控制器控制蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿；所述的PWM脉冲电路的反馈端分别与光伏方阵MPPT跟踪控制器、恒压逐级限流充电检测电路以及蓄电池放电端相连，产生的DC/DC转换电路输出MPPT脉宽调制信号和恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号以及放电电流和电压的脉宽调制信号，分别接PS21865智能功率开关管VT1、VT2和VT3控制端。
本发明所述的移动式可收拢可展开支架结构由双轮拖车体、光伏组件连接外框、活动支腿、集成控制箱等几部分组成。光伏组件通过可收拢可展开的连接外框固定于双轮拖车底盘上；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，由车载拖动到工作目的地，通过手动进行横向展开，伸展开后按安装倾角调节活动支腿顶杆支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水蓄电工作模态。逆变器、控制器、电机水泵、电源开关、断路器和进出线缆等一体化组合配置，通过集成控制箱壳体结构与蓄电池组集成拼装于双轮拖车车架上。
所述的移动拖车车架材料为钢制方管焊接而成，采用两轮支撑结构，并通过减震板簧与拖车底盘联结，具有承载光伏组件连接外框的车体立柱。车体前端设有一牵引环，拖车底盘通过牵引环搭载到人力或机动动力拖动；
所述的组件连接外框采用镀锌角钢焊接而成，外框尺寸符合光伏组件外形尺寸要求，外框纵向两侧分别设置有转动铰链螺栓组，且每相邻两个外框铰链安装位置为一侧沿上边沿竖向螺栓铰接，另一侧沿相对应的下边沿竖向螺栓铰接，以满足每块组件连接外框正反折叠收拢要求，依次连接，直到最后一块组件连接完毕。外框上下两端分别设置万向滚珠联结器，以联结活动支腿收放支撑使用；
所述的外框上下端的活动支腿采用伸缩结构，由钢制圆管制成，并按210、230、250、270、300、350、400、450八级光伏方阵采光倾角要求的预设高度调节顶杆螺丝，活动支腿上端与连接外框通过万向滚珠联结实现收放与支撑，底端设置有抗风稳固底托，具有足够的刚度、强度以抗风、抗雪等；本发明优选采用4～6组光伏组件串联展开(即可成倍扩大光伏发电系统容量)。安装于连接外框内的光伏组件通过人工手动进行横向伸展，伸展开后按方阵发电模式运行；
所述的集成控制箱采用MPPT跟踪控制器、充放电控制器、逆变器、开关盒、断路器、进出线缆等一体化组合配置，通过壳体结构与储能蓄电池集成拼装于双轮拖车车架上。
所述的车架底端设置的挡板内侧和每二块组件层叠面上均放置橡塑垫板，减震也避免组件表面划伤。
所述的光伏方阵支架收拢时，手动从最远一端开始将2块光伏板外框收缩合拢并正面折叠，然后与相邻的下一块光伏板外框合拢并背面折叠，最后与第4块光伏板外框合拢并正面折叠；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，通过软索紧固在拖车架上，由车载拖动到工作目的地。伸展时，与收拢顺序相反，从最上层将组件连接外框向外方向拉开，同时放下前后活动支腿，按安装角度支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水工作模态。
本发明提出了一种适用于田间浇灌道路照明作物监测网络通讯综合管理的移动式光伏发电扬水蓄能监测系统，有益效果如下：
(1)光伏水泵逆变器与蓄电池高压充放电器协同控制，实现光伏水泵扬水运行的同时全晴天早中晚三时段裕量电能为蓄电池充电储能，使光伏发电系统能量利用率得到提高，具有较好应用价值。
(2)能量供给与需求适配性强，既能满足农田浇灌照明监测用电需求，为不同用户不同地块提供服务，还可扩展到野外发电、临时用电等应用场合，应用地域范围和使用范围广。提高了光伏水泵系统利用率，也节约了土地资源。
(3)机动性大幅提高，可移动可收拢和展开，收拢后直接由拖车拖运，根据需要随时更换布放地点而不占用固定安装场地，一机多用，解决不同时段不同季节抽水和供电问题，灵活性好，安装使用简便，可满足绿色环保与现代农业发展需要。
附图说明
图1为光伏水泵扬水蓄能监测系统构成与原理图；
图2为光伏水泵三相交流逆变器主电路结构图；
图3为交流异步电机驱动的光伏水泵调速控制原理图；
图4为光伏发电系统全晴天三时段扬水与充电蓄能原理图，图中，7：30—16：30为光伏水泵运行时段，阴影部分为可用于蓄电池充电蓄能的裕量电能；
图5为YKN1KLF/24V-30A光伏高压充放电控制器结构图；
图6为移动光伏发电扬水蓄能监测系统结构图，其中，图a为俯视图；图b为其左视结构示意图，1-牵引环，2-控制箱，3-活动支腿，4-橡塑板，5-光伏组件，6-橡塑垫后挡板，7-车轮组，8-减震板，9-移动车体；图c为其A向视图；
图7为移动光伏发电扬水蓄能监测系统展开示意图，其中，10-活动拉杆，11-地脚，12-移动拖车车架，13-车底盘，14-转动铰链。
图8为移动光伏发电扬水蓄能监测系统收拢示意图。
具体实施方式
为对本发明进行更好说明，结合具体的优选实施方式，举实例说明如下：
实施例1
如图1-8所示，所述移动式光伏发电扬水蓄能监测系统，其包括光伏方阵系统、集成控制箱、可收拢展开支架结构及移动拖车底盘组件、蓄电池组、连接线缆和负载等。
光伏方阵吸收太阳辐射能量，将其转化为电能，为整个系统提供动力电源，光伏水泵逆变器将光伏方阵输出的直流电转化为交流电并驱动电机水泵，并根据日照强度的变化实时检测直流侧电压电流，计算出光伏方阵输出功率进而调节输出电压和频率，完成实现MPPT最大功率点跟踪，并实现诸如过压、过负荷、欠电、防打干及自启动等特殊保护功能。当光照较强时，系统可以自动地利用光伏方阵的输出电能带动电机和水泵进行提水，当光伏方阵输出功率超出光伏水泵额定功率时或当阳光较弱时水泵无法启动扬水，系统都将自动地转变为蓄电池组充电。同时，16位的SPMC75F2413A主控处理器通过检测回路实时采样电压电流温度值，计算判定光伏方阵输出MPPT工作状态与蓄电池组荷电状态，采用恒压限流并增大逐级限流方式，不断改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池组的最佳充电状态，实现蓄电池自平衡快速充电控制。用电时，充放电控制器控制蓄电池组放电，经配电线路供照明和监测通讯负载使用。太阳能光伏方阵所发电能采用扬水优先控制策略。逆变器、控制器、电机水泵、开关箱和进出线缆等一体化组合配置，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装于双轮拖车车架上，光伏组件通过可收拢可展开的连接外框固定于双轮拖车底盘上；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，由车载拖动到工作目的地，通过手动进行横向展开，伸展开后按安装倾角调节活动支腿顶杆支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水蓄电工作模态。
本发明所述的MPPT跟踪控制器直流输入端接光伏方阵的直流侧正负极，输出端一路接DC/AC逆变器输入端，另一路接蓄电池充放电控制器；
上述DC/AC逆变器一端通过MPPT跟踪器连接光伏方阵直流侧正负极，输出端连接水泵电机；
所述的DC/AC逆变器包括开关电源部分，主电路及驱动电路，控制电路和保护电路等。所述的开关电源由大容量的电解电容C作为储能元件直接跨接在方阵直流侧两端，当逆变电路关断时，太阳电池方阵向电容充电，当逆变电路导通时，电容和太阳电池方阵一同为负载供电。同时，在电机启动瞬间，储能电容能通过释放自身能量提供启动所需的大电流，起到一定的平波作用。所述的主电路拓扑由V1-V6功率开关管构成的三相全桥逆变电路组成，开关管两端并联具有续流作用的二极管。三相全桥逆变电路采用模块化器件PS21865，PS21865智能功率模块化器件中将开关管、驱动电路和保护电路高度集成，内部集成了三相逆变桥和IGBT驱动电路、短路、过载保护、欠压保护等功能，故障信号由控制电路单片机读出。光伏方阵输出经储能电容后连接到PS21865引脚P(正极)和引脚N(负极)，作为DC/AC逆变输入电源。然后主控芯片SPMC75F2413A发出6路PWM脉冲信号直接驱动PS21865中三相全桥的6个开关管，并完成系统过电流、过电压、欠压等保护措施。最后PS21865输出三相对称交流电压，驱动电机转动。所述的控制电路由主控芯片SPMC75F2413A通过处理SVPWM输入信号，由PWM脉冲发生器组产生6路PWM波控制逆变桥开关管的开通与关断，实现电机的变频调速。并通过系统直流电压电流采样电路实现MPPT最大功率跟踪。所述的保护电路和系统采样电路包括光伏方阵输出母线电压、电流检测电路，电机过载保护检测电路、IPM过温检测电路和(水塔、水井)水位检测电路等，以及数据记录时钟和基于S52单片机的人机界面通信。
本发明所述的扬水优先与储电蓄能协同控制策略，采用光伏水泵逆变器与蓄电池高压光伏充放电器二者共用一个MPPT跟踪控制器，光伏水泵逆变器输入端和蓄电池高压光伏充放电控制器输入端分别连接MPPT控制器的输出端，逆变器输出端接水泵电机，充放电控制器输出端接蓄电池及负载。基于光伏水泵功率工作特性和扬水优先能量管理方案，由SPMC75F2413A主控处理器，根据日照强度的变化实时对光伏水泵逆变器与蓄电池高压充放电器联动控制。当阳光较弱时，也即太阳辐射强度小于“扬水阙值”，光伏方阵最大输出功率无法驱动水泵扬水，系统将自动地转变为蓄电池组充电；当光照较强时，系统可以自动地利用光伏方阵的输出电能带动电机和水泵进行提水，随着太阳光照强度的不断增加，当光伏方阵所发电功率为充电功率和水泵额定功率之和时，逆变器控制水泵以满负荷扬水，同时，高压充放电控制器协调控制为蓄电池组充电。其约束条件为，当蓄电池容量达到95％标称容量或者达到最大浮充电压时，停止充电，太阳能全部的发电功率用于光伏水泵扬水。无论水泵扬水运行还是蓄电池充电运行，SPMC75F2413A主控处理器都将通过检测回路实时采样直流侧电压电流温度，计算出光伏方阵输出功率进而调节输出电压和频率，实现MPPT最大功率点跟踪控制。
所述的蓄电池高压光伏充放电控制器，采用16位芯片构成能量管理、端电压检测和温度补偿功能，实时管理跟踪光伏电池最大功率点，智能化控制管理光伏发电功率向蓄电池和水泵的合理分配，管理蓄电池的充放电容量。
所述的蓄电池高压光伏充放电控制器包括电压温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由SPMC75F2413A主控处理器发出3路PWM信号直接驱动PS21865中3个开关管，第一路PWM信号控制控制器的最大输出功率跟踪，使光伏方阵此时输出工作在最大功率点；第二路PWM信号调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿；
上述第一路PWM脉冲电路的反馈端与光伏方阵MPPT跟踪控制器相连，产生的DC/DC转换电路输出MPPT脉宽调制信号接DC/DC变换电路中的PS21865智能功率开关管VT1控制端；上述第二路PWM脉冲电路的反馈端分别与恒压跟踪器和逐级限流与自平衡快充电电流检测跟踪器相连，产生的DC/DC转换电路输出恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号接DC/DC转换电路的PS21865智能功率开关管VT2控制端，用于向蓄电池组耦合快速充电管理和过压保护；上述第三路PWM脉冲电路反馈端与蓄电池放电端相连，产生的DC/DC转换电路输出的放电电流和电压的脉宽调制信号接DC/DC转换电路的PS21865智能功率开关管VT3控制端，用于放电管理单元向蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿；
所述的蓄电池自平衡快速充电方法：将光伏方阵的输出端正、负极通过控制器分别与蓄电池组的正、负极相连，把光伏方阵输出的直流电能转变为化学能储存起来；通过控制器对光伏方阵输出电能与蓄电池在当前充电条件下的充电所需能量值比较，在蓄电池低容量阶段，采用恒流和恒压限流充电方式；在蓄电池容量达75％后，且光伏方阵输出足够电量时，除采用恒压限流充电方式外，还通过控制器提高蓄电池充电接受比增大逐级限流充电电流，提高蓄电池充电速度，实现光伏方阵MPPT方式与蓄电池自平衡快速充电耦合控制。其控制电路结构设计通过加入大电流放电脉冲来提高充电能力；其次，依靠控制电路实时监测光伏系统输出功率和蓄电池充电电流值，由微处理器实时比较蓄电池的最大可接受充电电流值，改变充电电流，使平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池的最佳充电状态。
本发明所述的移动式可收拢可展开支架结构由双轮拖车体、光伏组件连接外框、活动支腿、集成控制箱等几部分组成。光伏组件通过可收拢可展开的连接外框固定于双轮拖车底盘上；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，由车载拖动到工作目的地，通过手动进行横向展开，伸展开后按安装倾角调节活动支腿顶杆支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水蓄电工作模态。逆变器、控制器、电机水泵、电源开关、断路器和进出线缆等一体化组合配置，通过集成控制箱壳体结构与蓄电池组集成拼装于双轮拖车车架上。
所述的拖车车体外形尺寸2400mm(长)×1243mm(宽)×550mm(高)，车架材料为钢制方管焊接而成。采用两轮支撑结构，并通过减震板簧与拖车底盘联结，具有承载光伏组件连接外框的车体立柱。车体前端设有一牵引环，拖车底盘通过牵引环搭载到人力或机动动力拖动；
所述的组件连接外框采用镀锌角钢焊接而成，外框尺寸符合光伏组件外形尺寸要求，外框纵向两侧分别设置有转动铰链螺栓组，且每相邻两个外框铰链安装位置为一侧沿上边沿竖向螺栓铰接，另一侧沿相对应的下边沿竖向螺栓铰接，以满足每块光伏组件连接外框正反折叠收拢要求，依次连接，直到最后一块光伏组件连接完毕。外框两端分别设置万向滚珠联结器，以联结活动支腿收放支撑使用；
所述活动支腿采用伸缩结构，由钢制圆管制成，并按210、230、250、270、300、350、400、450等8级光伏方阵采光倾角要求的预设高度调节顶杆螺丝，活动支腿上端与连接外框通过万向滚珠联结实现收放与支撑，底端设置有抗风稳固底托，具有足够的刚度、强度以抗风、抗雪等；本发明优选采用4～6组光伏组件，串联展开(即可成倍扩大光伏发电系统容量)。安装于连接外框内的光伏组件通过人工手动进行横向伸展，伸展开后按方阵发电模式运行；
所述的集成控制箱采用MPPT跟踪控制器、充放电控制器、逆变器、开关盒、断路器、进出线缆等一体化组合配置，通过壳体结构与储能蓄电池集成拼装于双轮拖车车架上。
所述的车架体上设置的挡板内侧和每二块组件层叠面上均放置橡塑垫板，减震也避免组件表面划伤。
所述的光伏方阵支架收拢时，手动从最远一端开始将2块光伏板外框收缩合拢并正面折叠，然后与相邻的下一块光伏板外框合拢并背面折叠，最后与第4块光伏板外框合拢并正面折叠；收拢后的多模块光伏组件竖向呈一层叠平状态，通过软索紧固在拖车架上，由车载拖动到工作目的地。伸展时，与收拢顺序相反，从最上层将组件连接外框向外方向拉开，同时放下前后活动支腿，按安装角度支撑稳固，开启各控制开关即可进入发电扬水工作模态。
实施例2
光伏组件选用目前市场常用多晶硅太阳能电池组件，规格230W/30V，峰值功率230W，最大功率点电压30V，最大功率点电流7.67A，外形尺寸1670mm(长)×990mm(宽)×45mm(高)，净重21.5kg，数量8块，总标称功率1.84kW。每块光伏组件置于钢制连接外框内通过轴销稳固安装，光伏方阵呈正南朝向安装倾角370；
光伏水泵采用SJ5-12不锈钢高效三相潜水型，电机功率1.1kW，自动变频，三相220V，出水量范围3～5m3/h；逆变器YKN1K1L，最大电机输出功率1.1kW，三相输出端电压交流220V，最大逆变效率97％，输出频率范围0—50Hz，MPPT电压范围150～400VDC；现场实测扬水高程24.8m。蓄电池高压充放电控制器YKN1KLF/24V-30A，最大充电功率800W，直流电压工作范围500—800VDC，最大充电电流30A，恒压充电点27V，最大充电效率≥90％；储能太阳能专用胶体蓄电池6-CNF-200，2组×12V200Ah。
某日晴天，通过对太阳辐射强度和输出功率与光伏水泵扬水量、系统扬水效率特性及蓄电池储电量占比等进行测试试验，结果表明，定扬程下，光伏水泵全天扬水量随日照时间的延长而增大，太阳平均辐照功率533.4W，日出水量达13.1m3，平均每小时出水1.93m3/h；系统最大扬水效率12.7％，平均扬水效率11.1％；同时，全天三时段蓄电池充电储能0.47kWh，约占光伏方阵全天发电量8.4kWh的5.6％左右。高压充放电控制器充电电路电压降≤1.2V；具有蓄电池过充保护功能，当蓄电池组电压29.76±0.6V时，控制器自动断开充电回路；当蓄电池组电压27V时，控制器恢复充电。
实施例3
选用光伏组件规格290W/31.8V，峰值功率290W，最大功率点电压31.8V，最大功率点电流9.12A，外形尺寸1697mm(长)×1003mm(宽)×35mm(高)，净重19.5kg，数量8块，总标称功率2.32kW。每块光伏组件置于钢制连接外框内通过轴销稳固安装，光伏方阵呈正南朝向安装倾角270；
光伏水泵电机、三相逆变器、高压充放电控制器、蓄电池组等同实例1，在此不再赘述；现场扬水高程14.2m。
某日晴天，通过对太阳辐射强度和输出功率与光伏水泵扬水量、系统扬水效率特性及蓄电池储电量占比等进行测试试验，结果表明，定扬程下，光伏水泵全天扬水量随日照时间的延长而增大，太阳平均辐照功率358.1W，日出水量达13.9m3，平均每小时出水1.82m3/h；系统最大扬水效率9.5％，平均扬水效率8.0％；同时，全天三时段蓄电池充电储能1.01kWh，约占光伏方阵全天发电量10.3kWh的9.72％左右。高压充放电控制器充电电路电压降≤1.2V；具有蓄电池过充保护功能，当蓄电池组电压29.76±0.6V时，控制器自动断开充电回路；当蓄电池组电压27V时，控制器恢复充电。
本发明的实施，可依不同地区的水位、水量需求，设计光伏水泵的出水量、扬程以及水泵电机启动电流，将光伏组件容量控制在1～10kW。在需扬水浇灌时段，系统所产生的电力全部用于水泵电机抽水，非扬水浇灌时段的发电量用于储电蓄能，满足不同用水地点扬水及道路照明与田间作物生长监测通讯供电需要，使得光伏方阵输出电能得以最优化利用。
可以实现光伏水泵扬水运行的同时全晴天早中晚三时段蓄电池充电储能管理，有效利用光伏方阵裕量电能为蓄电池组充电，再用于监测通讯和照明等，光伏发电系统能量利用率得到提高。
系统整体模块化，可收拢可移动，根据需求随时更换布放地点而不占用固定安装场地，扩展了系统的应用地域范围和使用范围，提高光伏发电系统的利用率，增大了投资收益。

Claims (4)

1.一种移动式光伏发电扬水蓄能监测系统，包括光伏组件、可收拢展开支架及移动拖车、MPPT 跟踪控制器、DC/AC逆变器、水泵电机、充放电控制器与蓄电池组，其特征在于：
所述DC/AC逆变器、MPPT 跟踪控制器、水泵电机、充放电控制器一体化组合配置成控制箱，通过壳体结构与蓄电池组集成拼装固定于拖车车体上；
所述的可收拢展开支架为框型结构，由沿横向多个框架单元折叠而成；可收拢展开的支架固定于移动拖车底盘上；
所述光伏组件组成光伏方阵，每个光伏组件固定连接于框架单元的外框上；
所述的MPPT 跟踪控制器直流输入端接光伏组件的直流侧正负极，输出端一路接DC/AC逆变器输入端，另一路接充放电控制器，充放电控制器的输出端连接蓄电池，DC/AC逆变器的输出端连接水泵电机；
所述DC/AC逆变器包括开关电源部分，主电路及驱动电路，控制电路和保护电路；所述开关电源由电解电容C作为储能元件直接跨接在光伏组件直流侧两端，当逆变电路关断时，光伏组件向电容充电，当逆变电路导通时，电容和光伏组件一同为负载供电；所述主电路拓扑由V1-V6功率开关管构成的三相全桥逆变电路组成，开关管两端并联具有续流作用的二极管；三相全桥逆变电路采用模块化器件PS21865，PS21865模块化器件将开关管、驱动电路和保护电路集成，内部集成了三相逆变桥和IGBT驱动电路、短路、过载保护、欠压保护功能，故障信号由控制电路单片机读出；所述控制电路由16位主控芯片通过处理 SVPWM 输入信号，由 PWM 脉冲发生器组产生 6 路 PWM 波控制逆变桥开关管的开通与关断，实现电机的变频调速，并通过系统直流电压电流采样电路实现MPPT最大功率跟踪；所述的保护电路包括光伏方阵输出母线电压、电流检测电路，电机过载保护检测电路、IPM 过温检测电路和水位检测电路以及数据记录时钟和基于 S52 单片机的人机界面通信；
所述MPPT跟踪控制器由16位主控处理器通过检测回路实时采样电压电流温度值，计算判别MPPT工作状态与蓄电池组荷电状态，完成DC/AC逆变器与充/放电控制器智能联动控制，实现水泵系统正常扬水运行的同时全天早中晚三时段蓄电池充电储能；
所述的充放电控制器包括电压温度采样模块、控制环路、功率驱动模块以及DC/DC转换电路模块；控制环路电路有三个控制环，分别由16位主控处理器发出 3 路PWM信号直接驱动PS21865 中3 个开关管；第一路PWM信号控制控制器的最大输出功率跟踪，跟踪光伏方阵最大功率点；第二路PWM信号调节控制器对蓄电池组的充电状态，使其处于恒流或恒压限流或蓄电池自平衡快速充电耦合控制状态；第三路PWM信号用于蓄电池放电控制管理，为蓄电池提供欠压保护、过放保护和温度补偿； PWM脉冲电路的反馈端分别与MPPT跟踪控制器、恒压逐级限流充电检测电路以及蓄电池放电端相连，产生的DC/DC转换电路输出MPPT脉宽调制信号和恒流或恒压限流或快速充电电流的脉宽调制信号以及放电电流和电压的脉宽调制信号，分别接PS21865 开关管VT1、VT2和VT3控制端。
2.如权利要求1所述的移动式光伏发电扬水蓄能监测系统，其特征在于：所述的可收拢展开支架框内沿纵向设置有等距的转动铰链螺栓组，且每相邻两个外框铰链安装位置为一侧沿上边沿竖向螺栓铰接，另一侧沿相对应的下边沿竖向螺栓铰接，以满足每块光伏组件连接外框正反折叠收拢要求。
3.如权利要求1或2所述的移动式光伏发电扬水蓄能监测系统，其特征在于：所述的移动拖车底盘底部设有活动拉杆；所述可收拢展开支架的外框的上下框边分别连接万向滚珠联结器，通过万向滚珠联结器联结活动支腿。
4.如权利要求3所述的移动式光伏发电扬水蓄能监测系统，其特征在于：所述活动支腿采用伸缩结构，按210、230、250、270、300、350、400、450八级光伏方阵采光倾角要求的预设高度调节顶杆螺丝，底端设置有抗风稳固底托。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1264201A (zh) * 2000-02-25 2000-08-23 清华大学 太阳能扬水与照明综合应用系统
CN101109387A (zh) * 2007-08-06 2008-01-23 中山大学 具有水压控制功能的光伏水泵系统
CN202856652U (zh) * 2012-09-28 2013-04-03 深圳市天源新能源有限公司 一种光伏扬水逆变器及光伏扬水系统
KR20140113845A (ko) * 2013-03-15 2014-09-25 주식회사 테크톤 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이의 제어방법
CN105839706A (zh) * 2016-05-21 2016-08-10 云南晶能科技有限公司 一种太阳能光伏变功率多泵智能抽水系统及其控制方法
WO2017184822A1 (en) * 2016-04-20 2017-10-26 Concept By Us Corporation A photovoltaic sourced power station with integrated battery charge/discharge cycle
CN108808822A (zh) * 2018-05-03 2018-11-13 上海交通大学 一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法
CN215452871U (zh) * 2021-09-03 2022-01-07 河南省科学院能源研究所有限公司 一种移动式光伏发电扬水蓄能车

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1264201A (zh) * 2000-02-25 2000-08-23 清华大学 太阳能扬水与照明综合应用系统
CN101109387A (zh) * 2007-08-06 2008-01-23 中山大学 具有水压控制功能的光伏水泵系统
CN202856652U (zh) * 2012-09-28 2013-04-03 深圳市天源新能源有限公司 一种光伏扬水逆变器及光伏扬水系统
KR20140113845A (ko) * 2013-03-15 2014-09-25 주식회사 테크톤 듀얼 인버터를 구비한 독립형 태양광발전 시스템 및 이의 제어방법
WO2017184822A1 (en) * 2016-04-20 2017-10-26 Concept By Us Corporation A photovoltaic sourced power station with integrated battery charge/discharge cycle
CN105839706A (zh) * 2016-05-21 2016-08-10 云南晶能科技有限公司 一种太阳能光伏变功率多泵智能抽水系统及其控制方法
CN108808822A (zh) * 2018-05-03 2018-11-13 上海交通大学 一种用于水泵系统的光伏市电补偿装置及控制方法
CN215452871U (zh) * 2021-09-03 2022-01-07 河南省科学院能源研究所有限公司 一种移动式光伏发电扬水蓄能车

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