简论光伏一种光伏水泵和光伏发电储能系统综合运用技术流程

论文导读：
摘要：本文主要介绍光伏水泵和光伏发电储能综合应用技术。光伏水泵利用来自太阳的持久能源，日出而作，日落而歇，无需人员看管，不需要柴油、不需要电网，可与灌溉设施配套应用。同时通过蓄电逆变技术有效解决偏远地区居民的用电问题。该系统的结合最大化的利用光伏发电。
关键词：光伏水泵、变频控制技术、蓄电逆变、光伏发电

概述
纵观全球，人口的快速增长和工业化程度的不断提高带来的能源短缺和环境污染问题己成为当今世界共同面临的严峻问题。开发新能源，使用替代能源和开发利用空间资源已成为在社会、环境和可持续发展推动下的必然措施。在这种形式下，太阳能光伏技术也进入了快速发展的阶段。
光伏水泵与光伏发电储能综合技术是将分别独立的光伏扬水和光伏发电储能系统合二为一，不仅具有无噪音、无污染、全自动和高可靠性等优点，还使得太阳能光伏阵列输出的电能得以合理的、最大化的应用，有效的节约了能源。由于光伏阵列的输出随日照而变化,光伏水泵系统的输出也随太阳光的强度而变化。当光照强度较强时,光伏水泵系统可以正常抽水,多余的电量通过充放电控制器为蓄电池进行充电；而光照强度较弱时,即光伏阵列输出功率小于某一值时,光伏所发电能将无法继续驱动水泵抽水，但光伏阵列仍输出一定功率的电能，该电能为蓄电充电；当光伏水泵所抽的水已经满足了用户使用，可以切断光伏提水系统，光伏所发电能全部为蓄电充电。利用光伏水泵和发电储能相结合的技术可以有效地利用光照较强和较弱时的电能为蓄电池组充电,一方面解决了家庭用电问题,另一方面节约了能源。
2整体系统的基本组成和工作原理
光伏水泵及光伏发电储能综合应用系统构成原理框图如图1。系统由光伏阵列、MPPT 控制器、DC/ AC变频逆变器、电机、水泵、充/ 放电控制器、逆变器和蓄电池组组成。
主要实现的功能：在阳光充足的白天为电机水泵负载提供最大限度的功率输出；而在阳光欠充足的清晨或傍晚时以最大限度的功率提供给蓄电池组充电；当光伏提水已经满足用户使用，通过水位监测到的传感信号传输至控制器，使光伏所发电能通过充电控制器为蓄电池组充电；在没有阳光的黑夜，具有充足电能的蓄电池组将通过逆变为负载提供稳定持续的电源。

图1 光伏水泵和照明系统构成原理示意

2.1MPPT 控制器

在选择了系统的电压等级及装机容量以后，光伏电池即可分为若干组串、并联连接形成光伏阵列。光伏阵列的输出伏—安特性曲线具有强烈的非线性,而且和太阳能辐射强度、环境温度、阴雨、雾等气象条件有密切关系。要使光伏水泵系统工作有比较理想的工况,而且对任何日照,都要发挥在当前日照下光伏阵列输出功率的最大潜力,这就要有一个适配器,使电源和负载之间能达到和谐、高效、稳定的工作状态。适配器的主要工作内容是:检测主回路直流侧电流电压,计算出太阳电池阵列的输出功率,同时发出控制信号完成在变频调速过程中对阵列输出最大功率的跟踪;实现一些特殊保护功能,如过电压、过负荷、过低负荷、欠电压、井水打干及停机后在各种条件下的自启动等。MPPT 通常有两种形式,即恒电压最大功率点(CTV 式MPPT)和真正MPPT。
2.2 光伏水泵系统的结构图 由图2可知，系统利用太阳电池阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC／DC升压，和具有TMPPT功能的变频器后输出三相交流电压驱动交流异步电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。其中主要包括4部分：太阳电池阵列摘自：毕业论文小结www.7ctime.com
；具有TMPPT功能的变频器；水泵负载；储水装置。

图2光伏水泵系统图

2.1电机和水泵

光伏水泵系统的一切措施都是为了能稳定可靠地多出水,或者说最后都要落实在电机和水泵上,它们往往构成一个总成件,这个总成件要求有最大限度的可靠性和高效率。对于光伏水泵而言,电机和水泵的搭配并不像常见的电机和水泵搭配那样“随便”,由于电机的功率等级、电压等级在很大程度上受到太阳电池阵列电压等级和功率等级的制约,因此水泵的扬程、流量要求被反应到对电机的要求上后,往往必须在兼顾阵列结构的条件下专门设计,再进行电机设计时要充分考虑到光伏水泵的具体运行。主要是:变频运行,负载早晚变化较大,在这种情况下要力争使电动机全日、全年的总平均率最高,它不像普通电论文导读：构简单，控制方便。图3变频控制主电路图2．3储能逆变系统储能逆变系统是由充/放电控制器、逆变器和蓄电池组构成。当太阳能光照强度减少到一定强度时,光伏阵列的最大输出功率已经无法继续驱动水泵抽水,主控制器将检测到的控制信号输给充/放电控制器,从而对蓄电池组进行充电。当光伏提水已经满足用户使用
动机一直处于具有恒定电压的电源带动下工作。

2.2光伏变频逆变器主电路及硬件构成

本系统所采用的主电路DC／DC部分采用性能优越的推挽正激式电路进行升压；DC／AC部分采用三相桥式逆变电路。主功率器件采用ASIPM(一体化智能功率模块)，系统控制核心由16位数字信号控制器构成。控制电路包括阵列母线电压检测和水位打干检测电路。系统首先通过初始设置的工作方式和PI参数工作，然后由MPPT子程序实时搜索出的电压值作为内环CVT的给定，通过PI调节得到工作频率值，计算出PWM信号的占空比，实现光伏阵列的真正最大功率跟踪(TMPPT)，并保持异步电机的V／f比为恒值。系统将MPPT和逆变器相结合，利用ASIPM模块自带的故障检测功能进行检测和保护，结构简单，控制方便。

图3变频控制主电路图
2．3 储能逆变系统
储能逆变系统是由充/ 放电控制器、逆变器和蓄电池组构成。当太阳能光照强度减少到一定强度时,光伏阵列的最大输出功率已经无法继续驱动水泵抽水,主控制器将检测到的控制信号输给充/ 放电控制器,从而对蓄电池组进行充电。当光伏提水已经满足用户使用，通过水位监测到的传感信号传输至控制器，使光伏所发电能通过充电控制器为蓄电池组充电，根据用户需求开启逆变器。
应用前景
目前我国特别在西部边远落后贫困地区，由于能源短缺,至今连饮水以及灌溉问题都还没有彻底解决。然而,西北地区地下水资源并不贫乏,目前这些地区地下水资源利用率并不高,其原因之一是缺乏电力供应,若靠架设输电线,投资巨大,但效益甚微,得不偿失。而西北地区的太阳能辐射强,日照时间长,只有利用太阳能光伏水泵系统才能开发地下水资源,解决这些贫困地区的饮水和农牧业用水。太阳能光伏应用领域非常广泛,国内潜在市场需求巨大,大规模发展和应用太阳能光伏水泵系统具有经济、社会、生态环境等多方面的重要意义,也将大大促进我国太阳能工业的发展。
结束语
我国对太阳能的利用刚进入起步阶段，潜力很大，特别是我国地域广袤，太阳能资源丰富，开发利用太阳能的空间广阔，必须重视其开发利用，为今后我国的能源提供更多的选择。
参考文献：
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曹仁贤、余世杰、秦养浩、徐波，微处理器控制光伏水泵SPWM变频器的设计，太阳能学报，1997.01
[3]余世杰、何慧若、曹仁贤，光伏水泵系统中CVT及MPPT的控制比较，太阳能学报，1998.10
[4]沈玉梁、蔡二南、娄志东，带有MPPT功能的光伏水泵专用逆变器，太阳能学报，1994.07