恒定电压跟踪光伏水泵系统瞬态工作点特性分析

摘要：采用定电压跟踪器(CVT)的光伏水泵系统在不同地区已成功地投入实际应用。实地运行数据表明,CVT不能适应太阳电池方阵伏安特性的变化,使系统瞬态工作点偏离方阵输出最大功率点，导致系统功率损失。报道了2.5kWp光伏水泵系统的基本构成和典型实地运行数据，并对系统瞬态工作点特性进行了分析讨论。

关键词：光伏水泵系统；瞬态工作点；数据分析

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I_sc=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。