太阳能泵动态运行特性试验测试

2022-04-12谈明高唐晓晨刘厚林

中国农村水利水电 2022年4期

邱勇，狄猛，谈明高，唐晓晨，刘厚林

（1.江苏振华海科装备科技股份有限公司，江苏泰州 225500；2.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013）

0 引言

太阳能泵一般指太阳能水泵，主要是利用光伏阵列装置将太阳能直接转化为电能，为负载的水泵和电机提供正常工作所需要的电力。在日照充足、尤其是缺电供电困难的边远地区，太阳能泵系统是最具吸引力的供水方式，系统不需人员看管，无需柴油和电网，从而大大节约了运行成本。同时，太阳能资源清洁，利于环境保护。

太阳能泵系统发展至今，国内外学者对该系统的运行性能开展了多方面的研究。Alonso［1］等对光伏发电技术应用于农业和家用水泵抽水的能量需求进行了详细研究，阐明了太阳能泵的工作原理。王明飞［1］使用基于SI4463 标准的太阳能无线灌溉控制器，以太阳能为电源，可以达到长期工作无需更换电池的目的，并且在控制双路灌溉阀门的同时可以完成水量信息采集工作，在农田测试中运行稳定。Edzard［3］等从农作物的需水问题与供水最优化问题出发，探讨了太阳能发电系统在灌溉设备中的应用，将日间水泵出水余量储存在地势较高的水塔中以满足夜间灌溉需求，从系统整体合理分配能效的角度解决了光伏灌溉供水不均匀的问题。Masheleni［4］等通过使用精密控制器对太阳能进行良好的控制，显著提高了系统的效率。罗斌［5］等针对传统喷灌系统在山地缺电地区运行不稳定的问题，研究了光伏自动灌溉系统在山地运行的可行性和稳定性，提出了一种基于太阳能自动控制灌溉系统，有效提高了生产效率，降低了生产成本。Carrêlo［6］等研究指出近年来随着农业应用电费的急剧增加，消除阻碍大功率光伏灌溉系统（PVIS）的技术壁垒可使光伏喷灌系统的性价比大幅提升。Tamilvanan［7］等研究了一种太阳能滴灌技术，通过光伏发电减少了电池的使用周期，减少了整体能量消耗。徐政［8］等基于不同转速、扬程的条件下对多种光伏水泵进行试验测试，并对扬水效率进行分析对比，探讨并总结了系统的优化选型规则。刘厚林［1］等根据光伏水泵运行时流量以及扬程的变化特性，采用不同的额定流量与最大流量之比与系统匹配并做了试验分析，结果表明泵负载流量-扬程特性斜度较大的更适合太阳能泵全工况运行。Bouzidi［10］针对阿尔及利亚的撒哈拉沙漠地区资源缺乏的问题，研究了太阳能抽水系统对当地农业和畜牧业的应用，并对光伏阵列、贮水池及抽水系统产生的水进行优化利用，通过敏感性分析得出，在沙漠地区太阳能水泵比传统水泵更具有竞争力。

虽然对太阳能泵系统有了一定的研究，然而目前有关日照辐射强度变化对太阳能泵系统输出特性的影响研究还较少。为此，本文在搭建太阳能泵系统试验台基础上，对日照辐射强度瞬变为±100 W/m2和±200 W/m2的光伏阵列输出特性和泵出口压力脉动进行了研究和分析，为开发高效稳定的太阳能泵提供一定的参考。

1 太阳能泵性能测试系统

1.1 试验测试装置

本文通过试验测试的手段来测试太阳能泵系统的性能和运行特性，图1为测试系统的开式试验台及各组件示意图［11］。

图1 太阳能泵系统性能测试试验台Fig.1 Performance test bench for solar pump system

1.2 试验测量仪器

试验台主要测量仪器为光伏发电组件模拟电源、太阳能泵控制器、压力脉动传感器、压力变送器、电磁流量计和泵输出参数测试仪等，实现性能参数的同步采集。系统测试所需的仪器性能参数如表1所示。

表1 太阳能泵性能测量仪器及性能参数Tab.1 Performance measurement instrument and performance parameters of solar pump

1.3 试验方案

针对太阳辐射强度瞬态变化情况，在试验装置最优配置条件下对不同太阳辐射强度变化梯度光伏阵列输出功率和泵出口压力脉动进行测试。

为了研究光伏水泵系统动态特性，基于光伏阵列模拟电源，测量了日照强度瞬态变化（瞬态变化时间为1 s）幅度为±100 W/m2（500～600，600～700，700～800，800～900，900～1 000 W/m2）和±200 W/m2（400～600，600～800，800～1 000 W/m2）下的光伏阵列输出特性和水泵出口的压力脉动。

2 试验结果与分析

2.1 光伏阵列输出功率变化研究分析

2.1.1 关于日照辐射瞬态升高的光伏阵列输出功率变化研究

图2为日照辐射强度瞬态升高时光伏阵列输出功率变化曲线。从图2中可以得出，日照辐射瞬态升高前，光伏阵列功率输出较为稳定。日照辐射瞬态升高后，系统在2～3 s 内趋于稳定。当日照辐射低于700 W/m2时，光伏阵列输出功率波动较大，系统运行的稳定性降低。这是因为随着日照辐射的降低，水泵运行工况逐渐向小流量偏移，造成系统的不稳定运行。

从图2（a）可以看出，随着基础日照辐射的增加，光伏阵列在日照辐射瞬态变化后达到稳态运行所需的时间逐渐缩短，输出功率升高幅度逐渐降低。400～500 W/m2与900～1 000 W/m2达到稳态运行时间相差3 s。日照辐射900～1 000 W/m2时，光伏阵列耗时1.5 s达到稳态。这是因为随着基础日照辐射的增加，水泵功率逐渐趋于额定值，受日照辐射瞬变的影响逐渐减小。从图2（b）可以看出，日照辐射瞬态升高幅度较大时，系统的响应时间增加，瞬态响应在2～3 s 达到稳态。随着基础日照辐射的增加，瞬态响应时间逐渐缩短。与图2（a）相比，光伏阵列均在高基础日照辐射下较快达到稳态，但升高幅度均较小。当低基础日照辐射瞬态增加时，光伏阵列功率输出均出现明显的振荡现象。

图2 日照辐射强度瞬态升高时光伏阵列输出功率变化Fig.2 The variation of output power of photovolt array with transient increase of sunshine radiation

对比两种日照瞬态变化速率，结合图2（a）（b）可以看出，日照辐射瞬态升高值较大时，系统达到同样光照强度下的稳态所需时间增加2 s。例如当日照辐射从800 W/m2瞬态升高至1 000 W/m2时分为两种方式即：一从800 W/m2直接升高至1 000 W/m2；二是先瞬态升高至900 W/m2，再瞬态升高至1 000 W/m2。如图3所示。由图3 可以看出，方式一达到稳态所需时间比方式一多2 s。这是因为随着日照辐射瞬态变化值的增加，控制器进行最大功率点追踪的时间也会相应增加。相较于100 W/m2的瞬态增加幅度，当日照辐射瞬态增加200 W/m2时，光伏阵列出现振荡功率输出。

图3 800～1 000 W/m2两种瞬态升高方式对比Fig.3 Comparison of two transient rise methods of 800-1000W/m2

2.1.2 关于日照辐射瞬态上升的光伏阵列输出功率变化研究

图4 为日照辐射瞬态降低时光伏阵列输出功率变化曲线。由图4（a）可以看出，日照辐射瞬态降低前，光伏阵列输出稳定；日照辐射瞬态降低时，随着基础日照辐射的增加，光伏阵列出现明显的振荡输出特性；当瞬态降低出现在基础日照辐射低于800 W/m2时，光伏阵列输出功率出现先快速下降再缓慢上升直至稳定运行的现象，这可能是瞬态降低时间较短，最大功率点追踪的响应无法适应于该状况，日照辐射强度稳定后，对最大功率点进行追踪，系统运行稳定。从图4（b）可以看出，日照辐射瞬态降低较大时，系统的响应时间显著增加，瞬态响应在5～15 s 达到稳态。日照辐射在1 000～800 W/m2时，光伏阵列输出功率呈现波动状。对比两种变化方式，结合图4（a）（b）可以看出，相较于100 W/m2瞬态降低幅度，当日照辐射瞬态降低200 W/m2时，光伏阵列输出性能出现明显下降，系统达到同样光照强度下的稳态需要的时间更长，增加约2 s。这是因为当日照辐射瞬态降低较大时，光伏阵列输出瞬间下降较多，水泵转速出现突然下降造成流动紊乱并且控制器难以进行最大功率点追踪，二者互相影响从而造成光伏阵列输出波动的现象。

图4 日照辐射强度瞬态时降低光伏阵列输出功率变化Fig.4 The variation of output power of photovolt array with transient decrease of sunshine radiation

2.2 泵出口压力脉动变化研究分析

2.2.1 关于日照辐射瞬态上升的泵出口压力脉动变化研究

图5为日照辐射强度瞬态升高时泵出口压力变化曲线。从图5（a）可以看出，随着基础日照辐射升高，泵出口压力响应时间逐渐减小。瞬态上升为900～1 000 W/m2的日照辐射时响应时间最短，约0.08 s，而日照辐射瞬态改变为500～600 W/m2时的响应时间最长，大约1.9 s。从图5（b）可以看出，随着基础日照辐射增加，泵压力更快达到稳态，响应时间从2 s逐渐向0.5 s靠近。泵出口压力上升幅度随着基础日照幅度的增加而递减。这是因为随着基础日照辐射的增加，泵转速逐渐上升并且转速受日照辐射影响逐渐降低，进而泵出口压力能较快达到稳定。从图5（c）、（d）、（e）可以发现，相较于100 W/m2的瞬态增加幅度，当日照辐射瞬态增加到200 W/m2时，系统达到稳态所需的时间显著增加。低基础日照辐射下，较大的瞬态日照辐射增加，更易引起泵出口的不稳定压力波动。日照辐射接近1 000 W/m2时，最大功率点追踪性能更强，这是因为当日照辐射为1 000 W/m2时，太阳能泵系统在设计工况点附近运行，最大功率追踪点适应性更强。

图5 日照辐射瞬态升高泵出口压力变化Fig.5 Variation of pump outlet pressure with transient increase of sunshine radiation

2.2.2 关于日照辐射瞬态下降的泵出口压力脉动变化研究

图6 为日照辐射瞬态降低时泵出口压力变化曲线。从图6（a）和（b）可以看出，随着基础日照辐射降低，泵出口压力均出现先降后升再逐渐趋于稳定的变化趋势，与光伏阵列输出功率的变化相对应。由于日照辐射在1 000～900 W/m2和1 000～800 W/m2时，光伏阵列输出功率出现较大的波动，导致泵出口压力脉动出现明显的周期性波动，但泵出口压力达到稳态所需时间远小于光伏阵列所需时间；从图6（c）、（d）、（e）可以看出，随着基础日照辐射的增加，泵出口压力在较大瞬态日照辐射增加下需要花费更久的时间达到稳态；800～600 W/m2与700～600 W/m2最终日照辐射强度都为600 W/m2，此时的泵出口压力脉动几乎一致，而在实际运行过程中最大功率点追踪限制了这种变化，使得响应时间较大，故而试验时瞬变后3 s 内泵出口压力脉动显著变化。