农田灌溉光伏水泵系统性能测试分析

高林朝,张香萍,谢毅,胡国华,孙润超,贾兵,王光

(1.河南省科学院能源研究所有限公司,河南 郑州 450008; 2.郑州市绿文广场管理中心 河南 郑州 450002)

光伏水泵系统相较于常规电泵系统具有节能环保和长期费用低等技术与成本优势,近年来得以商品化推广应用,尤其在农田灌溉抽水和解决偏远无电缺水地区人畜饮用水等方面,展现出显著的经济和社会效益[1-3]。利用太阳能替代柴油或常规电能实现农田灌溉,是现代农业绿色低碳发展的重要途径。光伏水泵系统是一种集光、机、电于一体的灌溉系统,对于系统装置间的适配性要求较高[4]。目前,农田灌溉光伏水泵系统虽然可满足大流量生产要求,但往往功能单一,光伏发电方阵容量大,灌溉水利用效率低,致使系统有效性降低。因此,探究光伏水泵系统农田灌溉综合用能需求特性,拓展系统效率提高途径,提高系统可靠性和实用性,对于农田灌溉光伏水泵系统优化设计和工程应用以及减少农业生产管理温室气体排放等具有重要的科学价值与实践意义。

光伏水泵系统通常由太阳电池光伏方阵、控制器、最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)逆变器和电机水泵等构成。电机水泵是将电能转换成机械能再到流体势能的核心部件,其选型会直接影响扬水系统效率,应根据不同需求选择合理驱动电机类型与水泵规格[5]。近年来,光伏水泵系统技术研究大多集中在系统配置、性能预测和系统评价优化等方面[6-7]。有研究指出,在电机方面,由于太阳电池具有非线性直流电源特性,因此要求系统各部件具有良好运行效率还需要整体优化设计;小功率系统可选用高效直流无刷电机,光伏组件容量在千瓦级及以上的系统应以三相交流感应异步传动方式为主[8-9]。目前,变频控制技术发展已较为成熟,大多数功率较大的光伏水泵电机多为交流变频电机,该类系统性能稳定可靠,槽满率低,再配上兼具MPPT功能的光伏水泵逆变器,可大幅提高电泵全日及全年总平均效率[10-11]。在水泵方面,小流量、高扬程的扬水场合应选用活塞式或螺杆式容积泵,但该水泵对水质要求较高,维护量大[12];较大流量、扬程较高的扬水系统多选用离心泵,有较好使用通用性,可满足农田浇灌需要的大功率工作条件,但系统装置占地面积大、安装成本高、使用范围受限多、年利用率不高且水泵受转速与扬程影响,其系统平均效率低于容积泵[13-14]。相关研究表明,在用的光伏水泵系统扬水效率大多仅有10%～30%[15],用于农田灌溉的现场测试方法还不够丰富,多结果数据相互印证还不足,准确度还有提升空间[16]。因此,需要考察该系统在不同地域、不同水量运行工况下运行情况,进而优化系统配置,以提高光伏水泵系统投资收益率,开发出清洁能源的高效灌溉节水技术与装备,助力现代农业发展。

鉴于光伏水泵系统负载率全日早中晚变化大且可以变频运行等特点[17-18],本研究选择三相交流感应电机驱动的潜水型水泵,通过研发配套的直流/交流(direct current/alternating current,DC/AC)逆变器构建基于高效水泵的光伏发电扬水系统,对不同运行工况下太阳辐照量、输出功率、扬水量和扬水效率等进行性能测试。其中,日辐照量-扬水量特性、流量-扬水效率特性及光伏方阵日发电量与蓄电量比例等已在前期研究中进行了测试分析[19]。在此基础上,本研究着重开展三相交流逆变控制对于农田灌溉光伏水泵系统电性能参数及不同扬程流量-效率与流量-功率特性的影响比较,并评估性能改善效果,以期以较小的光伏组件功率配置用于光伏水泵抽水,从而为提高光伏水泵系统利用效率、扩大应用范围、降低农田灌溉作业成本提供理论依据。

1 系统配置与结构参数

农田灌溉光伏水泵系统及测试装置如图1所示。系统配置参数:太阳电池光伏方阵标称功率2.1 kW,由14组多晶硅电池组件串接而成,单组件长×宽×高=1 480 mm×670 mm×35 mm,最大功率150 W,最大功率点电压17.5 V,最大功率点电流8.57 A,开路电压21.5 V,短路电流9.59 A;方阵正南朝向布置,安装倾角37°,选用高效三相潜水型不锈钢光伏泵,规格SJ 5-12,额定出水量3～5 m3·h-1,扬程范围38～59 m,配置自动变频驱动电机,功率1.1 kW,三相交流电压220 V。蓄水箱外径×高度=1 700 mm×2 600 mm,有效体积5 m3;通过设置高位水箱调整系统扬水高程,设计扬程可在10～25 m范围可调。光伏水泵逆变器为自行研发。

图1 农田灌溉光伏水泵系统及测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of photovoltaic pump system and testing device for farmland irrigation

2 光伏水泵逆变器的开发

2.1 结构与控制原理

研制的YKNP1K1L光伏水泵逆变器结构原理如图2所示。本研究以16位微处理器为核心,通过三相全桥拓扑电路结构和传感器实现对系统状态和工作环境控制。逆变电路主要由主电路、驱动电路、控制电路和保护电路及开关电源等构成。太阳电池光伏方阵输出经储能电容后连接到开关管 PS21865 正极引脚和负极引脚,作为逆变电路输入电源,逆变电路输出端与机泵连接。主电路采用模块化功率器件,具有IGBT 驱动、短路与过载保护和欠压保护等集成功能。控制电路采用SPMC75F2413A中央微处理器,读取和计算处理PWM脉宽与各路检测信号,由V1-V6 桥式PS21865功率管输出三相(U相、V相、W相)对称交变电压,实现最大功率跟踪和逆变电源控制。

图2 光伏水泵逆变器结构图Fig.2 Structure diagram of photovoltaic water pump inverter

2.2 逆变器主要性能指标

自研的YKNP1K1L逆变器采用自然风冷方式,防护等级为IP65,具有电压允许范围宽、输出精度高、正弦波波形失真度小、逆变效率高、电池组件接反与过欠压保护及负载短路保护等特点。主要性能指标如表1所示。

表1 光伏水泵逆变器性能参数Table 1 Performance parameters of photovoltaic water pump inverter

2.3 三相交流异步电机变频调速控制

图3 三相交流电机变频控制原理图Fig.3 The schematic diagram of three-phase AC motor frequency conversion control

3 农田灌溉光伏水泵系统运行特性测试

3.1 测试方法及测试仪器

在搭建的农田灌溉光伏水泵系统测试平台上,先设定扬水高程24.8 m开展运行特性试验,然后设定扬程14.0 m进行对比试验,实测分析不同工况下的光伏水泵流量与系统效率及功率特性。测试时间2020年5月—2021年12月,时刻为09:15—16:35,测试地点郑州市;试验方法依照《太阳能光伏水泵系统》(NB/T32017—2013)[22]。试验期间,采用HT304手持式激光测距仪测定系统扬程,同时,分别监测记录太阳电池光伏方阵的功率、全日发电量和水泵的流量、流速、扬水量及逆变器的输入输出电压、电流、频率等运行状态参数。系统每日人工启闭。TRM-ZH型太阳能室内外综合监测系统每隔10 min自动记录存储瞬时太阳辐射量、环温、风速等数据;光伏水泵逆变器数据采集器型号LDG-271A10021;光伏水泵流量采用TUF-2000E-TS-2-HT-PT100超声波流量计,测量精度±0.1%,外夹式探头V型法置于泵出口稳流满管段,水平安装距离大于10倍管径,每隔10 min自动记录存储数据;其他电工仪表包括UT243钳形谐波功率计和UT204数字钳形万用表。

因为太阳电池组件的材料和温度特性,组件功率随使用时限而衰减,需对已安装使用的组件功率进行实际衰减核验[23-24]。采用PV 900便携式太阳能I-V测试仪,最大功率测试重复性±0.01,测试方法参照《晶体硅光伏(PV)方阵I-V特性的现场测量》(GB/T 18210—2000)[25]。根据已有研究可知,该光伏方阵的电池组件功率衰减率12.5%,因此该光伏方阵实际峰值功率为1.84 kW[26]。

3.2 测试结果与分析

3.2.1 直流输入电流、三相输出电流和输出频率曲线 测试日光伏水泵逆变器的直流输入电流、三相输出电流和输出频率检测结果如图4所示。三相输出电流和输出频率曲线分布特征一致,说明逆变器工作状态正常;逆变器直流输入电流曲线与测试日光伏方阵斜面上的太阳辐照功率分布曲线特征基本一致,大致为正弦态分布。在09:55—14:35时段,斜面上瞬时太阳辐照功率均大于500 W·m-2,正午时段最大值697 W·m-2,此时,光伏方阵发电功率1 341.9 W,直流输入电流7.1 A,水泵流量达2.05 m3·h-1,处于稳定运行状态;14:35以后,由于天气变化瞬时太阳辐射强度有较大减弱,直流输入电流呈近似直线陡降趋势,致水泵流量输出减少,表明逆变器的跟踪控制运行表现较为良好。

图4 直流输入电流、三相输出电流和输出频率曲线Fig.4 Direct input current, three-phase output current and frequency curve

3.2.2 定扬程下流量-输出频率特性 传统的电机水泵运行特性表明,不同扬程所对应的流量和效率均大幅变化[27]。在光伏水泵系统中,太阳电池光伏方阵发电功率受日照强度和环境温度影响而变化,水泵始终处于调速运行状态[28-29]。流量Q、扬程H、功率P与转速n之间满足式(1)—式(3):

Q1/Q2=n1/n2

(1)

H1/H2=(n1/n2)2

(2)

P1/P2=(n1/n2)2

(3)

式中:Q1、Q2分别为泵流量;H1、H2分别为扬程;P1、P2分别为水泵功率;n1、n2分别为转速。

流量与输出频率对应测试结果如图5所示。测试日光伏水泵有效运行时间09:15—16:35,定扬程工况下,水泵在一定范围内调速运行的流量变化趋势与逆变器输出频率变化趋势相同,有较好的一致性。当日照变化时,逆变器实时调整电机输入电压和输出频率,变频调节电机转速,进而调控水泵流量。起始频率值38 Hz,当频率值低至28.48 Hz时,水泵停止工作,此时太阳电池光伏方阵仍有424 W输出电能,也即该光伏水泵系统的扬水阈值。对于实际的系统设计配置时,这部分电能可通过配置高压充放电控制器为蓄电池组进行充电储能,以提高太阳电池组件的能量利用率。

图5 流量输出频率特性曲线Fig.5 Flow-output frequency characteristics curve

3.2.3 定扬程下水泵流量-效率及流量-功率特性 为了分析比较不同扬程时光伏水泵系统的水泵流量与扬水效率及功率性能,本研究在搭建的光伏发电扬水系统试验平台上,采用1.1 kW潜水型离心泵(出水口径3.81 cm)进行性能测试,扬程设定为24.8 m,然后降低扬程为14 m,进行对比试验。

分别选取气候条件相近的2日,即2020-10-29定扬程24.8 m的全天运行状态实测结果(测试当天,晴天,室外温度9～24 ℃,PM2.5值为56,空气湿度17%,3～4级西南风,平均风速0.77 m·s-1,日出06:43—日落17:35,日累积太阳辐射量19 331 W·m-2,日平均太阳辐射量411.29 W·m-2和2021-10-22定扬程14.0 m的全天运行状态实测结果(测试当天,晴天,环境温度6～21 ℃,空气质量PM2.5值为67,空气湿度52%,微风,平均风速0.75 m·s-1,日出06:37—日落17:42,日累积太阳辐射量19 107 W·m-2,日平均太阳辐射量406.53 W·m-2进行分析比较。测试期间,采样周期为10 min,太阳辐射强度与输出功率为采样点的瞬时值,流量为采样点之间的平均值。扬程H1=14.0 m和H2=24.8 m下的水泵流量-效率特性实测数据对比见表2。在搭建的试验系统中,扬水效率随输出频率变化,在初始和终了时段,输出频率较小,但扬水效率较大,最大值达12.7%;在10:25—13:45稳定运行时段,输出频率增大情况下,扬水效率反而降低,但基本上保持稳定值不变,全天平均效率达11.6%,这表明光伏水泵在此定扬程下出力达到最大,也即表明不同扬程下最高扬水效率及对应的频率也不同。

表2 农田灌溉光伏水泵系统流量-效率特性Table 2 Flow-efficiency characteristics of photovoltaic pump system for farmland irrigation

扬程降低到14.0 m时,光伏水泵流量增加量不大,扬水效率反而降低,最大值仅为9.5%,试验当日全天稳定运行后系统扬水平均效率为8.0%,相比较扬程24.8 m的系统最大扬水效率低3.2%,日平均效率低3.6%。这表明减低扬程并不一定能提高系统扬水效率,但对输出流量会有影响。扬程24.8 m的试验系统配置相对较优,水泵运行效率始终较高。

定扬程H1=14.0 m和H2=24.8 m下,水泵流量与光伏方阵发电功率特性参数实测数据对比如表3所示。每个试验日,光伏方阵发电功率随着当天太阳辐射强度的频繁变化而变化,水泵流量变化幅度较大。当光伏方阵发电功率处于1 000 W以上时,水泵流量基本都可达到2 m3·h-1以上,系统处于稳定运行时段,也即此定扬程下水泵出力达到最大,光伏泵流量变化趋势与光伏方阵发电功率分布有较好的一致性。而在上午开始时段和下午终了时段,太阳辐射量变化幅度较大,光伏水泵始终处于不稳定运行时段,也就是水泵一直处于调速运转的状态,水泵流量随输出频率的不同而有一定的变化,从而在一定范围内影响水泵出力。当日出水量累计为13.1 m3,平均出水量1.93 m3·h-1。由光伏水泵系统的应用特性可知,当太阳辐射强度减弱时,水泵的扬水高程会随之降低;而当实际扬程保持不变时,大范围调速运行时的输出流量相应减小。

表3 农田灌溉光伏水泵系统流量功率特性Table 3 Flow-input power characteristics of photovoltaic pump system for farmland irrigation

4 结论与讨论

本研究在选用高效水泵基础上,结合配套研制的逆变器,构建了一种农田灌溉光伏水泵系统。通过对三相全桥拓扑电路结构和传感器开发,结合PI调节器的SPWM正弦脉宽调制技术,实现最大功率跟踪和逆变环节的交流电机变频调速灵活控制。电性能参数测试显示,其最大MPPT效率和逆变效率分别达到99%和97%,MPPT电压调节范围150～400 V,输出电压精度(220±66)V,输出频率范围0～60 Hz。与通常较小容量范围的逆变电源(一般10 kW以下)比较[30-31],该装置具有逆变效率较高,具有电压允许范围宽、输出精度高、通用性好等特点。

太阳辐射强度及环境温度对农田灌溉光伏水泵系统的扬水量有较大影响,特别是日照强度是日扬水量大小的关键因素[32]。为此,本研究对该系统不同扬程运行工况下的电性能参数和流量-输出频率、流量-扬水效率及流量-功率特性等进行了测试分析。结果表明,在一定范围内调速运行的水泵流量与输出频率的变化趋势有较好一致性。这说明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点,显示出该系统频率调节控制动态性能良好。同时,在扬程24.8 m工况下,当日在09:55—14:35期间光伏方阵发电功率达1 000 W以上的运行时段,水泵流量基本都可稳定达到2 m3·h-1,表明在一定太阳辐射量范围内(斜面辐射量大于500 W·m-2),该一系统配置下的水泵出力已达到上限,处于最大扬水量工作状态。这与理论计算基本相符,也符合常规水泵扬水特性表征规律[33-34]。通常将此工作点作为光伏水泵的标称参数,即该光伏水泵系统的标称流量和扬程分别为2 m3·h-1和24.8 m。而在当日的初始和终了时段,太阳辐射强度在较低值区变化幅度较大,光伏水泵调速运行,水泵流量随之变化,处于1～2 m3·h-1范围。日出水量累计为13.1 m3,平均出水量1.93 m3·h-1。据此研究表明,该系统以1.84 kW较小的光伏方阵功率配置(3 kW以下)[35-36],其扬水能力即可满足于省水微灌和植被绿化等基本农业生产需要,降低系统初始建设成本,提高投资收益率,更具实用性。另外,本研究考察了14.0 m和24.8 m不同扬程下该系统流量与扬水效率及功率的影响。结果发现,定扬程24.8 m时,该系统扬水效率最大值和平均值分别达12.7%、11.6%;当扬程14.0 m时,其最大扬水效率和日平均效率仅为9.5%和8.0%,相比前者分别降低了3.2%和3.6%。这表明减低扬程并不一定能提高系统扬水效率,但对输出流量会有影响。这是太阳电池具有的非线性直流电源特性所致,不同扬程下扬水效率及其所对应的调节频率不同,即扬程24.8 m的系统配置相对较优,运行性能始终较好。

本研究设计的农田灌溉光伏水泵系统,以较小光伏方阵功率配置实现了水泵出水量、扬程及启动电流与调速运行等基本功能,可用于电网未及的偏远场合的农田微灌,与目前农田灌溉常用的柴油机或市电驱动水泵扬水相比,没有污染与噪声,全天自动运行(日出而作,日落而停),经济性明显。下一步,通过提高装置匹配和流量测试精度来提高农田灌溉光伏水泵系统的扬水效率,以期获得最大日扬水量和累计月或年抽水量,更好适用于清洁低碳高效的现代农业生产灌溉需要,从而为该系统的推广应用奠定基础。