1 引言
光伏水泵系統是典型的光機電一體化高新技術，為聯合國國際開發署（UNDP）向發展中國家推薦的首選技術。據報道全世界已有數萬臺不同規格的光伏水泵系統投入了運行，且其應用規模在逐年擴大，特別是在亞、非、拉等發展中國家。據報道印度近五年來新安裝的光伏水泵系統約有4000臺套，并計劃再推廣安裝50000臺套。預計到2010年世界上將有50萬套光伏水泵系統投入運行。我國經過十幾年的努力,已成功地研制出2.5kW和5kW光伏水泵系統，并在不同地區相繼投入實地運行。目前這些系統基本上采用恒定電壓跟蹤器(CVT)代替最大功率點跟蹤器(MPPT)。對于全年冬夏溫差較大的地區，由于CVT不能適應太陽電池方陣伏安特性隨光強和溫度的變化，引起系統工作點偏離太陽電池方陣最大功率點，造成系統失配損失。本文介紹2.5kW光伏水泵系統的構成和典型的實地運行試驗數據，并對系統典型的日瞬態工作點特性進行了分析討論。
2 系統基本構成
光伏水泵系統主要由太陽電池方陣，逆變控制器，電機和水泵四部分構成。太陽電池方陣由四組并聯組成，每組由18塊35W單晶硅太陽能電池組件串聯組成。單塊組件工作電壓約為17V,工作電流約為2A。每組工作電壓約為306V，工作電流約為2A。方陣總輸出工作電壓約為DC306V，總工作電流約為8A，標稱輸出總功率2500W。
逆變控制器將太陽電池方陣輸出的直流電逆變為三相交流電，輸入電壓DC300V，額定輸出電壓AC220V，起始工作頻率25Hz。主要由定電壓跟蹤器（CVT），Duck式DC/DC變換器、可控壓控振蕩器(V/f），環形分配器，逆變器的驅動及主電路，為控制電路供電的DC/DC變換器六部分組成。
三相異步電動機和潛水泵構成潛水電泵總成，變頻運行。電機標稱功率1.5kW，額定工作電壓三相220V。水泵為6英寸5級潛水泵，額定揚程45m。
3 實地運行數據采集
太陽電池方陣安裝方位為南偏西10°，傾角30°～55°可調。逆變控制器置于泵站室內陰涼、通風、干燥處。潛水泵置于機井內動態水位以下15m，出水管采用法蘭連接。系統安裝完成后，先檢查太陽電池方陣的輸出電壓，再將四組太陽電池方陣逐一并聯接入逆變控制器，啟動逆變器驅動電機進行運行實驗,采集數據。圖1為現場太陽電池方陣實物照片。
圖1 光伏水泵系統太陽電池方陣實物照片
運行數據采集所用儀器儀表為
1）國產DT9907C型數字萬用表；
2）日產HCL－60數字溫度計；
3）II級標準太陽電池（標準值Isc=159.11mA）。將標準太陽電池固定在太陽電池方陣面上，測定入射到方陣面上瞬時太陽輻射強度。同時測定方陣輸出工作電流，工作電壓，組件溫度和環境溫度。每隔1h采集一次數據，典型日實地運行數據見表1。
表1 2.5kW光伏水泵系統典型日實地運行數據
| 當地時間/h | 輻射光強/（W/m2） | 方陣電壓/V | 方陣電流/A | 組件溫度/℃ | 環境溫度/℃ |
|---|---|---|---|---|---|
| 8:00 | 250 | 294 | 2.0 | 27 | 25 |
| 9:00 | 485 | 297 | 4.0 | 43 | 26 |
| 10:00 | 503 | 298 | 5.0 | 50 | 28 |
| 11:00 | 742 | 298 | 6.0 | 49 | 30 |
| 12:00 | 830 | 298 | 6.0 | 58 | 28 |
| 13:00 | 566 | 296 | 4.0 | 50 | 29 |
| 14:00 | 730 | 296 | 6.4 | 50 | 29 |
| 15:00 | 642 | 297 | 5.0 | 53 | 32 |
| 16:00 | 516 | 296 | 4.4 | 54 | 32 |
| 17:00 | 324 | 295 | 2.4 | 46 | 31 |
| 17:30 | 300 | 292 | 2.0 | 38 | 31 |
4 數據分析與討論
由典型日運行數據可以看出,系統瞬時工作電壓基本跟蹤在296V附近,并隨太陽輻射強度和組件溫度的變化而漂移。分析表1的數據發現，當太陽輻射強度為730W/m2，組件溫度50℃，方陣工作電壓296V時，方陣工作電流達6.4A。而當太陽輻射強度為830W/m2，組件溫度58℃，方陣工作電壓298V時，方陣工作電流為6.0A。方陣工作電流隨太陽輻射強度的增加反而減小，反映了系統瞬態工作點偏離了最大功率點。圖2為某典型日太陽輻射強度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時變化。由此可進一步看出，在方陣工作電壓基本恒定的情況下，方陣工作電流開始隨太陽輻射強度的增加而線性增加，當達到某一值時隨太陽輻射強度的增加反而下降。當太陽輻射強度減小時，方陣工作電流開始略有增加隨后線性下降。在太陽輻射較強的時段方陣工作電流出現反常現象。這是因為隨組件溫度的升高方陣伏安特性變差，CVT不能適應這種瞬態變化使系統偏離最大功率點，導致功率損失。
圖2 太陽輻射強度、方陣工作電壓和工作電流的瞬時變化
圖3為組件溫度隨太陽輻射強度的瞬時變化情況，由此可看出環境溫度基本恒定，組件溫度隨太陽輻射強度的變化近似線性變化，當環境溫度30℃,太陽輻射強度為750W/m2時,組件溫度達60℃，太陽輻射強度和組件溫度的變化導致系統工作點的漂移。圖4為典型日系統瞬態工作點變化情況。綜合分析可知，夏季在太陽輻射較強的時段工作電壓設定在296V偏高，不能使系統有效地工作。
圖3 組件溫度隨太陽輻射強度的瞬時變化
圖4 典型日系統瞬態工作點變化情況
5 結語
光伏水泵系統采用定電壓跟蹤器(CVT)雖然制作簡單成本較低,但系統瞬態工作點不能適應太陽電池方陣伏安特性隨溫度和光強的瞬態變化。在方陣工作電壓基本恒定的情況下，方陣工作電流隨太陽輻射強度的變化出現反常現象。系統工作點偏離方陣輸出最大功率點，導致系統功率損失。隨著微電子技術和電力電子技術的發展，為使光伏水泵系統發揮應有的作用，從技術上應真正實現最大功率跟蹤(MPPT)，使系統更經濟合理。