光伏水泵系统功率配比分析及仿真*

钟小娟， 马逊， 廖华， 刘祖明， 侯晨雪， 秦本乾， 张文强， 孙玲尧

(云南师范大学 太阳能研究所，云南 昆明 650500)

1 引 言

太阳能作为清洁能源被人类广泛应用于各个领域，光伏水泵系统(Photovoltaic pump system)是光伏技术的重要应用之一，适用于无电缺水的偏远地区[1].光伏水泵系统是一个比较典型的光、机、电一体化系统，主要由光伏组件、光伏水泵控制逆变器、水泵和蓄水池构成[2].

对于光伏水泵系统实际应用中的安装设计，我国出台了相关标准[3]，但对系统的关键参数缺乏规范，导致在工程设计中只能根据经验设定参数，严重影响了光伏水泵的运行性能.近年来，国内外学者对光伏水泵系统的优化设计方面进行了大量研究[4-6]，然而没有从系统的效率和能效等方面对性能参数进行验证.

本文综合考虑光伏水泵系统的损耗，得到最佳系统功率配比范围，并采用光伏设计软件PVsyst建模，仿真系统能效比(Performance Ratio，PR)和供水保证率以验证最佳系统功率配比.

2 光伏水泵系统功率配比研究

2.1 理想情况下的系统功率配比

在计算系统功率配比时，系统设计目标设定为水泵全天满功率运行5～5.5 h[7].参照离网光伏系统设计来确定光伏水泵系统的光伏阵列容量[8]

(1)

式中：PPV为光伏阵列装机容量，W；PP为水泵额定功率，W；HP为水泵满功率运行时间，h；GSTC为标准测试辐照度，1 000 W/m2；G为日平均太阳辐射总量，Wh/；η为系统效率.根据式(1)可得光伏阵列装机容量与水泵额定运行功率的配比

(2)

2.2 光伏水泵系统效率分析

由于损耗的存在(如表1，未考虑组件的衰减)，光伏水泵在实际运行中(全工况下)，η无法达到100%，所以需要对理想情况下的系统功率配比进行修正.

表1 光伏水泵系统效率损耗值

由表1，光伏阵列的效率

r1=(1-X1)×(1-X2)×…×(1-X5)

(3)

交流端的效率

r2=(1-X6)×(1-X7)×(1-X8)

(4)

则系统总效率为：

r=r1×r2

(5)

从而修正的系统功率配比

(6)

2.3 光伏水泵系统性能评估参数

可利用年供水保证率和泵站综合能效比[15]对光伏水泵系统进行评估，年供水保证率

(7)

式中ηp为光伏提水系统年供水保证率，%；Qh总为年总提水量，m3；Qr总为年总需水量，m3.能效比

(8)

式中，Yf为输出水功率，W；Yr为光伏输入功率，W.

3 仿真与分析

以昆明当地辐照资源为例进行设计，图2为昆明月平均峰值日照时数，数据来源于Meteonorom数据库，可以看出昆明一年中四月份的太阳辐照资源最好，月平均峰值日照时数为5.62 h，昆明年平均峰值日照时数为4.18 h.

图1 云南昆明月平均峰值日照时数

根据表1，光伏水泵系统中光伏阵列日常运行效率为r1=81.4%.交流端的运行效率为r2=91.2%，可得光伏水泵系统的日常运行效率为74.2%，在日常运行情况下，根据式(6)可以计算出光伏水泵系统的功率配比为1.612～1.774.

在光伏水泵系统设计软件PVsyst中，通过仿真不同功率配比的光伏水泵系统对计算的最佳功率配比范围进行验证.系统仿真地点为云南昆明，选用的气象数据为Meteonorom数据库中的Meteonom7.2station-synthetic.根据系统建设地的气象数据集和地理位置，得出光伏阵列的最佳倾角为30°，方位为正南.

在系统仿真中通过设置季节性用水需求来确定水泵功率，仿真选用的光伏水泵系统部件参数如表2所示.本次仿真的光伏水泵系统为深井光伏抽水系统，其原理图如图2所示.图中HG为地面以上的输送高度，HS为地下静态水位，HD为抽水时的水位与静态水位之差，Hmax为水泵吸入口的位置与静态水位之差，系统仿真时分别设置为7 m、20 m、5 m和10 m.

表2 仿真系统部件参数

图2 深井抽水原理图

光伏水泵深井提水系统仿真以理论计算得出的光伏阵列与水泵最佳功率配比范围为基础，结合单块组件功率(280 Wp)以及控制逆变器所能承受的最大电压(500-850 V)和电流范围(13 A)，在配比范围临界点和配比范围内外共设置五组配比.其中，配比范围临界点的功率配比选择1.610和1.750,配比范围之间的功率配比选择1.680，功率配比以外的配比选择1.400和1.995两种比例.

通过PVsyst仿真软件进行仿真对比，表3为仿真结果.能效大于50%且年供水保证率大于95%[16]的光伏水泵系统可评价为高效光伏水泵系统[17].从仿真结果可以看出，对于功率配比1.40的光伏水泵系统，其PR值最大，但是年供水保证率低于95%；对于功率配比为1.995的系统，年供水保证率最高，但是PR值低于50%，所以配比在1.400和1.995的都不符合高效水泵系统的要求.配比为1.610、1.680和1.750的光伏水泵系统年供水保证率均大于95%，PR值高于50%，符合高效光伏水泵系统的要求.

表3 系统仿真结果

4 结 语

针对光伏水泵实际应用中的功率匹配问题，将光伏系统设计经验与光伏水泵理论设计相结合，搭建出系统功率配比模型.根据国家相关行业标准和行业规范定性和定量的方式分析损耗因素，对系统功率配比模型进行修正，得出最佳系统功率配比范围.

通过光伏水泵仿真软件进行仿真验证，得出云南昆明的光伏水泵系统的日常运行最佳功率配比的范围为1.612～1.774.