庫布齊沙漠光伏發電提水灌溉控制研究

李 潔，仝學文

(內蒙古科技大學 信息工程學院 ,內蒙古 包頭 014010)

1 引言

可再生新能源的開發利用是實現綠色可持續發展的重要途徑，已引起了全世界的廣泛關注，太陽能光伏灌溉也是其研究和應用領域之一。在中國西部缺電的偏遠地區，通常日照時間長，太陽能資源豐富，但也是缺水和嚴重生態退化的地區[1]。 因此，西部地區太陽能集水節水灌溉的發展，不僅可以充分利用分布廣泛的綠色能源，有效解決日益緊張的能源不足問題，而且可以在荒漠地區發展節水節能高效灌溉，起到保護綠化生態環境的作用，具有良好的社會和經濟效益。

2 光伏發電提水灌溉背景及發展現狀

太陽能被視為綠色能源。世界工業化的快速發展帶來了傳統能源的危機。根據國際能源署發布的報告，可再生能源在2015年首次超過煤炭。作為一種可再生和友好的能源，太陽能為能源結構調整提供了機會。早在20世紀80年代，國外專家學者就開始研究太陽能節水灌溉技術。節水灌溉系統首先使用太陽能來抽水以提供能源。Edzard Hafner等人在優化作物需水量和選擇泵的基礎上，討論了太陽光發電系統在滴灌設備中的應用。自2000年以來，我國引入了大量太陽能節水灌溉技術。

3 光伏提水灌溉系統

光伏發電在農業灌溉中的一種常見應用方式是光伏提水灌溉系統。該系統主要由光伏發電系統，逆變器轉換電能，水泵機組抽水，儲水設施儲水和噴灑灌溉系統組成。系統正常運轉時，光伏陣列先將太陽能轉換為電能，然后通過逆變器轉換為交流電向水泵提供電能驅動水泵，該水泵提水到蓄水設施，再對荒漠綠地灌溉。

太陽能光伏電池(也稱為光伏電池)是系統運行的第一環節，其主要功能是將光能轉換為電能[2]。 作為系統電源部分重要研究方向之一，對光伏電池特性的分析研究有助于認識光伏電池的發電儲能原理。 光伏電池是光伏發電部分，其等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

在進行計算時，將光伏電池其自身電阻視為理想電阻，即Rs→∞，Rsh→∞，均可以忽略不計，根據電路原理得到光伏電池的等效電路數學表達式為：

I=Iph-Is-Ish

(1)

I=Iph-I0(eqU/NKT-1)

(2)

在式(2)中：I、U是光伏電池的輸出電流和輸出電壓，I0是反向飽和電流，Iph是光電流、Q、K、T分別是電子載荷、玻爾茲曼常數和熱力學溫度，都是常量，N是二極管因子。當電路斷路時，這時電路總電流I=0，可以將式(2)改寫為：

(3)

其中Iph的按照下式(4)計算：

(4)

式(4)中,G為太陽光照強度(單位：勒克斯)，ISCR和Kt分別是光伏電池的短路電流和電流溫度系數，這兩個參數是常量。由式(3)和式(4)知光伏電池的輸出特性主要受環境溫度和光照強度的影響。因此光伏電池在工作過程中，需要實時的檢測輸出電壓和輸出電流電流，保證系統達到最大的工作效率。

根據光伏電池的等效電路，在MATLAB 仿真軟件中搭建的光伏電池仿真模型，可以得出光伏板的I-V特性取曲線。圖2為光伏組件在不同輻射照度情況下是I-V和P-V特性曲線。

圖2 不同太陽輻射下I-V和P-V曲線

4 恒壓供水系統的運轉分析

4.1 恒壓供水基于的調速原理

變頻器變頻調速工作原理 是通過安裝在系統中的壓力傳感器，將系統壓力信號與設定壓力值進行比較，然后由控制器無限調節泵的轉速，調節變頻器的輸出，使系統水壓始終穩定，不受流量變化的影響穩定在一定范圍內[3]。

本系統正常運行時，管網壓力傳感器將管網壓力信號傳送給控制系統。信號經過控制系統處理傳送給變頻器，變頻器輸出頻率將會隨之動態變化。當用水量增加，給定壓力高于管網壓力時，變頻器增加輸出頻率，水泵電機轉速的增加，供水量增大；反之，用水量減少時，給定壓力低于管網壓力時，變頻器降低輸出頻率，水泵的電機降速，供水量減少。當工作壓力滿足正常用水壓力時，水泵轉速不再變化，使噴灌達到恒壓供水的目的得以重復。而當一臺泵供水不能達到用水需求時，則采用兩臺泵聯合運行。當需水量不大時，采用1號泵變頻工作運行；當用1號泵供水不能滿足用水需求時，1號泵工頻運行，啟動2號泵變頻運行，兩臺泵同時供水；當用水需求量逐漸減少時，按相應的啟動順序停止。依次循環工作方式運行，保證了噴灌管網系統維持在恒壓狀態。

4.2 PLC控制變頻調速系統的功能設計

本系統設計了變頻器自動和手動變頻切換兩種輸出方式，使電機能在工頻穩態和變頻不同狀態穩定運行。在電機工作在變頻狀態時，該系統能根據監測的蓄水池的壓力值，適時調整電機的轉速，滿足系統所需用水量。當實際轉速低于給定轉速時，能實現電機轉速的閉環控制。

4.3 系統監控軟件設計

通過PLC和力控的應用，在上位機上完成對電機在線實時重要參數的監控與控制。監控系統組態采用力控組態軟件進行組態，它與STEP7編程軟件緊密結合縮短了項目開發的周期。

5 結語

根據庫布齊沙漠水土地理特征，對該項目進行實施是可行的。庫布齊沙漠的地下蘊藏著水資源，陽光充沛，空間廣闊。用太陽能陣列將光能轉化成電能，以此驅動灌溉系統運行。同時，通過使用自動控制技術，結合植物需水和土地的特點，為保證系統的正常運行，應按土壤特性和節水灌溉技術進行智能灌溉控制，及時準確地進行環境管理。本設計使用清潔能源發電提水灌溉庫布齊沙漠地區。