一种光伏扬水系统及其控制方法与流程

本发明属于光伏扬水技术领域，特别是涉及一种光伏扬水系统及其控制方法。

背景技术：

光伏扬水系统以太阳能为动力源，适用于电网覆盖不到的偏远地区的供水，免去铺设电网或输水渠道的投资，易于规划和建设，同时也能实现节能减排的目标，在农业灌溉、荒漠治理、畜牧养殖以及边疆建设等方面，具有巨大的应用市场。

目前大功率的扬水系统常见配置为将电池组件串联或并联形成一个阵列，配置一台对应功率的水泵变频器和水泵，具有这种配置方式的系统结构简单，易于控制，但是，通常水泵要实现有效供水，必须满足扬程和流量的要求，即需要运行到一定的频率才可以有效供水，这就要求光伏电池阵列输出达到一定的功率。在光伏功率没有达到一定的阈值之前，尽管水泵已经运行，但扬程不够高或流量不够大而不能出水，这就会影响水泵的寿命，同时也浪费了光伏能量，光伏利用率和收益率不高，在实际应用中，这种配置的水泵一般需要到接近中午才能开始工作。

另外一种配置方法是将电池组件配置成很多个独立的小阵列，每一个阵列配一套对应功率的水泵变频器和水泵，同样每一套小系统也都需要光伏功率达到对应启动阈值之后才能实现有效供水，和第一种配置方法一样有光伏利用率不高的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种光伏扬水系统及其控制方法，能够随着太阳升起，光伏能量越来越多，主机依次启动从机，以增大系统在一天中的运行时间，从而提高系统对太阳能的利用率和收益率，缩短业主的投资回收周期。

本发明提供的一种光伏扬水系统，包括：

共同与光伏组件阵列连接的主机和至少一个从机，所述主机和所述从机均为光伏水泵变频器；

所述主机和每个所述从机均连接至对应的一个水泵；

所述主机与每个所述从机之间利用通讯线路进行连接，且所述从机受控于所述主机；

所述主机用于获取所述光伏组件阵列的输出功率，随着所述光伏组件阵列的输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述主机和从机的运行频率，和/或，随着所述光伏组件阵列的输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率。

优选的，在上述光伏扬水系统中，所述主机内设置有休眠控制单元，用于当所述主机驱动水泵供水扬程不足时控制所述主机休眠，并在预设周期之后重启所述主机。

优选的，在上述光伏扬水系统中，所述主机内设置有变频控制单元，用于当所述光伏组件阵列的输出功率增大至足以使更多一台从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，启动更多的一台从机并将所述主机和已经启动的从机的输出频率均降至一个相等的值，和/或，当所述光伏组件阵列的输出功率减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一个从机，并将所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至一个相等的值。

优选的，在上述光伏扬水系统中，所述主机还包括最大功率跟踪模块，用于对所述光伏组件阵列进行最大功率跟踪，控制所述光伏组件阵列输出最大功率。

优选的，在上述光伏扬水系统中，所述主机和所述从机均为参数相同的光伏水泵变频器。

本发明提供的一种光伏扬水系统的控制方法，所述光伏扬水系统包括共同与光伏组件阵列连接的主机和至少一个从机，所述主机和所述从机均为光伏水泵变频器，所述从机与所述主机通信连接且受控于所述主机，所述主机和每个所述从机均连接至对应的一个水泵；

所述控制方法包括：

通过所述主机获取所述光伏组件阵列的输出功率；

随着所述光伏组件阵列输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述主机和从机的运行频率，和/或，随着所述光伏组件阵列输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率。

优选的，在上述光伏扬水系统的控制方法中，所述随着所述光伏组件阵列输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述从机的运行频率，和/或，随着所述光伏组件阵列输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率包括：

当开始光照时，所述光伏组件阵列输出功率增大，控制所述主机开始工作，所述主机对所述光伏组件阵列进行最大功率跟踪，且通过所述主机获取所述光伏组件阵列输出功率；

当所述光伏组件阵列输出功率不足以使所述主机对应的水泵达到最低有效供水扬程时，所述主机自动休眠，并以预设周期重启所述主机；

当所述光伏组件阵列输出功率足以使所述主机对应的水泵达到最低有效供水扬程时，所述主机启动相应的水泵开始供水；

当所述光伏组件阵列输出功率继续增大至足以使更多的一台从机驱动的水泵达到最低有效供水扬程时，启动更多的一台从机并设定所述主机和已经启动的从机的运行频率，使所述主机和已经启动的从机的输出频率均降至一个相等的值；

当光照减弱至所述光伏组件阵列输出功率减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一个从机，并调整所述主机和运行中的从机的运行频率，使所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至一个相等的值；

当光照继续减弱时，依次关闭各个所述从机然后关闭所述主机，然后关闭整个系统。

优选的，在上述光伏扬水系统的控制方法中，所述当光伏组件阵列输出功率足以使所述主机对应的水泵的达到最低有效供水扬程时，所述主机启动相应的水泵开始供水为：

当所述光伏组件阵列输出功率足以使所述主机对应的水泵达到最低有效工作频率阈值f₀时，所述主机启动相应的水泵开始供水。

优选的，在上述光伏扬水系统的控制方法中，所述当所述光伏组件阵列输出功率足以使更多的一台从机驱动的水泵达到最低有效供水扬程时，启动更多的一台从机并设定所述主机和已经启动的从机的运行频率，使所述主机和已经启动的从机的输出频率均降至一个相等的值为：

所述主机和所述从机均为具有相同的参数的光伏水泵变频器，当所述光伏组件阵列输出功率增大至使N台正在运行中的光伏水泵变频器的总输出频率Nf_N大于(N+1)f₀时，则继续启动一台从机，并将所述主机和被启动的N台从机的输出频率均降至其中，f_N为处于运行状态中的N台所述光伏水泵变频器的输出频率。

优选的，在上述光伏扬水系统的控制方法中，所述当光照减弱至所述输出功率减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一个从机，并调整所述主机和运行中的从机的运行频率，使所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至一个相等的值为：

当所述光伏组件阵列输出功率减小至使N台所述光伏水泵变频器对应的水泵的运行频率接近f₀时，关闭一个从机，并将所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至其中，f_N为N台所述光伏水泵变频器运行时的输出频率。

通过上述描述可知，本发明提供的上述光伏扬水系统及其控制方法，由于该系统包括共同与光伏组件阵列连接的主机和至少一个从机，所述主机和所述从机均为光伏水泵变频器；所述主机和每个所述从机均连接至对应的一个水泵；所述主机与每个所述从机之间利用通讯线路进行连接，且所述从机受控于所述主机；所述主机用于获取所述光伏组件阵列的输出功率，随着所述输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述主机和从机的运行频率，和/或，随着所述输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率，可见能够随着太阳升起，光伏能量越来越多，主机依次启动从机，从而能够增大系统在一天中的运行时间，从而提高系统对太阳能的利用率和收益率，缩短业主的投资回收周期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的第一种光伏扬水系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的第一种光伏扬水系统的控制方法的示意图；

图3为一种具体的光伏扬水系统的示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于提供一种光伏扬水系统及其控制方法，能够随着太阳升起，光伏能量越来越多，主机依次启动从机，以增大系统在一天中的运行时间，从而提高系统对太阳能的利用率和收益率，缩短业主的投资回收周期。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供的第一种光伏扬水系统如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种光伏扬水系统的示意图。该系统包括：

共同与光伏组件阵列101连接的主机102和至少一个从机103，所述主机102和所述从机103均为光伏水泵变频器，其中，光伏组件阵列101是将整个光伏扬水系统的电池组件按照水泵电压等级串、并联配置成一个大功率光伏阵列，根据现场应用的需要，配置多套小功率光伏水泵变频器和水泵，其中光伏水泵变频器中的一个作为主机，其他作为从机，从机的输出频率由主机给定，且主机和从机可以是相同功率的机型，也可以是不同功率的机型，此处不做限制；

所述主机102和每个所述从机103均连接至对应的一个水泵104；

所述主机102与每个所述从机103之间利用通讯线路105进行连接，且所述从机103受控于所述主机102，主机102通过通信线路105分别向各个从机103发送启停信号并给定从机的运行频率，具体的，可通过CAN、422、Ethernet或模拟量方式进行通讯，如果是模拟量通讯，则模拟量用来控制频率，还需要一路数字量辅助控制变频器的启停；

所述主机102用于获取所述光伏组件阵列101的输出功率，随着所述光伏组件阵列的输出功率的增大，依次启动所述主机102和所述从机103，并设定所述主机102和从机103的运行频率，和/或，随着所述光伏组件阵列的输出功率的减小，依次停止所述从机103和所述主机102，并调整正在运行的主机102和从机103的运行频率。

具体而言，设光伏扬水系统的变频器电机的总功率为P，系统实现有效供水即达到最低有效供水扬程时水泵最低运行频率为f₀，即对应的光伏水泵变频器的输出频率为f₀，采用传统配置一台光伏水泵变频器方法，光伏水泵变频器对应的有效启动功率为：

$P_1=\frac{f_0^3}{{f_e}^3}P$

其中，f_e为变频器的额定输出频率，而采用本申请实施例提供的上述第一种光伏扬水系统，配置N台功率为P₂的水泵变频器和水泵，P＝N×P₂，每台水泵变频器的有效启动功率为：

$P_3=\frac{f_0^3}{{f_e}^3}{P}_2=\frac{f_0^3}{{f_e}^3}\frac{P}{N}$

可见，其有效启动功率仅为传统配置方法的1/N，这就能够更早的启动水泵进行工作，能增加对于太阳能的利用时间，从而提高发电量。

通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种光伏扬水系统，由于包括共同与光伏组件阵列连接的主机和至少一个从机，所述主机和所述从机均为光伏水泵变频器；所述主机和每个所述从机均连接至对应的一个水泵；所述主机与每个所述从机之间利用通讯线路进行连接，且所述从机受控于所述主机；所述主机用于获取所述光伏组件阵列的输出功率，随着所述输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述主机和从机的运行频率，和/或，随着所述输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率，因此能够增大系统在一天中的运行时间，从而提高系统对太阳能的利用率和收益率，缩短业主的投资回收周期。

本申请实施例提供的第二种光伏扬水系统，是在上述第一种光伏扬水系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述主机内设置有休眠控制单元，用于当所述光伏组件阵列输出功率较低、所述主机驱动水泵供水扬程不足时控制所述主机休眠，并在预设周期之后重启所述主机。一般而言，将这种预设周期设置为若干分钟即可，如果休眠时间太长，则对光伏能量的利用率降低，而如果休眠时间太短，则变频器会频繁开关机，降低水泵的使用寿命。休眠一段时间，然后就进行周期性的检测，判断光伏组件阵列当前输出功率是否足以驱动水泵达到最低有效供水扬水，若达到，则主机开始工作，主机驱动对应水泵运转，若未达到，则继续进入休眠状态，如此就避免耗费太多能量，有利于节能减排。

本申请实施例提供的第三种光伏扬水系统，是在上述第二种光伏扬水系统的基础上，还包括如下技术特征：

所述主机内设置有变频单元，用于当所述光伏组件阵列的输出功率增大至足以使更多一台从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，启动更多的一台从机并将所述主机和已经启动的从机的输出频率均降至一个相等的值，和/或，当所述光伏组件阵列的输出功率减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一个从机，并将所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至一个相等的值。

在这种情况下，当光照增大到一定条件时，就能够启动另一台从机，并驱动对应的水泵开始工作，以此类推，逐渐启动更多的从机开始工作，当太阳光较弱时，启动较少数量的水泵进行供水，当太阳光较强时，启动较多数量的水泵进行供水，且在当前光照强度下，在保证有效供水的前提下，最大程度地启用水泵供水，这就能够充分利用太阳光来驱动水泵，而避免了现有技术中一台变频器和一台水泵只能在每天较晚的时段才能够启动，造成能源浪费的问题。

另外，系统关机的控制策略为：光照减弱时，光伏电池阵列的输出功率减小，当不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一套变频器，以提升其他正在运行的变频器的输出频率，使系统继续有效供水，光照继续减弱时，同样依次类推可关闭整个扬水系统。可见，这样就避免了现有技术中一次就关闭整个系统的弊端，能够在光照减弱时依然能够利用现有的太阳能驱动相应数量的水泵，从而在更大程度上对太阳能进行利用，提高太阳能的利用率。

本申请实施例提供的第四种光伏扬水系统，是在上述第一种至第三种光伏扬水系统中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

所述主机还包括最大功率跟踪模块，用于对所述光伏组件阵列进行最大功率跟踪，控制所述光伏组件阵列输出最大功率。

在这种情况下，就能够保证每时每刻都输出阵列的最大功率，避免能源浪费。

本申请实施例提供的第五种光伏扬水系统，是在上述第一种至第三种光伏扬水系统中任一种的基础上，还包括如下技术特征：

所述主机和所述从机均为参数相同的光伏水泵变频器，有利于计算在启停变频器的过程中设定的各自的运行频率，这样就能够更好的设置各自的频率，便于控制。

本申请实施例提供的第一种光伏扬水系统的控制方法如图2所示，图2为本申请实施例提供的第一种光伏扬水系统的控制方法的示意图。所述光伏扬水系统包括共同与光伏组件阵列连接的主机和至少一个从机，所述主机和所述从机均为光伏水泵变频器，所述从机与所述主机通信连接且受控于所述主机，所述主机和每个所述从机均连接至对应的一个水泵；

所述控制方法包括如下步骤：

S1：通过所述主机获取所述光伏组件阵列的输出功率；

S2：随着所述光伏组件阵列输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述主机和从机的运行频率，和/或，随着所述光伏组件阵列输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率。

利用上述控制方法，主机可根据监控到的功率自启停和逐级启停从机，且分配处于运行状态的变频器的运行频率，只要光伏组件阵列输出功率达到一台水泵的有效启动功率，就可以启动一台水泵，并持续工作，增大了系统一天中的运行时间，提高了光伏扬水系统的太阳能利用率和收益率，可缩短业主的投资回收周期。

本申请实施例提供的第二种光伏扬水系统的控制方法，是在上述第一种光伏扬水系统的控制方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述随着所述光伏组件阵列输出功率的增大，依次启动所述主机和所述从机，并设定所述从机的运行频率，和/或，随着所述光伏组件阵列输出功率的减小，依次停止所述从机和所述主机，并调整正在运行的主机和从机的运行频率包括：

当开始光照时，所述光伏组件阵列输出功率增大，控制所述主机开始工作，所述主机对所述光伏组件阵列进行最大功率跟踪，且通过所述主机获取所述光伏组件阵列输出功率；

当所述光伏组件阵列输出功率不足以使所述主机对应的水泵达到最低有效供水扬程时，所述主机自动休眠，并以预设周期重启所述主机；

当所述光伏组件阵列输出功率足以使所述主机对应的水泵达到最低有效供水扬程时，所述主机启动相应的水泵开始供水；

当所述光伏组件阵列输出功率继续增大至足以使更多的一台从机驱动的水泵达到最低有效供水扬程时，启动更多的一台从机并设定所述主机和已经启动的从机的运行频率，使所述主机和已经启动的从机的输出频率均降至一个相等的值；

当光照减弱至所述光伏组件阵列输出功率减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一个从机，并调整所述主机和运行中的从机的运行频率，使所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至一个相等的值；

当光照继续减弱时，依次关闭各个所述从机然后关闭所述主机，然后关闭整个系统。

在该步骤中，为了防止光伏功率发生波动而频繁开关从机，可以设置一定的滞环，这个滞环参数可以定义为一个常数，比如额定频率的20％，假设额定频率为50HZ，则滞环参数可以设置为10Hz，则每次进行判断输出功率是否增大至足以有效启动更多一台从机时或者输出功率是否减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，用于进行判断的水泵最低有效运行频率的标准是经过滞环设置后的频率(f₀+10HZ)。

本申请实施例提供的第三种光伏扬水系统的控制方法，是在上述第二种光伏扬水系统的控制方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述当光伏组件阵列输出功率足以使所述主机对应的水泵的达到最低有效供水扬程时，所述主机启动相应的水泵开始供水为：

当所述光伏组件阵列输出功率足以使所述主机对应的水泵达到最低有效工作频率阈值f₀时，所述主机启动相应的水泵开始供水。

本申请实施例提供的第四种光伏扬水系统的控制方法，是在上述第三种光伏扬水系统的控制方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述当所述光伏组件阵列输出功率足以使更多的一台从机驱动的水泵达到最低有效供水扬程时，启动更多的一台从机并设定所述主机和已经启动的从机的运行频率，使所述主机和已经启动的从机的输出频率均降至一个相等的值为：

所述主机和所述从机均为具有相同的参数的光伏水泵变频器，当所述光伏组件阵列输出功率增大至使N台正在运行中的光伏水泵变频器的总输出频率Nf_N大于(N+1)f₀时，则继续启动一台从机，并将所述主机和被启动的N台从机的输出频率均降至其中，f_N为处于运行状态中的N台所述光伏水泵变频器的输出频率。

具体的，如果当前只有主机在运行，那么当所述主机的输出频率f₁满足f₁³大于2f₀³时，启动更多的一台从机，并将所述主机和已经启动的从机的输出频率降至随着之后光照进一步增强，所能够提供的能量越来越大，主机就能够依次启动更多的从机及其对应的水泵开始工作。当主机和从机的输出频率满足2f₁³至少大于3倍f₀³，主机启动另一台从机，并给定另一台从机的输出频率为同时将主机自身和最先启动的从机的频率降为仍然保持主机做最大功率跟踪，从机作为执行器，输出频率由主机给定，三台水泵变频器的输出频率均保持一致，按此方法依次启动整个扬水系统的其它水泵变频器。

本申请实施例提供的第五种光伏扬水系统的控制方法，是在上述第三种光伏扬水系统的控制方法的基础上，还包括如下技术特征：

所述当光照减弱至所述输出功率减小至不足以支持当前数量的从机驱动水泵达到最低有效供水扬程时，关闭一个从机，并调整所述主机和运行中的从机的运行频率，使所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至一个相等的值为：

所述主机和所述从机均为具有相同的参数的光伏水泵变频器，当所述光伏组件阵列输出功率减小至使N台所述光伏水泵变频器对应的水泵的运行频率接近f₀时，关闭一个从机，并将所述主机和当前运行的从机的输出频率均升高至其中，f_N为N台所述光伏水泵变频器运行时的输出频率。

当光照继续减弱时，依次关闭各个所述从机然后关闭所述主机，然后关闭整个系统。

需要说明的是，当前光伏组件阵列所提供的能量能够支持多少光伏水泵变频器工作，那么就会有多少台光伏水泵变频器处于开启状态，这就能够更加充分的利用太阳能。

当采用更复杂的控制算法时，主机和从机的额定功率可以不一样，通过通讯从机上报自身的额定功率给主机，主机启动从机时，从机和主机的运行频率也可以不一样。

下面以一个具体的例子来对上述方案进行说明，如图3所示，图3为一种具体的光伏扬水系统的示意图。该方案采用300kW、380V的光伏扬水系统，考虑到水泵的效率配置350kW电池组件，选用250W电池组件，开路电压38V，MPP电压31V，18串78并组成一个350kW的电池阵列，经过汇流后接3套100kW的光伏水泵变频器，各水泵变频器通过CAN通讯进行开关机控制和输出频率给定，以及故障状态信息上报，通讯方式也可采用模拟量给定、422或以太网等方式。

假定水泵的额定扬程为100米，客户的需要的扬水高度为20米，则水泵的最低工作频率为22Hz(理想状态不考虑管道损耗)。水泵变频器1设为主机，随着太阳升起，当光伏功率不能满足水泵工作频率22Hz时，水泵变频器1处于休眠状态，经过设定时间后重启，直到水泵可以运行到22Hz以上，系统才真正启动，随着光照增强，水泵的运行频率不断增大，当频率达到28Hz时，通过CAN通讯启动水泵变频器2，同时将变频器1和变频器2的输出频率同步给定为22Hz，随着光照进一步增强，当变频器1和变频器2的输出频率达到25Hz时，通过CAN通讯启动水泵变频器3，同时将变频器1、2、3的输出频率同步给定为22Hz，自此3台变频器全部启动。

光照减弱时，当3台变频器的输出频率达到最低工作频率22Hz时，主机关闭变频器3，同时将变频器1和变频器2的输出频率同步给定为25Hz，随着光照继续减弱，当变频器1和变频器2的输出频率降为22Hz时，主机关闭变频器2，同时将自身输出频率调整为28Hz，直到主机输出频率降低到22Hz，系统进入休眠状态，实际应用中为了防止启动下一台变频器时由于光伏功率波动出现频率切换，会设置切换滞环，即启动时，当时启动第N台变频器，关机时当f_N＜22+Δ₂时，关闭第N台变频器，Δ₁和Δ₂为设置的滞环频率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。