光伏水泵系统及出水量优化方法与流程

本发明涉及光伏应用领域，特别是涉及一种光伏水泵系统及出水量优化方法。

背景技术：

光伏水泵系统的推广应用，解决了沙漠、海岛、偏远山区等无电地区的灌溉、牲畜和居民饮用水等问题，并对改善生态环境具有重要的意义。

常规的光伏水泵系统中包括光伏组件和单一的一个水泵等设备，水泵对应于特定的“扬程－流量”曲线，扬程指水泵能够扬水的高度，流量指水泵在单位时间内输送水的体积。在晴好天气时，日照强度的变化曲线接近于正弦曲线，当日照强度低于一定阈值时，会导致光伏组件输出的功率小于水泵达到扬程所需要的功率，此时水泵则无法出水。明显无法满足用水量大，需要持续供水的应用场合。如果是多云等日照较弱的天气，整个光伏水泵系统会出水量极少甚至无法出水，降低了对日照能量的利用效率。

通常可以考虑在光伏水泵系统中安装蓄电池共同为水泵供电，但安装蓄电池需增加一定成本，并且增加了后期维护和更换的费用，因此，目前的光伏水泵系统极少应用。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种光伏水泵系统及出水量优化方法，提高对日照能量的利用效率。

一种光伏水泵系统，包括：

水泵模块，包含与不同的日照强度区间分别对应匹配的多个水泵，所述多个水泵有共连的出水管道；

与光伏组件和水泵模块连接的功率输出模块，用于接收并输出所述光伏组件输送的电量至所述水泵模块；

控制模块，用于根据所述出水管道的流量数据和所述功率输出模块的输出功率数据获取对应的日照强度区间，并根据获取的日照强度区间生成控制信号传递至水泵切换模块；

连接于所述水泵模块和功率输出模块之间的水泵切换模块，用于根据接收的控制信号切换所述水泵模块中对应的水泵连接所述功率输出模块。

在其中一个实施例中，还包括：

设置于所述出水管道的流量采集模块，所述流量采集模块连接所述控制模块，用于采集所述出水管道的流量数据并传递至所述控制模块。

在其中一个实施例中，还包括：

与所述功率输出模块和控制模块连接的功率采集模块，用于采集所述功率输出模块的输出功率数据并传递至所述控制模块。

在其中一个实施例中，所述控制模块包括：

获取一单元，用于获取所述出水管道的流量数据和所述功率输出模块的输出功率数据；

处理单元，用于对所述获取一单元获取的流量数据和输出功率数据进行处理；

确定单元，用于根据所述处理单元处理后的流量数据和输出功率数据确定对应的日照强度区间；

获取二单元，用于获取与所述确定单元确定的日照强度区间对应匹配的水泵；

控制信号生成单元，用于生成将所述获取二单元获取的对应匹配的水泵与所述功率输出模块连接的控制信号。

在其中一个实施例中，所述不同的日照强度区间匹配有预设的流量区间和功率区间；

所述确定单元包括：

流量确定单元，用于确定所述处理单元处理后的流量数据所在的预设的流量区间；

功率确定单元，用于确定所述处理单元处理后的输出功率数据所在的预设的功率区间；

判断单元，用于根据所述流量确定单元确定的流量区间和所述功率确定单元确定的功率区间判断匹配的日照强度区间。

在其中一个实施例中，所述流量区间为连续区间，所述处理单元包括流量数据处理单元，所述流量数据处理单元包括：

临界值加单元，用于当所述获取一单元获取的流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，将所述临界值加上预设的变动值作为新的临界值；

临界值减单元，用于当所述获取一单元获取的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，将所述临界值减去预设的变动值作为新的临界值。

在其中一个实施例中，所述流量区间为连续区间；

所述处理单元包括流量数据处理单元，所述流量数据处理单元包括：

流量加单元，用于当所述获取一单元获取的流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据加上预设的流量值作为新的流量数据；

流量减单元，用于当所述获取一单元获取的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据减去预设的流量值作为新的流量数据。

以上所述光伏水泵系统中，水泵模块包括与不同的日照强度区间分别对应匹配的多个水泵，控制模块根据出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据可以获取对应的日照强度区间，并生成控制信号，水泵切换模块根据该控制信号可以切换与获取的日照强度区间匹配的水泵进行工作，从而在不同的光照强度下，水泵模块均可以工作，在提升对日照能量的利用效率的同时提高光伏水泵系统的出水量。

一种出水量优化方法，基于以上所述的光伏水泵系统，所述出水量优化方法包括：

采集出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据；

对采集的流量数据和输出功率数据进行处理；

根据处理后的流量数据和输出功率数据获取对应的日照强度区间；

根据日照强度区间切换对应的水泵。

在其中一个实施例中，所述日照强度区间匹配有预设的流量区间和功率区间；

所述根据处理后的流量数据和输出功率数据获取对应的日照强度区间包括：

判断处理后的流量数据所在的预设的流量区间和处理后的输出功率数据所在的功率区间；

根据判断出的流量区间和功率区间确定匹配的日照强度区间。

在其中一个实施例中，所述流量区间为连续区间，所述对采集的流量数据进行处理包括：

当采集的流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，将所述临界值加上预设的变动值作为新的临界值；

当采集的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，将所述临界值减去预设的变动值作为新的临界值。

在其中一个实施例中，所述流量区间为连续区间，所述对采集的流量数据进行处理包括：

当采集的流量数据下降至小于两个连续的流量区间的临界值时，则将获取的流量数据加上预设的流量值作为新的流量数据；

当采集的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据减去预设的流量值作为新的流量数据。

在其中一个实施例中，所述根据日照强度区间切换对应的水泵包括：

根据所述日照强度区间生成对应的控制信号；

根据所述控制信号切换对应的水泵。

以上所述出水量优化方法中，根据出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据可以获取对应的日照强度区间，根据日照强度区间可以切换对应的水泵工作，从而在不同的光照强度下，对应的水泵均可以工作，从而提升对日照能量的利用效率并提高光伏水泵系统的出水量。

附图说明

图1为一实施例的光伏水泵系统的结构连接示意图；

图2为一实施例的光伏水泵系统的电路连接示意图；

图3为图1中控制模块140的结构示意图；

图4为一实施例的出水量优化方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，一实施例的光伏水泵系统包括用于发电的光伏组件110，还包括：

水泵模块150，包含与不同的日照强度区间分别对应匹配的多个水泵，多个水泵有共连的出水管道；

与光伏组件110和水泵模块150连接的功率输出模块120，用于接收并输出光伏组件110输送的电量至水泵模块150；

控制模块140，用于根据出水管道的流量数据和功率输出模块120的输出功率数据获取对应的日照强度区间，并根据获取的日照强度区间生成控制信号传递至水泵切换模块130；

连接于水泵模块150和功率输出模块120之间的水泵切换模块130，用于根据接收的控制信号切换水泵模块150中对应的水泵连接功率输出模块120。

以上所述光伏水泵系统中，水泵模块包括与不同的日照强度区间分别对应匹配的多个水泵，控制模块根据出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据可以获取对应的日照强度区间，并生成控制信号，水泵切换模块根据该控制信号可以切换与获取的日照强度区间匹配的水泵进行工作，从而在不同的光照强度下，水泵模块均可以工作，在提升对日照能量的利用效率的同时提高光伏水泵系统的出水量。

本实施例中，出水管道中设置有流量采集模块，流量采集模块连接控制模块140，用于采集出水管道的流量数据并传递至控制模块140。明显的，本实施例的流量数据为出水管道的出水量，为水泵在单位时间内输送水的体积。

本实施例设置有与功率输出模块120和控制模块140连接的功率采集模块，用于采集功率输出模块120的输出功率数据并传递至控制模块140。其中，功率输出模块120为MPPT(最大功率跟踪控制)功率输出模块，包括直流控制器或交流控制器等。

本实施例中，水泵模块150包括的多个水泵可以为直流或交流水泵。每个水泵分别对应一个日照强度区间，即每个水泵的“扬程－流量”曲线为分别在对应的日照强度区间下优化后的曲线。

如图3所示，控制模块140包括：

获取一单元141，用于获取出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据；

处理单元142，用于对获取一单元141获取的流量数据和输出功率数据进行处理；

确定单元143，用于根据处理单元142处理后的流量数据和输出功率数据确定对应的日照强度区间；

获取二单元144，用于获取与确定单元143确定的日照强度区间对应匹配的水泵；

控制信号生成单元145，用于生成将获取二单元144获取的对应匹配的水泵与功率输出模块连接的控制信号。

本实施例中，不同的日照强度区间匹配有预设的流量区间和功率区间，根据预设的流量区间和功率区间即可确定对应的日照强度区间。具体的，确定单元143包括：

流量确定单元，用于确定处理单元处理后的流量数据所在的预设的流量区间；

功率确定单元，用于确定处理单元处理后的输出功率数据所在的预设的功率区间；

判断单元，用于根据流量确定单元确定的流量区间和功率确定单元确定的功率区间判断匹配的日照强度区间。

本实施例中，流量区间为连续区间。当流量数据在两个连续区间的临界值处变动时，流量数据可能反复变动，在短时间内一会大于或一会小于临界值，容易导致反复切换水泵，降低出水量，加速设备磨损。

作为本实施例的一种实现方式，可以通过对临界值的变化避免反复切换水泵。具体的，本实施例中，处理单元包括流量数据处理单元，流量数据处理单元包括临界值加单元和临界值减单元。

临界值加单元用于当获取一单元获取的流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，将临界值加上预设的变动值作为新的临界值。

当流量数据下降时，如果其小于临界值时，由于流量数据所在的流量区间发生变化，会导致切换水泵，此时，将临界值加上预设的变动值作为新的临界值后，由于新的临界值较大，因此，当流量数据在原来的临界值附近变化时，只有其大于新的临界值时，才会导致切换水泵，可有效避免反复切换水泵。

临界值减单元用于当获取一单元获取的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，将临界值减去预设的变动值作为新的临界值。

当流量数据上升时，如果其大于临界值时，由于流量数据所在的流量区间发生变化，会导致切换水泵，此时，将临界值减去预设的变动值作为新的临界值后，由于新的临界值较小，因此，当流量数据在原来的临界值附近变化时，只有其小于新的临界值时，才会导致切换水泵，可有效避免反复切换水泵。

作为本实施例的另一种实现方式，还可以通过对流量数据进行处理避免反复切换水泵。具体的，处理单元包括流量数据处理单元，流量数据处理单元包括流量加单元和流量减单元。

流量加单元用于当获取一单元获取的流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据加上预设的流量值作为新的流量数据。

当流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，可以将获取的流量数据加上预设的流量值形成新的流量数据，在流量数据下降时，只要新的流量数据大于临界值，则获取的流量数据仍然处于同一流量区间，因此，在流量数据下降时，预设的流量值可以作为迟滞水泵切换的滞回区间，防止反复切换水泵。

流量减单元用于当获取一单元获取的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据减去预设的流量值作为新的流量数据。

当流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，可以将流量数据减去预设的流量值形成新的流量数据，只要新的流量数据仍然小于临界值，在流量数据上升时，则获取的流量数据仍然处于同一流量区间，因此，在流量数据上升时，预设的流量值可以作为迟滞出水量优化的死区，防止反复切换水泵。

以下通过具体实现对本实施例作进一步说明。如图2所示，水泵模块150设置有三个水泵，分别为水泵1、水泵2和水泵3，且三个水泵共用一个出水管道。三个水泵分别对应不同的日照强度区间，不同的日照强度区间分别匹配的流量区间和功率区间。水泵切换模块130设置有分别控制该三个水泵的开关。光伏组件110连接功率输出模块120。出水管道中设置有流量采集模块，功率输出模块120连接有功率采集模块。

当本实施例的光伏水泵系统在工作时，流量采集模块采集出水管道的流量数据，功率采集模块采集功率输出模块120的输出功率数据，控制模块140接收到流量数据和输出功率数据后进行处理，并判断处理后的流量数据所在的流量区间和输出功率数据所在的功率区间，根据判断出的流量区间和功率区间即可确定对应的日照强度区间，控制模块140生成对应的控制信号，该控制信号用于在被水泵切换模块130接收后将确定的日照强度区间对应的水泵与功率输出模块120连接。

本实施例中，将三个水泵1、水泵2和水泵3分别对应低、中、强三档日照强度，本实施例的日照强度区间规定如下：

低日照强度S∈[0～300W/m2)；

中日照强度S∈[300～700W/m2)；

高日照强度S∈[700～1000W/m2]。

与日照强度区间匹配的流量区间和功率区间如下：

功率区间：[0，P1)，[P1，P2)，[P2，Pmax)；

流量区间：[0，Q1)，[Q1，Q2)，[Q2，Qmax)。

对于流量数据Q和输出功率数据P，规定如下：

当P<P1，且Q<Q1时，对应低日照强度；

当P1<＝P<P2，且Q1<＝Q<Q2时，对应中日照强度；

当P>P2，且Q>Q2时，对应高日照强度。

本实施中，日照强度区间、流量区间、功率区间优选均为连续区间，以上三种区间可以根据实际应用场景进行数据的具体调整，也可以采用非连续区间，或者其中一个或二个采用连续或非连续区间。

当流量数据Q和输出功率数据P不满足上述规定时，则水泵可能处于堵转和空转的状态，可视为故障。

对于流量区间[0，Q1)，[Q1，Q2)，[Q2，Qmax)。当日照强度满足一定条件时，会导致流量数据Q在两个连续的区间的临界点上下变动，如Q1或Q2，这样会导致反复地切换水泵。例如，流量数据Q可能一会大于Q1，此时，需要切换至水泵2，一会流量数据Q可能会小于Q1，又需要切换加水泵1，反复切换水泵会导致出水量降低并增加设备损耗。

因此，本实施例的一种解决方式是，当流量数据Q下降至小于两个流量区间的临界值时，由于流量数据Q所在的流量区间发生变化，切换水泵，并将临界值加上预设的变动值△Q作为新的临界值。当流量数据Q上升至大于流量区间的临界值时，由于流量数据Q所在的流量区间发生变化，切换水泵，并将临界值减去预设的变动值△Q作为新的临界值。

具体的，当流量数据Q从区间[Q1，Q2)下降至小于Q1时，则有Q1’＝Q1+△Q。由于流量数据Q所在的区间为[0，Q1’)，因此，会由水泵2切换至水泵1。此时，如果流量数据Q在原来的临界值Q1附近变动时，只要流量数据Q小于新的临界值Q1’，则不会切换水泵，由于新的临界值Q1’大于原来的临界值Q1，可有效避免反复切换水泵。本实施例中，△Q可以为10％Q1，也可以根据需要设置更为具体的数值或关系式。

当流量数据Q从区间[0，Q1)上升至大于Q1时，则有Q1’＝Q1－△Q。由于由于流量数据Q所在的区间为[Q1’，Q2)，因此，会由水泵1切换至水泵2。此时，如果流量数据Q在原来的临界值Q1附近变动时，只要流量数据Q大于新的临界值Q1’，则不会切换水泵，由于新的临界值Q1’小于原来的临界值Q1，可有效避免反复切换水泵。

同理，当流量数据Q从区间[Q2，Qmax)下降至小于Q2且大于Q1时，则有Q2’＝Q2+△Q。由于流量数据Q所在的区间为[Q1，Q2’)，因此，会由水泵3切换至水泵2。此时，如果流量数据Q在原来的临界值Q2附近变动时，只要流量数据Q小于新的临界值Q2’，则不会切换水泵，由于新的临界值Q2’大于原来的临界值Q2，可有效避免反复切换水泵。

当流量数据Q从区间[Q1，Q2)上升至大于Q2时，则有Q2’＝Q2－△Q。由于流量数据Q所在的区间为[Q2’，Qmax)，因此，会由水泵2切换至水泵3。此时，如果流量数据Q在原来的临界值Q2附近变动时，只要流量数据Q大于新的临界值Q2’，则不会切换水泵，由于新的临界值Q2’小于原来的临界值Q2，可有效避免反复切换水泵。

本实施例中的另一种解决方式中，当流量数据Q下降至小于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据Q加上预设的流量值△Q作为新的流量数据。当流量数据Q上升至大于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据Q减去预设的流量值△Q作为新的流量数据。

具体的，当流量数据Q从区间[Q1，Q2)下降至小于Q1时，则有Q＝Q+△Q。如果由Q+△Q得出的新的流量数据仍在区间[Q1，Q2)，则不需要切换水泵，否则，表示流量数据Q下降的较大，需要切换水泵，此时可以从水泵2切换到水泵1。明显的，△Q可以作为迟滞水泵切换的滞回区间，防止反复切换水泵。本实施例中，△Q可以为10％Q1，也可以根据需要设置更为具体的数值或关系式。

当流量数据Q从区间[0，Q1)上升至大于Q1时，则有Q＝Q－△Q。如果由Q－△Q得出的新的流量数据仍在区间[0，Q1)，则不需要切换水泵，否则，表示流量数据Q上升的较大，需要切换水泵，可以从水泵1切换至水泵2。

同理，当流量数据Q从区间[Q2，Qmax)下降至小于Q2且大于Q1时，则有Q＝Q+△Q。如果由Q+△Q得出的新的流量数据仍在区间[Q2，Qmax)，则不需要切换水泵，否则，表示流量数据Q下降的较大，需要切换水泵，此时可以从水泵3切换到水泵2。

当流量数据Q从区间[Q1，Q2)上升至大于Q2时，则有Q＝Q－△Q。如果由Q－△Q得出的新的流量数据仍在区间[Q1，Q2)，则不需要切换水泵，否则，表示流量数据Q上升的较大，需要切换水泵，可以从水泵2切换至水泵3。

由此，在不同的光照强度下，可以选择相应的水泵工作，提高出水量，提升对日照资源利用率。

一实施例的水泵切换方法基于以上所述的光伏水泵系统，如图4所示，水泵切换方法包括步骤S120至步骤S180。

步骤S120，采集出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据；

步骤S140，对采集的流量数据和输出功率数据进行处理；

步骤S160，根据处理后的流量数据和输出功率数据获取对应的日照强度区间；

步骤S180，根据日照强度区间切换对应的水泵。

以上所述水泵切换方法中，根据出水管道的流量数据和功率输出模块的输出功率数据可以获取对应的日照强度区间，根据日照强度区间可以切换对应的水泵工作，从而在不同的光照强度下，对应的水泵均可以工作，从而提升对日照能量的利用效率并提高光伏水泵系统的出水量。

本实施例中，日照强度区间匹配有预设的流量区间和功率区间；其中，步骤S160根据处理后的流量数据和输出功率数据获取对应的日照强度区间包括：

判断处理后的流量数据所在的预设的流量区间和处理后的输出功率数据所在的功率区间；

根据判断出的流量区间和功率区间确定匹配的日照强度区间。

其中一实施例中，流量区间为连续区间，步骤S140对采集的流量数据进行处理包括：

当采集的流量数据下降至小于两个连续流量区间的临界值时，将所述临界值加上预设的变动值作为新的临界值；

当采集的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，将所述临界值减去预设的变动值作为新的临界值。

另一实施例中，流量区间为连续区间，步骤S140对采集的流量数据进行处理包括：

当采集的流量数据下降至小于两个连续的流量区间的临界值时，则将获取的流量数据加上预设的流量值作为新的流量数据；

当采集的流量数据上升至大于两个连续流量区间的临界值时，则将获取的流量数据减去预设的流量值作为新的流量数据。

本实施例中，步骤S180根据日照强度区间切换对应的水泵包括：

根据日照强度区间生成对应的控制信号；

根据控制信号切换对应的水泵。

需要指出的是，本实施例水泵切换方法的具体实现基于以上光伏水泵系统具体内容，具体参照本实施例对光伏水泵系统的所述内容。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。