一种扬程选优光伏水泵系统的制作方法

本发明涉及太阳能光伏系统应用控制领域，具体地说涉及一种扬程选优光伏水泵系统。

背景技术：

由于扬程选优光伏水泵系统一般不加储能设备，弃光问题及能量利用效率问题在光伏水泵应用系统中是普遍存在的现象，因此各设备生产商都在设法把弃光现象降到最低。另外由于太阳光照朝升夕落的规律及天气情况的不确定性，扬程选优光伏水泵系统在工作的过程中总会发生频率变化导致的水泵扬程及压力不足，从而导致供水量达不到预期的效果，满足不了用户正常生产生活用水。在公知的技术中，为提高光伏组件的利用效率，克服供水不足等问题主要采用以下三种控制方案：一是采用太阳能光伏水泵集群控制，对光伏组件能量进行合理分配，二是加大光伏组件配置比例，确保即使在光照不足的情况下也能正常给用户供水；三是市电互补供电，能保证随时提水，太阳能组件产生的电能也能全部利用。

首先公知技术中太阳能光伏集群控制技术能够根据太阳光的强弱选择启动全部或者部分水泵，保证水能够从上水位出水口流出，在组件利用效率上有一定提高效果，但是系统结构相对复杂，产品成本高，特别是在中小规模的扬程选优光伏水泵系统中，系统的经济性相当差。其次就是加大光伏组件配置比例的方案，虽然也能保证日取水量，但组件利用效率极低，弃光问题非常严重，工程造价经济性不佳。再次通过市电互补方式供水，同样存在系统建设经济性及日后维护管理成本等诸多问题。

由于绝大多数供水系统并不需要将水提到最高点再往下放，比如说给一个村的用户供水，有一半人居住在100m以下扬程区域，另一半人居住在100m以上200m以下的扬程区域，则系统设计中，并不需要将所有水提到200m高的地方再往下供水，仅需要把一半的水提到200m高的地方，另一半水提到100m高的地方即可，因此“通过高提高用”、“低提低用”，一方面可以减少能量的浪费，另一方面还可以减少部分架设管道的成本、减少管道处于高压状态的时间，使得系统的整体利用效率、可靠性、安全性、经济性都达到最优的效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的缺陷，提供一种扬程选优光伏水泵系统，克服现有技术存在的独立的光伏水泵都采用变频控制的方案解决太阳能光照不足的情况下系统的运行问题，而水泵的扬程又与其转速的平方成正比，因此水泵转速下降，直接导致其扬程下降的缺陷。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种扬程选优光伏水泵系统，包括太阳能电池方阵、内置有逆变主控系统电路的光伏水泵变频逆变器、水泵、与水泵连接的输水管道和与输水管道连通的多个出水分管、设置于每一个出水分管管道出水口处电磁阀、控制电磁阀开关的无线通信及供电模块；光伏水泵变频逆变器实时跟踪太阳能电池方阵的最大功率点，通过计算分析后输出确定的电压和频率驱动水泵工作，同时再根据水泵的实时转速确定输水管道上最优的出水口的位置，光伏水泵变频逆变器内部的无线串口模块向外发送带有地址编码的开关控制信号，出水分管出水口处安装的无线通信及供电模块收到光伏水泵变频逆变器的无线电信号后对信号进行解析和比对，确定各自位置的开关状态，之后输出相应开关控制信号驱动电磁阀进行开关动作。

在太阳辐照强度高的时候，光伏水泵变频逆变器通过无线串口信号发送指令关闭所有的低水位出水口的电磁阀，优先提满最高水位的蓄水池，然后依次往下灌满相关蓄水池；若早晨太阳升起的时候，水泵出水口压力相对较低，此时光伏水泵变频逆变器通过无线串口数据收发模块向外发送控制命令打开输水管道最下端出水分管的电磁阀，使得最底端出水分管的出水口能够正常出水，随着太阳光照强度的增强，水泵转速增加，水泵出水口压力增大，光伏水泵变频逆变器通过计算分析水泵旋转频率和设定的出水口扬程要求，打开相应出水分管的出水口的电磁阀，同时关闭较低出水分管出水口的电磁阀，随着太阳光照强度的增加，水泵的转速和供水扬程也逐步增加，直至达到最高扬程；下午太阳落山的时候，水泵工作方式与太阳升起的时候工作过程相反；另外就是在天气状况阴晴不定，光照忽强忽弱的时候，光伏水泵变频逆变器自动跟踪太阳能输入功率和水泵转速，并控制相应高度处的电磁阀打开，其余电磁阀关闭，使得水泵出水口选择在最佳的供水位置，因此不论何时太阳板产生的电能总能得到最大效率的利用。

作为对上述技术方案的改进，所述输水管道在设置有若干个止回阀，最低位置的止回阀位于水泵的出水口处，其余止回阀位于出水分管与输水管道连接处的上端。止回阀防止相关出水口之上的水回流。

作为对上述技术方案的改进，该水泵为交流水泵。

作为对上述技术方案的改进，所述光伏水泵变频逆变器包括通用变频器和主控电路模块；太阳能电池方阵的输出端连接到通用变频器的直流输入端，通用变频器的三相交流输出端对应连接到水泵的输入端，通用变频器的直流弱电电源输出端及rs485通信接口对应连接到主控电路模块的相应端口，主控电路模块的usart通信端口连接到执行端无线串口通信模块的相应端口上。

作为对上述技术方案的改进，所述通用变频器包括整流防逆电路和逆变电路，所述整流防逆电路和逆变电路间桥联有滤波电路；所述无线通信及供电模块包括主控电路模块和与主控电路模块相连接的控制端无线串口通信模块，所述主控电路模块与整流防逆电路间设置有直流采样电路，与逆变电路间设置有开关驱动电路，与水泵的u、v、w输入端间设置有交流采样电路；太阳能方阵的输出端正负极对应连接到整流防逆电路的输入端，整流防逆电路的输出端对应连接到滤波电路的正负极并作为直流母线输入到逆变电路的输入端，逆变电路的三相交流输出端对应连接到交流水泵的u、v、w输入端，直流采样电路的输入端连接到整流防逆电路的输出端，直流采样电路的输出端连接到主控电路模块的模数转换接口，交流采样电路的输入端对应连接到逆变电路的三相交流输出端，交流采样电路的输出端连接到主控电路模块的另一组模数转换接口，主控电路模块的spwm波形输出端口连接到开关驱动电路的输入端，开关驱动电路的输出端连接逆变电路的开关控制端，主控电路模块的usart串行通信接口连接到控制端无线串口通信模块的usart串行通信接口。

太阳能电池方阵产生的电能通过整流防逆电路连接到系统直流母线上，母线上的电能通过滤波电路进行滤波后进入逆变电路，主控电路模块通过直流采样电路采集太阳能电池方阵输入的电压电流值后经计算分析，通过开关驱动电路驱动逆变电路输出相应电压和频率的交流电为交流水泵供电，同时主控电路模块根据设定的水泵转速和扬程高度关系，通过控制端无线串口通信模块将各个出水口开关控制信号发送出去。

作为对上述技术方案的改进，所述扬程选优光伏水泵系统还包括太阳能离网供电系统，该太阳能离网供电系统包括太阳能电池板、控制器和蓄电池，太阳能电池板的输出端连接到控制器的太阳能板输入端，蓄电池的正负极连接到控制器的蓄电池输入端正负极，控制器的直流输出控制端连接到电磁阀的输入控制端，控制器的usart串行通信接口连接到执行端无线串口通信模块的usart串行通信接口。

太阳能离网供电系统为执行端无线串口通信模块和电磁阀供电，无线串口模块收到通信信号后将信号内容传送给控制器，由控制器对数据进行解析并执行相应的工作指令。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明的扬程选优光伏水泵系统，通过控制输水管道的出水口高低，直接匹配光伏水泵转速变化带来的扬程流量变化，使得输水管道上的出水口总是在水泵供水情况最优的扬程高度上，从而使得系统能够有效利用光伏组件产生的电能，同时也满足用户实际用水的需求。（1）能够有效降低太阳能扬程选优光伏水泵系统中光伏组件的配置比例，减低弃光比例，最大限度实现太阳能的利用，从而降低扬程选优光伏水泵系统的投资成本；（2）无需将全部水提到最高的位置后再往下供水，避免能量浪费；（3）采用太阳能供电和无线数字串口控制的电磁阀，无需专门敷设供电导线和通信电缆，管道上出水口位置的选择与电磁阀安装灵活方便；（4）能实时跟踪太阳光的强弱，自动选择最优的扬程打开电磁阀进行供水；（5）能有效缓解供水管道底端的压力，降低管道由于长期高压状态下带来的维护保养的问题。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的电路原理简图；

图3为逆变主控系统电路及其连接关系原理图；

图4为电磁阀供电及无线数据收发模块原理图。

具体实施方式

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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1、2、3、4所示，本发明的扬程选优光伏水泵系统，包括太阳能电池方阵1、内置有逆变主控系统电路的光伏水泵变频逆变器2、水泵3、与水泵3连接的输水管道和与输水管道连通的多个出水分管、设置于每一个出水分管管道出水口处电磁阀5、控制电磁阀5开关的无线通信及供电模块6；光伏水泵变频逆变器2实时跟踪太阳能电池方阵1的最大功率点，通过计算分析后输出确定的电压和频率驱动水泵3工作，同时再根据水泵3的实时转速确定输水管道上最优的出水口的位置，光伏水泵变频逆变器2内部的无线串口模块向外发送带有地址编码的开关控制信号，出水分管出水口处安装的无线通信及供电模块6收到光伏水泵变频逆变器2的无线电信号后对信号进行解析和比对，确定各自位置的开关状态，之后输出相应开关控制信号驱动电磁阀5进行开关动作。水泵的入水端连接水池7。

在太阳辐照强度高的时候，光伏水泵变频逆变器2通过无线串口信号发送指令关闭所有的低水位出水口的电磁阀5，优先提满最高水位的蓄水池，然后依次往下灌满相关蓄水池；若早晨太阳升起的时候，水泵3出水口压力相对较低，此时光伏水泵变频逆变器2通过无线串口数据收发模块向外发送控制命令打开输水管道最下端出水分管的电磁阀5，使得最底端出水分管的出水口能够正常出水，随着太阳光照强度的增强，水泵3转速增加，水泵3出水口压力增大，光伏水泵变频逆变器2通过计算分析水泵旋转频率和设定的出水口扬程要求，打开相应出水分管的出水口的电磁阀5，同时关闭较低出水分管出水口的电磁阀5，随着太阳光照强度的增加，水泵3的转速和供水扬程也逐步增加，直至达到最高扬程；下午太阳落山的时候，水泵3工作方式与太阳升起的时候工作过程相反；另外就是在天气状况阴晴不定，光照忽强忽弱的时候，光伏水泵变频逆变器2自动跟踪太阳能输入功率和水泵3转速，并控制相应高度处的电磁阀5打开，其余电磁阀5关闭，使得水泵3出水口选择在最佳的供水位置，因此不论何时太阳板产生的电能总能得到最大效率的利用。

所述输水管道在设置有若干个止回阀4，最低位置的止回阀于水泵3的出水口处，其余止回阀于出水分管与输水管道连接处的上端。止回阀4防止相关出水口之上的水回流。该水泵3为交流水泵。

所述光伏水泵变频逆变器2包括通用变频器8和主控电路模块9，所述无线通信及供电模块6包括控制端无线串口通信模块10；太阳能电池方阵1的输出端连接到通用变频器8的直流输入端，通用变频器8的三相交流输出端对应连接到水泵3的输入端，通用变频器8的直流弱电电源输出端及rs485通信接口对应连接到主控电路模块9的相应端口，主控电路模块9的usart通信端口连接到控制端无线串口通信模块10的相应端口上。

所述通用变频器8包括整流防逆电路11和逆变电路12，所述整流防逆电路11和逆变电路12间桥联有滤波电路13；所述主控电路模块9与整流防逆电路11间设置有直流采样电路14，与逆变电路12间设置有开关驱动电路15，与水泵3的u、v、w输入端间设置有交流采样电路16；太阳能方阵1的输出端正负极对应连接到整流防逆电路11的输入端，整流防逆电路11的输出端对应连接到滤波电路13的正负极并作为直流母线输入到逆变电路12的输入端，逆变电路12的三相交流输出端对应连接到交流水泵3的u、v、w输入端，直流采样电路14的输入端连接到整流防逆电路11的输出端，直流采样电路14的输出端连接到主控电路模块9的模数转换接口，交流采样电路16的输入端对应连接到逆变电路12的三相交流输出端，交流采样电路16的输出端连接到主控电路模块9的另一组模数转换接口，主控电路模块9的spwm波形输出端口连接到开关驱动电路15的输入端，开关驱动电路15的输出端连接逆变电路12的开关控制端，主控电路模块9的usart串行通信接口连接到控制端无线串口通信模块10的usart串行通信接口。

太阳能电池方阵1产生的电能通过整流防逆电路11连接到系统直流母线上，母线上的电能通过滤波电路13进行滤波后进入逆变电路12，主控电路模块9通过直流采样电路14采集太阳能电池方阵输入的电压电流值后经计算分析，通过开关驱动电路15驱动逆变电路12输出相应电压和频率的交流电为交流水泵3供电，同时主控电路模块9根据设定的水泵3转速和扬程高度关系，通过控制端无线串口通信模块10将各个出水口开关控制信号发送出去。

作为对上述技术方案的改进，所述扬程选优光伏水泵系统还包括太阳能离网供电系统，该太阳能离网供电系统包括太阳能电池板17、控制器18和蓄电池19，太阳能电池板17的输出端连接到控制器18的太阳能板输入端，蓄电池19的正负极连接到控制器18的蓄电池输入端正负极，控制器18的直流输出控制端连接到电磁阀5的输入控制端，控制器18的usart串行通信接口连接到执行端无线串口通信模块的usart串行通信接口。

太阳能离网供电系统为无线串口通信模块和电磁阀供电，无线串口模块收到通信信号后将信号内容传送给控制器18，由控制器18对数据进行解析并执行相应的工作指令。

系统工作原理就：在太阳辐照强度高的时候，光伏水泵变频逆变器通过无线串口信号发送指令关闭所有的低水位出水口的电磁阀，优先提满最高水位的蓄水池，然后依次往下灌满相关蓄水池；若早晨太阳升起的时候，水泵出水口压力相对较低，此时光伏水泵变频逆变器通过无线串口数据收发模块向外发送控制命令打开输水管道上最下端的电磁阀，使得最底端的出水口能够正常出水，随着太阳光照强度的增强，水泵转速增加，水泵出水口压力增大，光伏水泵变频逆变器通过计算分析水泵旋转频率和设定的出水口扬程要求，打开相应出水分管的出水口的电磁阀，同时关闭较低出水分管出水口的电磁阀，随着太阳光照强度的增加，水泵的转速和供水扬程也逐步增加，直至达到最高扬程；下午太阳落山的时候，水泵工作方式与太阳升起的时候工作过程相反；另外就是在天气状况阴晴不定，光照忽强忽弱的时候，光伏水泵变频逆变器自动跟踪太阳能输入功率和水泵转速，并控制相应高度处的电磁阀打开，其余电磁阀关闭，使得水泵出水口选择在最佳的供水位置，因此不论何时太阳板产生的电能总能得到最大效率的利用。

本发明的扬程选优光伏水泵系统及其水泵扬程选优控制方法，通过控制输水管道的出水口高低，直接匹配光伏水泵转速变化带来的扬程流量变化，使得输水管道上的出水口总是在水泵供水情况最优的扬程高度上，从而使得系统能够有效利用光伏组件产生的电能，同时也满足用户实际用水的需求。（1）能够有效降低太阳能扬程选优光伏水泵系统中光伏组件的配置比例，减低弃光比例，最大限度实现太阳能的利用，从而降低扬程选优光伏水泵系统的投资成本；（2）无需将全部水提到最高的位置后再往下供水，避免能量浪费；（3）采用太阳能供电和无线数字串口控制的电磁阀，无需专门敷设供电导线和通信电缆，管道上出水口位置的选择与电磁阀安装灵活方便；（4）能实时跟踪太阳光的强弱，自动选择最优的扬程打开电磁阀进行供水；（5）能有效缓解供水管道底端的压力，降低管道由于长期高压状态下带来的维护保养的问题。