CN102403776B - 空调用混合供电系统及混合供电方法 - Google Patents

空调用混合供电系统及混合供电方法 Download PDF

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Abstract

本发明空调用混合供电系统包括AC交流电源、整流桥、Boost2升压电路、太阳能电池阵列、Boost1升压电路、电容、逆变器及压缩机，其中太阳能电池输出经Boost1升压电路接入直流母线侧，该Boost1升压电路中接入第一开关管的PWM1信号由太阳能电池输出功率控制系统产生；AC交流电源输出经整流桥及Boost2升压电路接入直流母线侧，该Boost2升压电路中接入第二开关管的PWM2信号由功率因数校正控制系统提供。本发明混合供电方法：当空调器的功率大于太阳能电池的输出最大功率时，太阳能电池和市电同时给空调器供电；当空调器功率小于太阳能电池输出最大功率时，此时太阳能电池给空调器供电。本发明空调用混合供电系统及供电方法，可最大限度利用太阳能电池，为家用空调稳定供电的市电与太阳能混合供电系统及混合供电方法。

Description

空调用混合供电系统及混合供电方法
【技术领域】
本发明涉及空调领域，尤其是指一种太阳能空调、变频空调所应用的供电系统及混合供电方法。
【背景技术】
在现今以环保为大前提的新世纪，如何将太阳能、风能等可再生能源加以利用，将其转化为电能或者热能，是目前空调领域比较热门的研究之一，其中太阳能空调的研究主要是在大型建筑的中央空调和集中供热方面，涉及家用空调的比较少，一般的家用空调使用单一的市电供电系统，或者部分使用太阳能供电系统，未能充分利用太阳能资源，因此如何使太阳能空调真正的家庭化，小型化，稳定提供家用空调供电，并且价格适当，是目前太阳能空调产业化中迫切需要解决的问题。
因此，提供一种可最大限度利用太阳能电池，为家用空调稳定供电的空调用供电系统及供电方法实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种可最大限度利用太阳能电池，为家用空调稳定供电的市电与太阳能混合供电系统及混合供电方法。通过控制母线电压来充分利用太阳能电池，提高空调的能效，使得太阳能空调家庭化、小型化。
为实现本发明目的，提供以下技术方案：
本发明一种空调用混合供电系统，采用太阳能电池和市电混合供电的方案。为了最大限度的利用太阳能电池，采用的控制方式为：当空调器的功率大于太阳能电池的输出最大功率时，太阳能电池和市电同时给空调器供电，此时太阳能电池以最大功率运行；当空调器功率小于太阳能电池输出最大功率时，此时太阳能电池给空调器供电。
本发明空调用混合供电系统，其包括AC交流电源、整流桥、Boost2升压电路、太阳能电池阵列、Boost1升压电路、电容、逆变器及压缩机，AC交流电源经整流桥后变为直流电，然后经Boost2升压电路接入直流母线侧，该Boost2升压电路中第二开关管的PWM2信号由功率因数校正控制系统提供；该功率因数校正控制系统包括电压调节器、离散积分器、等效检测电阻，该功率因数校正母线侧给定电压vdc2*与反馈电压vdc经电压调节器输出调制电压um，调制电压um经离散积分产生u2，反馈电流idc与等效检测电阻Rs乘积产生的u1，u1与u2做比较输出第二开关管的占空比duty2，占空比duty2经过PWM产生器输出PWM2信号给第二开关管。
太阳能电池输出经Boost1升压电路接入直流母线侧，该Boost1升压电路中接入第一开关管的PWM1信号由太阳能电池输出功率控制系统产生，最后直流母线侧经逆变器输出至空调器压缩机。该太阳能电池输出功率控制系统包括比例积分控制器、最大功率控制器、给定产生器，太阳能电池母线侧给定电压vdc1*、直流母线侧反馈电压vdc经比例积分控制器PI输出给定电流iu*；太阳能电池输出电压v和太阳能输出电流i经最大功率控制器输出给定电流ip*；给定产生器根据空调功率与太阳能电池最大功率比较后输出给定电流i*；给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI输出第一开关管的占空比duty1，占空比duty1经过PWM产生器输出PWM1信号给第一开关管。
该Boost1升压电路和Boost2升压电路分别包括串联的电感和二极管，在电感和二极管分别接入第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管采用IGBT或者MOSFET。
本发明还提供一种采用所述的混合供电系统的空调用混合供电方法。由于市电经整流和有源功率因数校正后的母线电压远高于太阳能电池输出电压，因此需要采用Boost电路将太阳能电池输出电压抬高。系统通过双Boost电路对直流母线电压进行控制来实现，其中Boost1控制太阳能电池输出电压，Boost2控制市电经整流桥的输出电压(可参见发明专利“单周期功率因数校正方法”，申请号为200810219009.6)。当空调器功率大于太阳能电池输出最大功率时，通过最大功率控制实时调节Boost1输出电压，实现太阳能电池的和市电同时供电；当空调器功率小于太阳能电池输出最大功率时，控制Boost1输出电压大于Boost2输出电压，由于二极管2的单向导电性，使得太阳能电池单独给空调器供电。
所述空调用混合供电方法包括如下步骤：
(1)比较空调器功率与太阳能电池输出最大功率，当空调器功率大于太阳能电池输出最大功率时，进入步骤(2)，当空调器功率小于太阳能电池输出最大功率时，进入步骤(3)；
(2)通过太阳能电池的最大功率控制器实时调节Boost1升压电路，使其输出电压与Boost2升压电路的输出电压相一致，实现太阳能电池与市电同时给空调器供电；
(3)通过太阳能电池的最大功率控制器调节Boost1升压电路，使其输出电压大于Boost2升压电路的输出电压，实现太阳能电池单独给空调器供电。
其通过如下方法控制Boost1升压电路及Boost2升压电路：
太阳能电池母线侧给定电压vdc1*、直流母线侧反馈电压vdc经比例积分控制器PI输出给定电流iu*，太阳能电池输出电压v和太阳能输出电流i经最大功率控制器输出给定电流ip*，给定产生器根据空调功率与太阳能电池最大功率比较后输出给定电流i*，给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI输出第一开关管的占空比duty1，占空比duty1经过PWM产生器输出PWM1信号给第一开关管；
该功率因数校正母线侧给定电压vdc2*与反馈电压vdc经电压调节器输出调制电压um，调制电压um经离散积分产生u2，反馈电流idc与等效检测电阻Rs乘积产生的u1，u1与u2做比较输出第二开关管的占空比duty2，占空比duty2经过PWM产生器输出PWM2信号给第二开关管。
该混合供电方法中所述太阳能电池最大功率控制方法如下：
根据公式计算p(k)，然后p(k-1)做比较：
1)如果p(k)＞p(k-1)，同时如果v(k)＞v(k-1)，则sign(k)＝-1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算出给定电流ip*(k)，最后保存p(k)及v(k)；
2)如果p(k)＞p(k-1)，同时如果v(k)≤v(k-1)，则sign(k)＝1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算出给定电流ip*(k)，最后保存p(k)及v(k)；
3)如果p(k)＜p(k-1)，同时如果v(k)＞v(k-1)，则sign(k)＝1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算出给定电流ip*(k)，最后保存p(k)及v(k)；
4)如果p(k)＜p(k-1)，同时如果v(k)≤v(k-1)，则sign(k)＝-1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算计算出给定电流ip*(k)，最后保存p(k)及v(k)；
5)如果p(k)＝p(k-1)，则保存p(k)及v(k)；
其中p(k)为第k个采样周期太阳能电池的功率，v(k)为第k个采样周期太阳能电池的电压，i(k)为第k个采样周期太阳能电池的电流，p(k-1)为第k-1个采样周期太阳能电池的功率，v(k-1)为第k-1个采样周期太阳能电池的电压，sign(k)为第k个采样周期的符号(表示为1或者-1)，ip*(k)表示第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流，Δi*表示最大功率控制器输出给定电流的累加步长。
对比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明混合供电系统及混合供电方法可最大限度利用太阳能电池，为家用空调稳定供电的市电与太阳能混合供电系统及混合供电方法。通过控制母线电压来充分利用太阳能电池，提高空调的能效，使得太阳能空调家庭化、小型化。应用该方案的空调器，可充分利用绿色环保的太阳能，为我国的节能减排做出贡献，给消费者带来实惠。
【附图说明】
图1为本发明空调用混合供电系统电路图；
图2为本发明太阳能电池输出功率控制系统框图；
图3为本发明功率因数校正控制系统框图；
图4为本发明太阳能电池最大功率控制器流程图。
【具体实施方式】
请参阅图1空调用混合供电系统电路，现有的空调电路包括AC交流电源、整流桥、Boost2升压电路、电容、逆变器与压缩机。由于太阳能输出电压v远低于母线侧电压vdc，需要Boost1升压电路进行升压。通过控制第一开关管和第二开关管来实现太阳能与市电的混合供电。
请参阅图2太阳能电池输出功率控制系统框图，太阳能电池输出功率控制系统的输入为：太阳能电池母线侧给定电压vdc1*、直流母线侧反馈电压vdc、太阳能电池输出电压v、太阳能输出电流i；系统输出PWM1信号给Boost1升压电路的第一开关管。其流程为：太阳能电池母线侧给定电压vdc1*与反馈电压vdc经比例积分控制器PI输出给定电流iu*；太阳能电池输出电压v和太阳能输出电流i经最大功率控制器输出给定电流ip*；给定产生器根据空调功率与太阳能电池最大功率比较后输出给定电流i*；给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI输出第一开关管的占空比duty1，占空比duty1经过PWM产生器输出PWM1信号给第一开关管。
请参阅图3功率因数校正控制系统框图，功率因数校正控制系统的输入为：功率因数校正母线侧给定电压vdc2*、直流母线侧反馈电压vdc、直流母线侧反馈电流idc；系统输出PWM2信号给Boost2升压电路的第二开关管。其流程为：功率因数校正母线侧给定电压vdc2*与反馈电压vdc经电压调节器输出调制电压um，调制电压um经离散积分产生u2，反馈电流idc与等效检测电阻Rs乘积产生的u1，u1与u2做比较输出第二开关管的占空比duty2，占空比duty2经过PWM产生器输出PWM2信号给第二开关管。
请参阅图4太阳能电池最大功率控制器流程图，其中p(k)为第k个采样周期太阳能电池的功率，v(k)为第k个采样周期太阳能电池的电压，i(k)为第k个采样周期太阳能电池的电流，p(k-1)为第k-1个采样周期太阳能电池的功率，v(k-1)为第k-1个采样周期太阳能电池的电压，sign(k)为第k个采样周期的符号(表示为1或者-1)，ip*(k)表示第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流，Δi*表示最大功率控制器输出给定电流的累加步长。
其流程为：首先根据公式计算第k个采样周期太阳能电池的功率p(k)，然后与第k-1个采样周期太阳能电池功率p(k-1)做比较：
1)如果p(k)＞p(k-1)，即功率在上升，同时如果v(k)＞v(k-1)，即电压在上升，则sign(k)＝-1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流；最后保存第k个采样周期太阳能电池的电压及功率。
2)如果p(k)＞p(k-1)，即功率在上升，同时如果v(k)≤v(k-1)，即电压在下降，则sign(k)＝1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流；最后保存第k个采样周期太阳能电池的电压及功率。
3)如果p(k)＜p(k-1)，即功率在下降，同时如果v(k)＞v(k-1)，即电压在上升，则sign(k)＝1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流；最后保存第k个采样周期太阳能电池的电压及功率。
4)如果p(k)＜p(k-1)，即功率在下降，同时如果v(k)≤v(k-1)，即电压在下降，则sign(k)＝-1；接着按公式ip*(k)＝ip*(k)+sign(k)*Δi*计算第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流；最后保存第k个采样周期太阳能电池的电压及功率。
5)如果p(k)＝p(k-1)，即功率不变，则保存第k个采样周期太阳能电池的电压及功率。
在具体应用实例中，假设Boost2升压电路的功率因数校正母线侧给定电压vdc2*为350伏，在太阳光照最强的时刻太阳能电池的最大输出功率为200瓦。
当此时空调的功率大于200瓦时，Boost1升压电路太阳能电池母线侧给定电压vdc1*为350伏，经比例积分控制器PI输出为iu*。太阳能电池的输出电压v和输出电流i经最大功率控制器输出为ip*。给定产生器选取太阳能电池输出电流给定，即i*＝ip*，给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI产生电压占空比duty1，再经PWM产生器得到Boost1中第一开关管的控制信号PWM1。此刻电容两端的电压vdc为350伏左右，Boost1与Boost2升压电路同时工作，即市电与太阳能电池同时供电。
当此时空调的功率小于200瓦时，Boost1升压电路母线侧给定电压vdc1*为360伏，经比例积分控制器PI输出为iu*。太阳能电池的输出电压v和输出电流i经最大功率控制器输出为ip*。给定产生器选取比例积分控制器PI输出电流给定，即i*＝iu*，给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI产生电压占空比duty1，再经PWM产生器得到Boost1中第一开关管的控制信号PWM1。此刻电容两端的电压vdc为360伏左右，由于Boost2升压电路的功率因数校正母线侧给定电压vdc2*为350伏，低于直流母线侧反馈电压360伏，由于二极管2的单相导电性，使得Boost2升压电路停止工作，只有Boost1升压电路工作，即只有太阳能电池单独供电。
本专利提到的空调功率包含了太阳能电池的功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种空调用混合供电系统，其包括AC交流电源、整流桥、Boost2升压电路、电容、逆变器及压缩机，其特征在于，其进一步包括太阳能电池阵列、Boost1升压电路，太阳能电池输出经Boost1升压电路接入直流母线侧；AC交流电源经整流桥后变为直流电，然后经Boost2升压电路接入直流母线侧；该直流母线侧经逆变器输出至空调器压缩机；
该Boost2升压电路包含第二开关管的PWM2控制信号，且该第二开关管的PWM2控制信号由功率因数校正控制系统产生；
该功率因数校正控制系统包括电压调节器、离散积分器、等效检测电阻，该功率因数校正母线侧给定电压vdc2 *与反馈电压vdc经电压调节器输出调制电压um，调制电压um经离散积分产生u2，反馈电流idc与等效检测电阻Rs乘积产生的u1，u1与u2做比较输出第二开关管的占空比duty2，占空比duty2经过PWM产生器输出PWM2信号给第二开关管。
2.如权利要求1所述的空调用混合供电系统，其特征在于，该Boost1升压电路中包含第一开关管的PWM1控制信号，且该第一开关管的PWM1控制信号由太阳能电池输出功率控制系统产生。
3.如权利要求2所述的空调用混合供电系统，其特征在于，该太阳能电池输出功率控制系统包括比例积分控制器、最大功率控制器、给定产生器，太阳能电池母线侧给定电压vdc1 *、直流母线侧反馈电压vdc经比例积分控制器PI输出给定电流iu *；太阳能电池输出电压v和太阳能输出电流i经最大功率控制器输出给定电流ip *；给定产生器根据空调功率与太阳能电池最大功率比较后输出给定电流i*；给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI输出第一开关管的占空比duty1，占空比duty1经过PWM产生器输出PWM1信号给第一开关管。
4.如权利要求2所述的空调用混合供电系统，其特征在于，该Boost1升压电路和Boost2升压电路分别包括串联的电感和二极管，在电感和二极管分别接入第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管采用IGBT或者MOSFET。
5.一种采用如权利要求1～4中任一项所述的混合供电系统的空调用混合供电方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)比较空调器功率与太阳能电池输出最大功率，当空调器功率大于太阳能电池输出最大功率时，进入步骤(2)，当空调器功率小于太阳能电池输出最大功率时，进入步骤(3)；
(2)通过太阳能电池的最大功率控制器实时调节Boost1升压电路，使其输出电压与Boost2升压电路的输出电压相一致，实现太阳能电池与市电同时给空调器供电；
(3)通过太阳能电池的最大功率控制器调节Boost1升压电路，使其输出电压大于Boost2升压电路的输出电压，实现太阳能电池单独给空调器供电。
6.如权利要求5所述的空调用混合供电方法，其特征在于，其通过如下方法控制Boost1升压电路及Boost2升压电路：
太阳能电池母线侧给定电压vdc1 *、直流母线侧反馈电压vdc经比例积分控制器PI输出给定电流iu *，太阳能电池输出电压v和太阳能输出电流i经最大功率控制器输出给定电流ip *，给定产生器根据空调功率与太阳能电池最大功率比较后输出给定电流i*，给定电流i*与太阳能电池输出电流i经比例积分控制器PI输出第一开关管的占空比duty1，占空比duty1经过PWM产生器输出PWM1信号给第一开关管；
该功率因数校正母线侧给定电压vdc2 *与反馈电压vdc经电压调节器输出调制电压um，调制电压um经离散积分产生u2，反馈电流idc与等效检测电阻Rs乘积产生的u1，u1与u2做比较输出第二开关管的占空比duty2，占空比duty2经过PWM产生器输出PWM2信号给第二开关管。
7.如权利要求5所述的空调用混合供电方法，其特征在于，其通过如下方法控制太阳能电池最大功率：
根据公式计算p(k)，然后p(k-1)做比较：
1)如果p(k)＞p(k-1)，同时如果v(k)＞v(k-1)，则sign(k)＝-1；接着按公式ip *(k)＝ip *(k)+sign(k)*Δi*计算出给定电流ip *(k)，最后保存p(k)及v(k)；
2)如果p(k)＞p(k-1)，同时如果v(k)≤v(k-1)，则sign(k)＝1；接着按公式ip *(k)＝ip *(k)+sign(k)*Δi*计算出给定电流ip *(k)，最后保存p(k)及v(k)；
3)如果p(k)＜p(k-1)，同时如果v(k)＞v(k-1)，则sign(k)＝1；接着按公式ip *(k)＝ip *(k)+sign(k)*Δi*计算出给定电流ip *(k)，最后保存p(k)及v(k)；
4)如果p(k)＜p(k-1)，同时如果v(k)≤v(k-1)，则sign(k)＝-1；接着按公式ip *(k)＝ip *(k)+sign(k)*Δi*计算计算出给定电流ip *(k)，最后保存p(k)及v(k)；
5)如果p(k)＝p(k-1)，则保存p(k)及v(k)；
其中p(k)为第k个采样周期太阳能电池的功率，v(k)为第k个采样周期太阳能电池的电压，i(k)为第k个采样周期太阳能电池的电流，p(k-1)为第k-1个采样周期太阳能电池的功率，v(k-1)为第k-1个采样周期太阳能电池的电压，sign(k)为第k个采样周期的符号(表示为1或者-1)，ip *(k)表示第k个采样周期最大功率控制器输出的给定电流，Δi*表示最大功率控制器输出给定电流的累加步长。
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