CN105305494B - 一种用于光伏空调的智能供电系统及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于光伏空调的智能供电系统及供电方法，该系统包括控制模块以及分别与控制模块连接的双向AC/DC变流模块、逆变模块、用于将太阳能转换为直流电的光伏系统，双向AC/DC变流模块、逆变模块分别与光伏系统连接，控制模块根据光伏系统、空调机组的工作状态，控制接入光伏系统后经过逆变模块向空调负载供电或经过双向AC/DC变流模块回馈多余电能，或控制接入电网后经过双向AC/DC变流模块、逆变模块向空调负载供电；该方法为利用上述供电系统在光伏系统、空调机组不同工作状态下的供电方法。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、能够基于一套系统实现光伏空调的智能供电控制功能且供电效率及稳定性高的优点。

Description

一种用于光伏空调的智能供电系统及供电方法

技术领域

本发明涉及光伏空调技术领域，尤其涉及一种用于光伏空调的智能供电系统及供电方法。

背景技术

当今煤炭、石油等化石能源频频告急，环境污染问题也日益严峻，随着光伏发电技术的不断发展与进步，光伏发电有可能是最具发展前景的发电技术之一。在小型光伏系统中，中央空调变频器是最大的用电设备，即由光伏发电设备和中央空调变频器组成了供电用电系统。光伏发电和中央空调的结合可从开源、节流两方面实现建筑节能，是一种新型的分布式发用电方式。

在光伏空调中，变频器控制系统需要完成光伏逆变、为空调供电两个功能，并且由于太阳能的强弱不同、空调机组负载的大小不同，光伏空调变频器需要频繁在各种模式下切换以适应不同的工况。目前光伏空调中光伏发电的控制系统和中央空调变频器的控制系统是独立的，即需要光伏逆变器控制系统和空调变频器控制系统这两套控制系统执行供电控制，其中在电池列阵的电能经过汇流之后，由光伏逆变器控制系统控制完成并网发电的过程；中央空调工作时，空调变频器控制系统再从电网取电，经过整流和逆变后为负载供电。上述光伏逆变器控制系统和空调变频器控制系统的工作完全独立，即发电设备和用电设备的工作完全孤立，因而成本较高，且无法结合起来调整控制模式以实现最优模式的控制。进一步的，由于光伏发电控制系统和空调变频器控制系统均各自实现所需控制功能，两者所对应的人机界面、故障记录、能量计量等也均是独立的，不便于整合形成一套控制系统；如果为形成一套控制系统而另外引入上位机，不仅成本更高，而且光伏发电控制系统、空调变频器控制系统与上位机之间的规格协议往往也不能很好的兼容。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、能够基于一套系统实现光伏空调的智能供电控制功能且供电效率及稳定性高的用于光伏空调的智能供电系统及供电方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于光伏空调的智能供电系统，包括：控制模块以及分别与所述控制模块连接的双向AC/DC变流模块、逆变模块、用于将太阳能转换为直流电的光伏系统，所述双向AC/DC变流模块、逆变模块分别与所述光伏系统连接，所述控制模块根据所述光伏系统、空调机组的工作状态，控制接入光伏系统后经过所述逆变模块向空调负载供电或经过所述双向AC/DC变流模块回馈多余电能，或控制接入电网后经过所述双向AC/DC变流模块、逆变模块向空调负载供电。

作为本发明系统的进一步改进：所述控制模块包括模式控制单元以及分别与所述模式控制单元连接的整流控制单元、逆变控制单元，所述模式控制单元根据光伏系统、空调机组的工作状态控制接入光伏系统、电网，以及通过所述整流控制单元控制启动所述双向AC/DC变流模块、通过所述逆变控制单元控制启动所述逆变模块。

作为本发明系统的进一步改进：所述模式控制单元包括数据采集单元以及时序控制单元，所述数据采集单元分别采集所述光伏系统、空调机组的状态信息，输出至所述时序控制单元；所述时序控制单元接收所述状态信息进行判断，根据状态判断结果控制接入光伏系统、电网以及启动所述整流控制单元、逆变控制单元的时序。

作为本发明系统的进一步改进：所述时序控制单元采用FPGA，所述整流控制单元、逆变控制单元分别采用OMAP。

作为本发明系统的进一步改进：所述双向AC/DC变流模块具体为四象限整流器。

作为本发明系统的进一步改进：还包括用于监控光伏系统、空调机组状态的人机交互模块，所述人机交互模块与控制模块连接。

作为本发明系统的进一步改进：所述光伏系统的输出端还设置有第一接入开关以及第一滤波器；所述双向AC/DC变流模块的交流侧设置有第二滤波器、第二接入开关。

本发明进一步提供一种利用上述智能供电系统的供电方法，步骤包括：

1）判断光伏系统、空调机组的工作状态，若判断到光伏系统处于不工作或故障状态，控制接入电网后经过所述双向AC/DC变流模块、逆变模块向空调机组的变频器供电，若判断到空调机组处于未启动状态，控制接入光伏系统后经过所述双向AC/DC变流模块进行并网逆变；若判断到光伏系统、空调机组均处于正常工作状态，转入执行步骤2）；

2）控制接入光伏系统后经过所述逆变模块向空调机组的变频器供电；实时检测空调机组所需消耗电能的大小，若小于光伏系统的输出电能，则控制经过所述双向AC/DC变流模块回馈多余电能，否则控制接入电网后经过所述双向AC/DC变流模块、逆变模块补充不足的电能。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤1）中判断光伏系统的工作状态的具体步骤为：实时检测光伏系统的中间电压值、中间电流值，若在预设时间段内所述中间电压值大于预设最小电压阈值，则判定光伏系统处于正常工作状态，若在预设时间段内所述中间电流值小于预设最小电流阈值，则判定光伏系统处于不工作或故障状态。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤2）中控制接入光伏系统后经过所述逆变模块向空调机组的变频器供电时，还包括最大功率点跟踪步骤，具体步骤为通过检测并调节光伏系统的中间电压值，使得光伏系统工作于最大的功率输出点处。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明用于光伏空调的智能供电系统，通过控制模块将光伏逆变器控制系统和空调变频器控制系统的功能合二为一，整个供电系统相较于传统光伏空调省去了一个控制单元，有效降低了系统所需的成本，同时通过控制模块根据光伏系统、空调机组的工作状态控制能量在光伏系统、电机负载以及电网之间的流动，从而将光伏发电与空调供电两个过程结合起来实现多种供电模式，提高了供电效率以及供电稳定性；

2）本发明用于光伏空调的智能供电系统，通过控制模块可以控制光伏系统的输出电能经过逆变模块提供给电机负载或经过双向AC/DC变流模块进行回馈，也可以控制电网的电能经过双向AC/DC变流模块、逆变模块提供给电机负载，从而能够结合光伏发电以及空调机组的实际工况实现最优供电模式以及能量的最佳管理；

3）本发明用于光伏空调的智能供电系统中控制模块进一步采用双OMAP和FPGA，双OMAP和FPGA架构的结构简单且易于实现各种控制逻辑以及控制逻辑的扩展，从而高效的完成光伏发电与空调供电结合的供电控制模式。

附图说明

图1是本实施例用于光伏空调的智能供电系统的结构示意图。

图2是本发明具体实施例中用于光伏空调的智能供电系统的实现原理示意图。

图3是本发明具体实施例中用于光伏空调的智能供电系统的工作流程示意图。

图4是本发明具体实施例中控制模块的具体结构示意图。

图5是本实施例中控制模块的接口结构示意图。

图6是本实施例用于光伏空调的智能供电系统实现智能监控的结构原理示意图。

图例说明：1、控制模块；11、整流控制单元；12、逆变控制单元；2、双向AC/DC变流模块；3、逆变模块；4、光伏系统； 5、人机交互模块；6、第一滤波器；7、第一接入开关；8、第二滤波器；9、第二接入开关。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例用于光伏空调的智能供电系统，包括控制模块1以及分别与控制模块1连接的双向AC/DC变流模块2、逆变模块3、用于将太阳能转换为直流电的光伏系统4，双向AC/DC变流模块2、逆变模块3分别与光伏系统4连接，控制模块1根据光伏系统4、空调机组的工作状态，控制接入光伏系统4后经过逆变模块3向空调负载供电或经过双向AC/DC变流模块2回馈多余电能，或控制接入电网后经过双向AC/DC变流模块2、逆变模块3向空调负载供电。由逆变模块3驱动电机负载（本实施例具体为永磁同步电机PMSW），双向AC/DC变流模块2可以实现能量的双向流动，包括从电网取电进行整流后输出给逆变模块3或从光伏系统4取电进行逆变后回馈给电网。

采用上述结构，通过控制模块1将光伏逆变器控制系统和空调变频器控制系统的功能合二为一，整个供电系统相较于传统光伏空调省去了一个控制系统，有效降低了系统所需的成本，同时通过控制模块1根据光伏系统4、空调机组的工作状态控制能量在光伏系统4、电机负载以及电网之间的流动，从而将光伏发电与空调供电两个过程结合起来实现多种供电模式，提高了供电效率以及供电稳定性。

本实施例双向AC/DC变流模块2具体为四象限整流器，由四象限整流器实现能量的双向流动，即由电网的电能传输至空调负载以及光伏系统4输出电能回馈至电网（或其他用电设备）。本实施例电网具体为380V三相交流电网，经过变压器降压为340V提供给双向AC/DC变流模块2；控制模块1具体通过RS485接口与空调主控制器通讯以执行modbus协议，接收空调机组工作需要驱动负载的控制指令。

参见图1，本实施例上述智能供电系统中，通过控制模块1可以控制光伏系统4的输出电能经过逆变模块3提供给电机负载或经过双向AC/DC变流模块2回馈给电网，也可以控制电网的电能经过双向AC/DC变流模块2、逆变模块3提供给电机负载，即光伏系统4到空调机组、电网的流动是单向的，电网和空调机组之间的能量流动则是双向的。控制模块1是根据光伏系统4、空调机组的工作状态来控制能量的流动，具体当光伏系统4的输出电能不能满足空调机组所需电能需求时，控制模块1控制空调机组的变频器从电网中取电以补足所需功率；当光伏系统4的输出电能大于空调机组的所需电能需求时，控制模块1则控制将多余能量回馈至电网（或供给本地其他用电设备），结合光伏发电以及空调机组的实际工况实现了最优供电模式以及能量的最佳管理。

如图2所示，本发明具体实施例中光伏系统4具体包括光伏电池阵列以及汇流单元，汇流单元通过直流母线分别与双向AC/DC变流模块2、逆变模块3连接，由双向AC/DC变流模块2进行AC/DC变换，逆变模块3执行DC/AC变换，双向AC/DC变流模块2、逆变模块3具体为空调机载换流器。本实施例控制模块1具体通过检测光伏系统4的中间电压、中间电流等相关信息，判断光伏系统4、空调机组的工作状态，以控制光伏系4的接入与退出，具体包括以下四种工作模式：

模式1：当系统工作在夜间或者光伏系统4中光伏电池阵列因故障切出时，空调负载所需电能完全由电网提供；

模式2：当空调机组不工作时，系统处于光伏发电以及并网逆变状态；

模式3：若光伏系统4中光伏电池阵列输出电能大于空调负载所消耗的电能，则多余电能回馈电网；

模式4：若光伏系统4中光伏电池阵列输出电能小于空调负载所消耗的电能，则从电网取电以补充电能；

通过具备上述四种工作模式功能，本实施例智能供电系统可实现光伏系统4的平稳投切以及供电模式的智能、平稳切换，当处于模式1时，即夜间以及光伏电池阵列故障时，控制模块1控制接入电网以及启动双向AC/DC变流模块2、逆变模块3，则完全由电网向空调负载供电；当处于模式2时，即空调机组不工作时，控制模块1控制接入光伏系统4以及启动逆变模块3，以进行并网逆变；当处于模式3时，即由光伏系统4向负载供电，同时输出电能大于空调负载所需消耗的电能，即光伏系统4提供的电能有余，控制模块1控制接入光伏系统4、启动逆变模块3，同时启动双向AC/DC变流模块2以将多余电能进行回馈；当处于模式4时，即由光伏系统4向负载供电，但输出电能小于空调负载所需消耗的电能，即光伏系统4提供的电能不足，控制模块1控制接入光伏系统4、启动逆变模块3的同时，接入电网、启动双向AC/DC变流模块2以接入电网补充不足的电能。

本实施例中，光伏系统4的输出端还设置有第一接入开关7以及第一滤波器6，光伏系统4通过第一接入开关7、第一滤波器6分别连接双向AC/DC变流模块2、逆变模块3；双向AC/DC变流模块2的交流侧设置有第二滤波器8、第二接入开关9，双向AC/DC变流模块2通过第二滤波器8、第二接入开关9接入电网。通过第一接入开关7接入或断开光伏系统4，当第一接入开关7闭合时，光伏系统4输出的直流电能经过第一滤波器6的滤波后输出至双向AC/DC变流模块2、逆变模块3；通过第二接入开关9控制接入或断开电网，当第二接入开关9闭合时，电网电压380V经过降压及第二滤波器8的滤波后提供给双向AC/DC变流模块2。第一接入开关7、第二接入开关9具体采用断路器。

如图3所示，本发明具体实施例中控制模块1的控制系统初始化后，若满足上电需求则启动控制模块1进行待机模式，接收空调上位机是否启动逆变的控制指令，若需要启动逆变，即空调机组工作需要驱动空调负载，控制模块1控制启动双向AC/DC变流模块2、逆变模块3，其中若光伏系统4输出的电能大于空调负载所消耗的电能，则控制通过双向AC/DC变流模块2将多余的电能回馈至电网以进行发电，否则控制通过双向AC/DC变流模块2从电网取电；若不需要启动逆变，即空调机组不工作，控制模块1控制光伏系统4进行并网逆变，其中当中间电压连续第一时间段（本实施例具体取7min）内大于最大电压阈值（本实施例取570V）时，即光伏系统4处于白天且正常工作状态，启动双向AC/DC变流模块2以执行纯发电模式，当中间电流连续第二时间段（本实施例取3min）内小于最小电流阈值（本实施例取10A）时，即光伏系统4处于夜间或故障状态，控制模块1返回待机模式。

如图4所示，本实施例中控制模块1包括模式控制单元（图中未示出）以及分别与模式控制单元连接的整流控制单元11、逆变控制单元12，模式控制单元根据光伏系统4、空调机组的工作状态控制接入光伏系统4、电网，以及通过整流控制单元11控制启动双向AC/DC变流模块2、通过逆变控制单元12控制启动逆变模块3。整流控制单元11实现双向变流控制，逆变控制单元12实现逆变控制，模式控制单元通过控制光伏系统4、电网的接入以及整流控制单元11、逆变控制单元12的启动控制即可实现上述各工作模式。

本实施例中，模式控制单元包括数据采集单元以及时序控制单元，数据采集单元分别采集所述光伏系统4、空调机组的状态信息，输出至时序控制单元；时序控制单元接收所述状态信息进行判断，根据状态判断结果控制接入光伏系统4、电网以及启动整流控制单元11、逆变控制单元12的时序。时序控制单元的具体时序控制逻辑如上四种工作模式所示。

本实施例中，时序控制单元采用FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门列阵），整流控制单元11、逆变控制单元12分别采用OMAP（Open MultimediaApplication Platform，开放式多媒体应用平台）。如图4所示，在控制模块1的子板上分别设置有MCU1和MCU2，分别对应实现整流控制单元11、逆变控制单元12功能，从而与FPGA（实现时序控制单元功能）构成双OMAP+FPGA架构，其中由MCU1的ARM核具体完成整个系统的逻辑控制、通信管理，MCU1的DSP核具体完成逆变控制，MCU2的DSP核具体完成双向变流控制，FPGA具体执行时序控制以及其他A/D转换器控制等；在控制模块1的母板上设置有数据采集单元，具体包括数字量采集及输出电路、模拟量输入调理及A/D转换电路，其中数字量采集电路采用光耦隔离、数字量输出电路采用继电器，母板上还设置有执行光电转换功能的光电转换电路等。本实施例OMAP与FPGA之间通过UPP通信，利用UPP通信使得双OMAP和FPGA结构可以完成高效的内部通信。

如图5所示，本发明具体实施例中控制模块1具体设有8路24VDI输入（包括各开关状态、防雷器状态以及启动按钮等数字量输入）、8路24V DO输出（包括开关控制、指示灯控制等数字量输出、5路-10V～10V的AI输入（包括同步信号、光伏输入直流电压及电流等模拟量输入）以及6对光纤接口，通过光纤连接的外扩IO板中共有12路24VDI、8路24V带LED灯的DO输出、4路24Vmos输出以及4路PT100采集，以扩展数字量输入输出资源，通过光纤连接的外扩采集盒（采集盒1,2）可采集3路-10V ～10V的模拟量信号，以扩展模拟量输入资源。

本实施例控制模块1还包括最大功率点跟踪（MPPT）单元，最大功率点跟踪单元检测并调节光伏系统4输出的中间电压，使得光伏系统4工作于最大的功率输出点处，以最大限度的利用光伏设备。

本实施例中，还包括用于监控光伏系统4、空调机组状态的人机交互模块5，人机交互模块5与控制模块1连接。如图6所示，本实施例通过人机交互模块5可同时观测光伏系统4和空调变频器的运行状态，由于控制模块1集成有光伏发电控制、空调供电控制功能，因而可以方便的实现光伏发电与空调供电的统一监控。

本实施例还提供利用上述智能供电系统的供电方法，步骤包括：

1）判断光伏系统4、空调机组的工作状态，若判断到光伏系统4处于不工作或故障状态，控制接入电网后经过双向AC/DC变流模块2、逆变模块3向空调机组的变频器供电，若判断到空调机组处于未启动状态，控制接入光伏系统4后经过双向AC/DC变流模块2进行并网逆变；若判断到光伏系统4、空调机组均处于正常工作状态，转入执行步骤2）；

2）控制接入光伏系统4后经过逆变模块3向空调机组的变频器供电；实时检测空调机组所需消耗电能的大小，若小于光伏系统4的输出电能，则控制经过双向AC/DC变流模块2回馈多余电能，否则控制接入电网后经过双向AC/DC变流模块2、逆变模块3补充不足的电能。

采用上述供电方法，能够结合光伏系统4、空调机组的实际工况智能的切换执行相应的供电模式，在光伏系统4输出的电能有余时将多余的电能回馈，在光伏系统4输出的电能不足时接入电网进行补充，从而能够保证空调正常供电的同时充分利用光伏电能。

本实施例中，步骤1）中判断光伏系统4的工作状态的具体步骤为：实时检测光伏系统4的中间电压值、中间电流值，若在预设时间段内中间电压值大于预设最小电压阈值，则判定光伏系统4处于正常工作状态，若在预设时间段内所述中间电流值小于预设最小电流阈值，则判定光伏系统4处于不工作或故障状态。最小电压阈值、最小电流阈值可按照具体需求进行设置，如设置连续7min中间电压大于570V时对应光伏系统4为正常工作状态，即对应为白天工作环境且光伏电池阵列正常；设置连续3min中间电流小于10A时对应光伏系统4为不工作或故障状态，即对应为夜间工作环境或光伏电池阵列故障等。

本实施例中，步骤2）中控制接入光伏系统4后经过逆变模块3向空调机组的变频器供电时，还包括最大功率点跟踪步骤，具体步骤为：检测并调节光伏系统4的中间电压值，使得光伏系统4工作于最大的功率输出点处，从而使光伏系统4能够输出最大功率，以最大限度的利用光伏设备。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种用于光伏空调的智能供电系统，其特征在于包括：控制模块（1）以及分别与所述控制模块（1）连接的双向AC/DC变流模块（2）、逆变模块（3）、用于将太阳能转换为直流电的光伏系统（4），所述双向AC/DC变流模块（2）、逆变模块（3）分别与所述光伏系统（4）连接，所述控制模块（1）根据所述光伏系统（4）、空调机组的工作状态，控制接入光伏系统（4）后经过所述逆变模块（3）向空调负载供电或经过所述双向AC/DC变流模块（2）回馈多余电能，或控制接入电网后经过所述双向AC/DC变流模块（2）、逆变模块（3）向空调负载供电；所述控制模块（1）包括模式控制单元以及分别与所述模式控制单元连接的整流控制单元（11）、逆变控制单元（12），所述模式控制单元根据光伏系统（4）、空调机组的工作状态控制接入光伏系统（4）、电网，以及通过所述整流控制单元（11）控制启动所述双向AC/DC变流模块（2）、通过所述逆变控制单元（12）控制启动所述逆变模块（3）；

所述模式控制单元包括数据采集单元以及时序控制单元，所述数据采集单元分别采集所述光伏系统（4）、空调机组的状态信息，输出至所述时序控制单元；所述时序控制单元接收所述状态信息进行判断，根据状态判断结果控制接入光伏系统（4）、电网以及启动所述整流控制单元（11）、逆变控制单元（12）的时序。

2.根据权利要求1所述的用于光伏空调的智能供电系统，其特征在于：所述时序控制单元采用FPGA，所述整流控制单元（11）、逆变控制单元（12）分别采用OMAP。

3.根据权利要求1～2中任意一项所述的用于光伏空调的智能供电系统，其特征在于：所述双向AC/DC变流模块（2）具体为四象限整流器。

4.根据权利要求3所述的用于光伏空调的智能供电系统，其特征在于：还包括用于监控光伏系统（4）、空调机组状态的人机交互模块（5），所述人机交互模块（5）与控制模块（1）连接。

5.根据权利要求4所述的用于光伏空调的智能供电系统，其特征在于：所述光伏系统（4）的输出端还设置有第一接入开关（7）以及第一滤波器（6）；所述双向AC/DC变流模块（2）的交流侧设置有第二滤波器（8）、第二接入开关（9）。

6.利用权利要求1～5中任意一项所述智能供电系统的供电方法，其特征在于，步骤包括：

1）判断光伏系统（4）、空调机组的工作状态，若判断到光伏系统（4）处于不工作或故障状态，控制接入电网后经过所述双向AC/DC变流模块（2）、逆变模块（3）向空调机组的变频器供电，若判断到空调机组处于未启动状态，控制接入光伏系统（4）后经过所述双向AC/DC变流模块（2）进行并网逆变；若判断到光伏系统（4）、空调机组均处于正常工作状态，转入执行步骤2）；

2）控制接入光伏系统（4）后经过所述逆变模块（3）向空调机组的变频器供电；实时检测空调机组所需消耗电能的大小，若小于光伏系统（4）的输出电能，则控制经过所述双向AC/DC变流模块（2）回馈多余电能，否则控制接入电网后经过所述双向AC/DC变流模块（2）、逆变模块（3）补充不足的电能。

7.根据权利要求6所述的供电方法，其特征在于，所述步骤1）中判断光伏系统（4）的工作状态的具体步骤为：实时检测光伏系统（4）的中间电压值、中间电流值，若在预设时间段内所述中间电压值大于预设最小电压阈值，则判定光伏系统（4）处于正常工作状态，若在预设时间段内所述中间电流值小于预设最小电流阈值，则判定光伏系统（4）处于不工作或故障状态。

8.根据权利要求7所述的供电方法，其特征在于，所述步骤2）中控制接入光伏系统（4）后经过所述逆变模块（3）向空调机组的变频器供电时，还包括最大功率点跟踪步骤，具体步骤为通过检测并调节光伏系统（4）的中间电压值，使得光伏系统（4）工作于最大的功率输出点处。