CN109668282A - 一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，可解决目前太阳能光伏空调无法单独使用太阳能电池来独立运行的技术问题。包括S100、将太阳能光伏直接接入直流变频空调原交流电整流滤波后的直流线路，系统直流母线电压即是光伏阵列输出端电压；S200、在空调变频模块的变频程序中嵌入光伏最大功率点跟踪程序；S300、光伏最大功率点跟踪程序采用扰动爬坡法或CVT反馈式方法，来调整压缩机输出功率，以适应光伏输入的不稳定性。本发明实现单独依靠太阳能电池发电在白天情况无市电或储能工况下空调正常运行，在光伏输入能量达到空调额定功率10％情况下可连续运行，其运行效果和光照成正比。同时保留了原交流输入和整流部分，以满足在经常停电地区的备用需求。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法。
背景技术
目前市场上销售的太阳能光伏空调无法单独使用太阳能电池来独立运行，如格力市电辅助型光伏空调和美的储能型光伏空调，均需要使用蓄电池等储能设备配合太阳能电池板提供电力或支撑，或市电提供辅助电力配合太阳能电池提供电力，其难以真正满足在无电地区或船舶移动环境下对空调的使用需求，储能设备成本十分高昂，充放电损失超出30％，效率低下，故障率高,导致整个系统成本及其高昂且稳定性较低，见图示1，也有直接使用蓄电池驱动的光伏动力空调，其原理和离网型户用发电系统完全一致，效率更低，成本更高，可靠性更差，见图1-1。用市电做辅助支撑的光伏空调在太阳能电池给空调供电时需要市电作为辅助电力，相对于用户侧光伏并网方式成本高效率低，且无法将剩余电力馈入国家电网，见图示2，格力的直驱型离心机方式也是此方式，见图2-2。这2种方式一旦储能或市电失电时空调均无法运行。不能运用在无电地区或经常停电地区，对船舶、流动营地场所也无法应用。
发明内容
本发明提出的一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，可解决目前市场上的太阳能光伏空调无法单独使用太阳能电池来独立运行的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，包括：
S100、将太阳能光伏直接接入直流变频空调原交流电整流滤波后的直流线路，系统直流母线电压即是光伏阵列输出端电压；
S200、在空调变频模块的变频程序中嵌入光伏最大功率点跟踪程序，或单独加入光伏升压MPPT功率调节模块通过通信来协作运行，也可以将原变频程序结合光伏最大功率点跟踪(MPPT)程序，同时使原逆变电路电压稳定在310V左右；
S300、采用扰动爬坡法或CVT反馈式方法，以变频方式来调整压缩机输出功率，以适应光伏输入的不稳定性。
其中，所述步骤S300中，所述CVT反馈式方法包括：
设S为日照强度，单位为W/m2；A、B、C、D、E为对应的日照强度下光伏阵列的最大输出功率点；
在CVT式的MPPT中，不同日照强度下的最大输出功率点的A、B、C、D、E点近乎一条直线U＝U*＝const；
使太阳能空调系统运行过程中光伏阵列始终保持其输出电压为U*＝const，光伏阵列便可以保持最大功率输出。
U*为PI调节器的给定值，亦为CVT给定指令电压；Udc为光伏阵列实际输出电压，为变频器的直流侧电压；Fset为变频器频率给定值；Idc为光伏阵列的输出电流，为变频器的直流侧电流；
PI调节器根据给定误差输出变频控制器的频率给定信号，改变空调电机的转速，改变了系统的负载大小；具体调节过程为:
当检测到的光伏阵列输出电压Udc大于指令电压U*时，变频控制器的频率给定Fset上升，空调压缩机的转速也上升，负载增加，光伏阵列的输出电流Idc增加，光伏阵列输出电压Udc下降直到稳定在工作点U*；
当光伏阵列输出电压Udc小于指令U*时，变频器的频率给定Fset下降，压缩机的转速也下降，负载减小，光伏阵列的输出电流Idc减小，光伏阵列输出电压Udc增加直到稳定在工作点U*。
由上述技术方案可知，本发明充分利用目前成熟的通用型全直流变频空调技术，在其基础上直接将商用型直流变频空调的变频控制程序改造，硬件基本不做改动，保留原温度控制和各类保护功能。将含有MPPT(最大功率点跟踪)控制模块内置于通用型全直流变频空调的控制变频主板上，控制模块通过标准RS485通信(或将MPPT程序嵌入原变频控制程序方式)控制该变频控制器的工作，使太阳能电池的工作范围始终在最大功率点范围，程序根据太阳能电池的实时输入功率不断发出原程序最大工作频率上限指令，将频率运行保持和输入功率匹配，通过调频方式来调整压缩机输出功率，使得压缩机可以在比额定频率工况变小情况下运行。因空调电机的输出功率和转速的三次方成正比，因此，光伏阵列的输出负荷匹配可以直接通过改变压缩机电机的转速来实现，即凭借PWM控制就可以直接调整太阳电池阵列的输出功率，使光伏阵列的输出功率始终跟踪当前日照最大值，实现了空调压缩机可由太阳能电池直接驱动的目的。
本发明实现了单独依靠太阳能电池发电在白天情况下无市电或储能工况下空调正常运行，在光伏光照输入能量达到空调额定功率10％情况下可连续运行，其运行效果和光照成正比。同时保留了原交流输入和整流部分，以满足在经常停电地区的备用需求。
附图说明
图1是传统储能支撑方式光伏空调运行方式示意图；
图1-1是传统完全储能方式光伏空调运行方式示意图；
图2是传统市电支撑方式光伏空调运行方式示意图；
图2-2市电支撑方式光伏离心机运行方式示意图；
图3是传统通用型全直流变频空调的原理图；
图4是本发明方法的流程图；
图5是本发明独立运行光伏空调原理图；
图6是本发明不同日照强度下太阳能光伏的I-V曲线图；
图7是本发明CVT反馈式原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
将太阳能电池板提供的有限且时变的受限功率，通过电能变换技术，直接应用于驱动恒转矩负载特性的空调压缩机，达到空调制冷。太阳能光伏阵列的输出是非线性的直流电源,受日照、环境温度等气象条件影响很大，光伏阵列独立供电时无法给空调压缩机提供稳定功率的电源。如光伏动力空调系统在任何日照、环境温度等条件下都能发挥当前光伏阵列输出功率的最大功率,就需要一个能使光伏电源和空调压缩机之间达到同步、高效、稳定的工作状态的变频控制器。
目前通用型全直流变频空调提供的电力需要稳定的电压和频率，其工作原理见图3。
如图4所示，本发明实施例的一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，包括以下步骤：
S100、将太阳能光伏直接接入直流变频空调原交流电整流滤波后的直流线路；
S200、在空调变频模块的变频程序中嵌入光伏最大功率点跟踪程序，同时使原逆变电路电压稳定在310V；
S300、光伏最大功率点跟踪程序采用扰动爬坡法(T-MPPT))或CVT反馈式方法，以调频方式来调整压缩机输出功率，以适应光伏输入的不稳定性。
其中，所述步骤S300中，所述CVT反馈式方法包括：
设S为日照强度，单位为W/m2；A、B、C、D、E为对应的日照强度下光伏阵列的最大输出功率点；
在CVT式的MPPT中，不同日照强度下的最大输出功率点的A、B、C、D、E点近乎一条直线U＝U*＝const；
使太阳能空调系统运行过程中光伏阵列始终保持其输出电压为U*＝const，光伏阵列便可以保持最大功率输出。
具体步骤200可解释为：
将空调变频模块的原变频程序结合光伏最大功率点跟踪(MPPT)程序，该程序根据太阳能板输入的能量发出合适的最大工作频率指令，由于原变频程序始终会要求工作在50HZ频率或根据室温对应的频率，该程序发出的动态指令将根据光伏输入的能量自动限制原程序的频率上限，由于光照变化，发出的最大允许工作频率指令就随之变化，压缩机的输出功率也就随之调节，避免因为输入功率变小压缩机停机，同时使原逆变电路电压稳定在310V左右，由于全直流变频空调可以工作在极低频率下，因此限制其上限频率也可以做到正常运行。
步骤S200中的将空调变频模块的原变频程序结合光伏最大功率点跟踪(MPPT)程序，该程序根据太阳能板输入的能量发出合适的最大工作频率指令，由于原变频程序始终会要求工作在50HZ频率或根据室温对应的频率，该程序发出的动态指令将根据光伏输入的能量自动限制原程序的频率上限，由于光照变化，发出的最大允许工作频率指令就随之变化，压缩机的输出功率也就随之调节，避免因为输入功率变小压缩机停机，同时使原逆变电路电压稳定在310V左右，由于全直流变频空调可以工作在极低频率下，因此限制其上限频率也可以做到正常运行。
以下具体说明：
如图5所示，本发明实施例将太阳能光伏阵列的系统工作电压(Vmp)设定在100V--400V范围，直接接入直流变频空调原交流电整流滤波后的直流线路，在原来空调变频模块的变频程序中嵌入光伏最大功率点跟踪(MPPT)程序，或单独加入光伏升压MPPT功率调节模块通过通信来协作运行，也可以将原变频程序结合光伏最大功率点跟踪(MPPT)程序，同时使原逆变电路电压稳定在310V左右，采用扰动法或CVT反馈式方法，以变频方式来调整压缩机输出功率，以适应光伏输入的不稳定性。当光照变化时，具有MPPT功率调节的程序根据输入功率实时调整输出频率，发出不同的实时最大上限频率指令，由于直流变频空调可以在1HZ以上运行，因此压缩机将在其不断变化的限定频率范围内运行不会停机。
其中，MPPT可以采用扰动法或CVT方式实现，CVT式方案如下：光伏阵列有一个最大输出功率点，如能使系统工作时光伏阵列输出功率为该点对应的功率值，则系统此时工作在最佳状态。如图5所示。
图6中:S为日照强度，单位为W/m2。A、B、C、D、E为对应的日照强度下光伏阵列的最大输出功率点。
如图6在CVT式的MPPT中，不同日照强度下的最大输出功率点的A、B、C、D、E点)近乎一条直线U＝U*＝const。太阳能空调系统运行过程中光伏阵列始终保持其输出电压为U*＝const，光伏阵列便可以保持最大功率输出。
反馈控制原理，植入太阳能光伏MPPT程序的空调变频器以变频方式控制拖动直流压缩机以实现CVT式MPPT控制，在不同的日照强度下，通过改变输出频率来调整压缩机的转速，从而达到稳定光伏阵列输出电压的目的。其控制原理如图6所示。
图7中:U*为PI调节器的给定值，亦为CVT给定指令电压；Udc为光伏阵列实际输出电压，为变频器的直流侧电压；Fset为变频器频率给定值；Idc为光伏阵列的输出电流，为变频器的直流侧电流。PI调节器根据给定误差输出变频控制器的频率给定信号，从而改变空调电机的转速，这样改变了系统的负载大小。频率给定值与压缩机工作功率成正比，系统负载的功率和变频器的直流侧电流成正比。系统调节过程为:当检测到的光伏阵列输出电压Udc大于指令电压U*时，变频控制器的频率给定Fset上升，空调压缩机的转速也上升，负载增加，光伏阵列的输出电流Idc增加，光伏阵列输出电压Udc下降直到稳定在工作点U*；当光伏阵列输出电压Udc小于指令U*时，变频器的频率给定Fset下降，压缩机的转速也下降，负载减小，光伏阵列的输出电流Idc减小，光伏阵列输出电压Udc增加直到稳定在工作点U*。CVT方式需要考虑光照突变电机及时降速。同时需要设置一个启停电压滞环，在光伏阵列输出电压高于开机点电压时，压缩机启动,只有光伏阵列输出电压低于停机点电压时压缩机才能停机,停机后恢复电压启动电压为光伏阵列电压上升到开机点电压。
综上，由于系统不断强行降频，压缩机热量较常规市电运行模式下热量大，因此需要空调外机风扇电源电路进行改造为开机工况下不间断定速运行来解决热量较大问题，同时室内室外风扇电机均需要为直流无刷电机(BLDC)，四通阀和电子膨胀阀也需要改为直流供电方式来协调系统运行，同时由于光伏供电特性其谐波含量较大，因此本实施例光伏输出端加装LC滤波方式消除谐波。
本实施例按照上述原理可以做到单独使用太阳能电池发电独立驱动空调而无需储能或市电作为支撑，同时消除了光伏供电给通用型全直流变频空调带来的影响。
由上可知，本实例具备以下特点：
(1)基于光伏驱动特点的空调制冷系统匹配。
(2)建立太阳能空调的控制策略，实现不同控制参数之间的解耦和精确控制。
(3)实现太阳能空调运行过程中系统经济性能的平衡。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S100、将太阳能光伏直接接入直流变频空调原交流电整流滤波后的直流线路；
S200、在空调变频模块的变频程序中嵌入光伏最大功率点跟踪程序，同时使原逆变电路电压稳定在310V；
S300、光伏最大功率点跟踪程序采用扰动爬坡法或CVT反馈式方法，以调频方式来调整压缩机输出功率，以适应光伏输入的不稳定性。
2.根据权利要求1所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：所述步骤S200为：
在空调变频模块的变频程序中单独加入光伏升压MPPT程序，或单独通过具有MPPT控制程序的功率调节模块通过通信来协作运行，同时使原逆变电路电压稳定在310V。
3.根据权利要求1所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：所述步骤S200为：
将空调变频模块的原变频程序结合光伏最大功率点跟踪程序，同时使原逆变电路电压稳定在310V。
4.根据权利要求1或2或3所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：所述步骤S300中的CVT反馈式方法包括：
设S为日照强度，单位为W/m2；
A、B、C、D、E为对应的日照强度下光伏阵列的最大输出功率点；
在CVT式的MPPT中，不同日照强度下的最大输出功率点的A、B、C、D、E点满足U＝U*＝const；
使太阳能空调系统运行过程中光伏阵列始终保持其输出电压为U*＝const，光伏阵列便保持最大功率输出。
5.根据权利要求4所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：
U*为PI调节器的给定值，亦为CVT给定指令电压；Udc为光伏阵列实际输出电压，为变频控制板的直流侧电压；Fset为变频控制板频率给定值；Idc为光伏阵列的输出电流，为变频控制板的直流侧电流；
PI调节器根据给定误差输出变频控制板的频率给定信号，改变空调电机的转速，改变了系统的负载大小；具体调节过程为:
当检测到的光伏阵列输出电压Udc大于指令电压U*时，变频控制器的频率给定Fset上升，空调压缩机的转速也上升，负载增加，光伏阵列的输出电流Idc增加，光伏阵列输出电压Udc下降直到稳定在工作点U*；
当光伏阵列输出电压Udc小于指令U*时，变频控制板的频率给定Fset下降，压缩机的转速也下降，负载减小，光伏阵列的输出电流Idc减小，光伏阵列输出电压Udc增加直到稳定在工作点U*。
6.根据权利要求5所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：
所述CVT反馈式方法还包括：设置一个启停电压滞环，在光伏阵列输出电压高于开机点电压时，压缩机启动,只有光伏阵列输出电压低于停机点电压时压缩机才能停机,停机后恢复电压启动电压为光伏阵列电压上升到开机点电压。
7.根据权利要求6所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：
所述在步骤S100之前还包括：将太阳能光伏阵列的系统的光伏输出端加装LC滤波方式消除谐波，以消除对电路绝缘强度和增加电机热量的不利影响。
8.根据权利要求7所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：
所述在步骤S100之前还包括：
将太阳能光伏阵列的系统的室内室外风扇电机均采用为直流无刷电机，同时要求室外风扇供电线路调整为在空调运行期间始终保持在额定转速以加大散热强度。
9.根据权利要求8所述的使太阳能光伏空调系统独立运行的控制方法，其特征在于：
所述在步骤S100之前还包括：
将太阳能光伏空调系统的四通阀和电子膨胀阀改为直流供电方式。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190423 |