CN115473435A - 光伏空调系统及其控制方法、光伏空调 - Google Patents

光伏空调系统及其控制方法、光伏空调 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏空调系统及其控制方法、光伏空调，所述光伏空调系统包括光伏电池、与所述光伏电池连接的直流母线电容和直流负载、以及连接所述直流母线电容与交流电网的DC/AC电路，还包括设于所述光伏电池输出端的转换电路，所述转换电路可匹配所述直流负载调节所述光伏电池的输出电压。与现有技术相比，本发明能通过转换电路的设置，使直流母线电压维持在设定的范围内运行，解决现有的光伏空调系统中光伏发电接入时，DC/DC变换器始终处于升压运行、限制系统功率和配置光伏电池板数量的问题。

Description

光伏空调系统及其控制方法、光伏空调
技术领域
本发明涉及光伏空调领域，特别是一种光伏空调系统及其控制方法、光伏空调。
背景技术
在现有光伏(储)空调系统平台中，如附图1所示。光伏电池电压经DC/DC变换器接入高压直流母线，该DC/DC变换器实现升压功能，将接入的光伏电压升压至设定的直流母线电压，给到直流负载(空调压机、风机等)供电，并可以接入储能系统，在该系统中要求接入的光伏电池板开路电压不能高于直流母线电压，接入的光伏电池板数量有限，光伏发电功率受限。当提升系统功率时，会出现配置的光伏电池板开路电压超过直流母线电压的情况，该拓扑结构就不再适用。另外，直流负载运行或者不运行都始终接在直流母线上，要求直流母线电压在一定的范围内运行。
因此，如何设计一种能实现光伏侧升降压控制的光伏空调系统及其控制方法、光伏空调，是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中，光伏发电时，DC/DC变换器始终运行，只能实现升压功能，使接入的光伏电池板数量有限，光伏发电功率有限的问题，本发明提出了一种光伏空调系统及其控制方法、光伏空调。
本发明的技术方案为，提出了一种光伏空调系统，包括光伏电池、与所述光伏电池连接的直流母线电容和直流负载、以及连接所述直流母线电容与交流电网的DC/AC电路，还包括设于所述光伏电池输出端的转换电路，所述转换电路可匹配所述直流负载调节所述光伏电池的输出电压。
进一步，其特征在于，还包括：
采样单元，其分别连接到所述光伏电池的输出端以及所述转换电路的输出端，用于采集所述光伏电池的输出电压；
控制单元，其与所述转换电路连接，并用于根据所述采样单元采集的输出电压调节所述转换电路的工作状态；
辅助电源，其分别与所述采样单元以及所述控制单元连接，并为所述采样单元以及控制单元供电。
进一步，当所述光伏电池的输出电压高于所述直流负载的上限电压阈值时，所述转换电路工作于降压模式；
当所述光伏电池的输出电压低于所述直流负载的下限电压阈值时，所述转换电路工作于升压模式；
当所述光伏电池的输出电压处于所述下限电压阈值与所述上限电压阈值之间时，所述转换电路工作于直通模式。
进一步，所述转换电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感L1；
所述光伏电池的第一输出端连接到所述开关管Q1的第一端、第二输出端分别连接到所述开关管Q2的第二端以及所述开关管Q4的第二端，所述开关管Q1的第二端连接到所述开关管Q2的第一端，所述开关管Q3的第一端连接到所述直流母线电容的第一端、第二端连接到所述开关管Q4的第一端，所述直流母线电容的第二端分别连接到所述开关管Q2的第二端以及所述开关管Q4的第二端，所述电感L1一端连接到所述开关管Q1与所述开关管Q2之间、另一端连接到所述开关管Q3与所述开关管Q4之间；
所述直流负载的第一端连接到所述直流母线电容与所述开关管Q3之间、第二端连接到所述直流母线电容与所述开关管Q4之间。
进一步，当所述转换电路工作于降压模式时，所述开关管Q1和所述开关管Q2处于高频开关状态，且所述开关管Q1与所述开关管Q2的状态始终互补，所述开关管Q3处于直通状态，所述开关管Q4截止；
当所述转换电路工作于升压模式时，所述开关管Q1处于直通状态，所述开关管Q2截止，所述开关管Q3和所述开关管Q4处于高频开关状态，且所述开关管Q3与所述开关管Q4的状态始终互补；
当所述转换电路工作于直通模式时，所述开关管Q1和所述开关管Q3处于直通状态，所述开关管Q2和所述开关管Q4处于截止状态。
进一步，还包括与所述直流负载连接的第一开关电路，所述第一开关电路可在所述直流负载不工作时，切断所述直流负载与所述光伏电池的连接。
进一步，还包括连接于所述光伏电池与所述转换电路之间的第二开关电路，所述第二开关电路可在所述光伏电池异常时，切断所述光伏电池与所述转换电路的连接。
进一步，所述直流负载包括光伏空调的压机和风机部分。
本发明还提出了一种光伏空调系统的控制方法，包括：
检测直流负载是否运行；
若否，则通过第一开关电路切断所述直流负载与光伏空调系统的连接；
若是，则检测光伏电池的输出电压，并根据所述输出电压调节转换电路的运行状态。
本发明还提出了一种光伏空调，所述光伏空调具有上述光伏空调系统。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明通过转换电路的设置，能够调节光伏电池的输出电压，使光伏电池的输出电压维持在直流负载的下限阈值电压与上限阈值电压之间，解决现有技术中，光伏空调系统中光伏发电接入时DC/DC变换器始终处于升压运行、限制系统功率和配置光伏电池板数量的问题。同时，在直流负载不运行时，能通过第一开关电路断开与光伏空调系统的连接，从而减小一次电能转换，最大化利用光伏发电功率，提升系统的运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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为现有技术中光伏空调系统的拓扑结构示意图；
图2为本发明中光伏空调系统的拓扑结构示意图；
图3为本发明光伏空调系统的工作流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
下面结合附图以及实施例对本发明的原理及结构进行详细说明。
请参见图1，传统的光伏空调系统，包括光伏电池、光伏DC/DC(由电感L1、开关管Q1、二极管D1组成)、双向DC/AC控制器、直流接触器K1/K2、直流母线电容C1、辅助电源、控制单元、采样单元、电网、直流负载组成。工作时，光伏电池电压经光伏DC/DC变换器接入高压直流母线，该DC/DC变换器实现升压功能，将接入的光伏电压升压至设定的直流母线电压，给直流负载供电，并可以接入储能系统，由于直流母线电容的电压与直流负载的供电电压相同，为避免直流负载损坏，该系统中要求接入的光伏电池板开路电压不能高于直流母线电压，接入的光伏电池板数量有限，光伏发电功率受限。
针对此，本发明的思路在于，提出一种光伏空调系统，对光伏DC/DC进行改进，使其能够通过开关管的控制，实现升压效果、降压效果和直通效果，这样可以在光伏电池输出电压过高时降低输出电压，在光伏电池输出电压过低时升高输出电压，从而使直流母线电容上的电压处于预设范围内，即使直流负载持续接入在光伏空调系统中，也不会对直流负载造成损害。
具体的，本发明提出的光伏空调系统，包括光伏电池、与光伏电池连接的直流母线电容和直流负载、以及连接直流母线电容与交流电网的DC/AC电路，在光伏电池的输出端设有转换电路，该转换电路可匹配直流负载调节光伏电池的输出电压。
请参见图2，转换电路由开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感L1组成，直流母线电容为C1，直流负载连接到转换电路与直流母线电容之间，其输入电压与直流母线电容上电压相同，光伏电池通过转换电路后为直流母线电容和直流负载供电，因此可以通过该转换电路调节该输出电压的大小，进而匹配直流负载的工作电压。
为达到对光伏电池的输出电压更精准的控制，本发明还包括与光伏空调系统连接的采样单元、控制单元以及辅助电源。
其中，采样单元分别连接到光伏电池的输出端以及转换电路的输出端，用于采集光伏电池的输出电压，以用于后续转换电路工作状态的确定，此外，采样单元连接到转换电路的输出端，还可以直接获取直流母线电压，即直流负载的输入电压，能够根据该电压直接判断直流负载的当前工作状态；
控制单元与采样单元连接，采样单元采集到光伏电池的输出电压后，将该输出电压传输给控制单元，控制单元能够根据该输出电压与直流负载的工作电压范围，确定转换电路的工作状态；
辅助电源一端连接到交流电网处，用于从交流电网上取电，另一端分别连接到采样单元和控制单元，用于为采样单元和控制单元供电，维持采样单元和控制单元的正常工作。
具体的，当光伏电池的输出电压高于直流负载的上限电压阈值时，转换电路工作于降压模式，用于降低光伏电池输出给直流母线电容的电压；
当光伏电池的输出电压低于直流负载的下限电压阈值时，转换电路工作于升压模式，用于升高光伏电池输出给直流母线电容的电压；
当光伏电池的输出电压处于下限电压阈值与上限电压阈值之间时，转换电路工作于直通模式，使光伏电池直接为直流母线电容供电。
通过对转换电路上述工作模式的设置，能够将直流母线电容上的电压维持在直流负载的工作电压范围之间，可以避免由于传统DC/DC电路始终升压，限制光伏发电效率的问题。
请参见图2，本发明中转换电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感L1；
其中，光伏电池的第一输出端连接到开关管Q1的第一端、第二输出端分别连接到开关管Q2的第二端以及开关管Q4的第二端，开关管Q1的第二端连接到开关管Q2的第一端，开关管Q3的第一端连接到直流母线电容的第一端、第二端连接到开关管Q4的第一端，直流母线电容的第二端分别连接到开关管Q2的第二端以及开关管Q4的第二端，电感L1一端连接到开关管Q1与开关管Q2之间、另一端连接到开关管Q3与开关管Q4之间；
直流负载的第一端连接到直流母线电容与开关管Q3之间、第二端连接到直流母线电容与开关管Q4之间。
其中，当转换电路工作在降压模式时，开关管Q1和开关管Q2处于高频开关状态，且开开关管Q1与开关管Q2的状态始终互补，开关管Q3处于直通状态，开关管Q4截止；
当转换电路工作在升压模式时，开关管Q1处于直通状态，开关管Q2截止，开关管Q3和开关管Q4处于高频开关状态，且开关管Q3与开关管Q4的状态始终互补；
当转换电路工作在直通模式时，开关管Q1和开关管Q3处于直通状态，开关管Q2和开关管Q4处于截止状态。
其中，高频开关状态指开关管通断状态的切换时刻较快，其切换频率一般处于50Hz到100Hz之间，对于升压模式，由于开关管Q3处于导通状态，因此在切换开关管Q1以及开关管Q2的导通状态时，电感L1能向直流母线电容放电，从而提高光伏电池的输出电压，同理，对于降压模式，由于开关管Q1处于导通状态，因此在切换开关管Q3以及开关管Q4的导通状态时，电感L1能够吸收一部分光伏电池的输出电压，从而降低光伏电池的输出电压。对于直通模式，由于开关管Q1和开关管Q3始终处于导通状态，因此电感L1并不会对光伏电池的输出电压造成影响，即光伏电池的输出电压不变。
通过上述转换电路的设置，能实现对光伏电池输出电压的灵活调整，能维持直流母线电压在设定的范围内运行，解决了现有光伏空调系统中光伏发电接入时DC/DC变换器始终升压运行、限制系统功率和配置光伏电池板数量的问题。
需要指出的是，本发明中仅提供了上述转换电路的实施方式，但并非仅该实施方式才能实现升压、降压效果，在本发明其他实施例中，转换电路还可以根据实际需要调节成三相全桥电路、半桥电路等，其均应处于本发明的保护范围内。
此外，在本发明其他实施例中，还存在直流负载不工作的情况，由于不存在直流负载工作电压的限制，此时直流母线电容上的电压不存在限制，此时为最大化利用光伏发电效率，减小电能转换，可以将直流负载断开出电路。
具体的，本发明还包括与直流负载连接的第一开关电路，第一开关短路可在直流负载不工作时，切断直流负载与光伏电池的连接。
请参见图2，第一开关电路包括开关K3和开关K4；
其中，开关K4串联在直流母线电容的第一端与直流负载的第一端之间，开关K3串联在直流母线电容的第二端与直流负载的第二端之间。
由于开关K3和开关K4均与直流负载串联，因此可以通过关断开关K3和开关K4直接切断直流负载与光伏空调系统的连接，此时，控制光伏侧的转换电路旁路运行，可以减少一次电能转换，最大化利用光伏发电功率，提高系统运行效率。
进一步的，本发明还包括连接在光伏电池与转换电路之间的第二开关电路，第二开关电路可在光伏电池异常时，切断光伏电池与转换电路的连接。
请参见图2，第二开关电路包括开关K1和开关K2；
其中，开关K1串联在光伏电池的第一输出端与开关管Q1的第一端之间、开关K2串联在光伏电池的第二输出端与开关管Q2的第二端之间；
由于开关K1与开关K2均串联在光伏电池的输出端，因此可以通过关断开关K1和开关K2切断光伏电池对转换电路的输出，其可以在光伏电池异常时，将光伏电池与转换电路切断，从而保护后续电路。
本发明还提出了一种光伏空调系统的控制方法，其包括：
检测直流负载是否运行；
若否，则通过第一开关电路切断直流负载与光伏空调系统的连接；
若是，则检测光伏电池的输出电压，并根据输出电压调节转换电路的运行状态；
其中，根据输出电压调节转换电路的运行状态，包括：
当输出电压高于直流负载的上限电压阈值时，控制转换电路工作于降压模式；
当输出电压低于直流负载的下限电压阈值时，控制转换电路工作于升压模式；
当输出电压处于直流负载的下限电压阈值与上限电压阈值之间时，控制转换电路工作于直通模式。
请参见图3，其为本发明光伏空调系统整体的工作流程示意图；
其在上电开始时，先检测直流负载是否运行，其中，当判断逻辑为N时，即直流负载没有运行时，切断可控开关K3/K4，即断开第一开关短路，使直流负载从光伏空调系统中断开，从而使转换电路旁路运行，图3中DC/DC即上述中的转换电路；
当判断逻辑为Y时，即直流负载运行时，判断光伏电池的输出电压(图3中为光伏电压)是否大于设定值U1(即直流负载的上限电压阈值)，若是，则表明光伏电池的输出电压过高，此时转换电路降压运行；
若光伏电池的输出电压低于设定值U1，则进一步判断光伏电池的输出电压是否小于设定值U2(直流负载的下限电压阈值)，若是，则表明光伏电池的输出电压过低，此时转换电路升压运行，若否，则表明光伏电池的输出电压处于下限电压阈值与上限电压阈值之间，此时使转换电路工作在直通模式，即使转换电路旁路运行；
这里需要指出的是，转换电路旁路运行有两个状态，其一是通过转换电路的开关管控制，使转换电路处于直通状态，另一是通过第一开关电路切断直流负载，对于第二种情况下，光伏电池能够直驱并网，最大化的利用光伏发电量，提高系统效率。
本发明还提出了一种光伏空调，其具有上述光伏空调系统。
其中，直流负载部分可以为光伏空调的压机和风机部分。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明通过转换电路的设置，能够调节光伏电池的输出电压，使光伏电池的输出电压维持在直流负载的下限阈值电压与上限阈值电压之间，解决现有技术中，光伏空调系统中光伏发电接入时DC/DC变换器始终处于升压运行、限制系统功率和配置光伏电池板数量的问题。同时，在直流负载不运行时，能通过第一开关电路断开与光伏空调系统的连接，从而减小一次电能转换，最大化利用光伏发电功率，提升系统的运行效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.光伏空调系统，包括光伏电池、与所述光伏电池连接的直流母线电容和直流负载、以及连接所述直流母线电容与交流电网的DC/AC电路，其特征在于，还包括设于所述光伏电池输出端的转换电路，所述转换电路可匹配所述直流负载调节所述光伏电池的输出电压。
2.根据权利要求1所述的光伏空调系统，其特征在于，还包括：
采样单元，其分别连接到所述光伏电池的输出端以及所述转换电路的输出端，用于采集所述光伏电池的输出电压；
控制单元，其与所述转换电路连接，并用于根据所述采样单元采集的输出电压调节所述转换电路的工作状态；
辅助电源，其分别与所述采样单元以及所述控制单元连接，并为所述采样单元以及控制单元供电。
3.根据权利要求1所述的光伏空调系统，其特征在于，当所述光伏电池的输出电压高于所述直流负载的上限电压阈值时，所述转换电路工作于降压模式；
当所述光伏电池的输出电压低于所述直流负载的下限电压阈值时，所述转换电路工作于升压模式；
当所述光伏电池的输出电压处于所述下限电压阈值与所述上限电压阈值之间时，所述转换电路工作于直通模式。
4.根据权利要求1所述的光伏空调系统，其特征在于，所述转换电路包括开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、电感L1；
所述光伏电池的第一输出端连接到所述开关管Q1的第一端、第二输出端分别连接到所述开关管Q2的第二端以及所述开关管Q4的第二端，所述开关管Q1的第二端连接到所述开关管Q2的第一端，所述开关管Q3的第一端连接到所述直流母线电容的第一端、第二端连接到所述开关管Q4的第一端，所述直流母线电容的第二端分别连接到所述开关管Q2的第二端以及所述开关管Q4的第二端，所述电感L1一端连接到所述开关管Q1与所述开关管Q2之间、另一端连接到所述开关管Q3与所述开关管Q4之间；
所述直流负载的第一端连接到所述直流母线电容与所述开关管Q3之间、第二端连接到所述直流母线电容与所述开关管Q4之间。
5.根据权利要求4所述的光伏空调系统，其特征在于，当所述转换电路工作于降压模式时，所述开关管Q1和所述开关管Q2处于高频开关状态，且所述开关管Q1与所述开关管Q2的状态始终互补，所述开关管Q3处于直通状态，所述开关管Q4截止；
当所述转换电路工作于升压模式时，所述开关管Q1处于直通状态，所述开关管Q2截止，所述开关管Q3和所述开关管Q4处于高频开关状态，且所述开关管Q3与所述开关管Q4的状态始终互补；
当所述转换电路工作于直通模式时，所述开关管Q1和所述开关管Q3处于直通状态，所述开关管Q2和所述开关管Q4处于截止状态。
6.根据权利要求1所述的光伏空调系统，其特征在于，还包括与所述直流负载连接的第一开关电路，所述第一开关电路可在所述直流负载不工作时，切断所述直流负载与所述光伏电池的连接。
7.根据权利要求1所述的光伏空调系统，其特征在于，还包括连接于所述光伏电池与所述转换电路之间的第二开关电路，所述第二开关电路可在所述光伏电池异常时，切断所述光伏电池与所述转换电路的连接。
8.根据权利要求1所述的光伏空调系统，其特征在于，所述直流负载包括光伏空调的压机和风机部分。
9.光伏空调系统的控制方法，其特征在于，包括：
检测直流负载是否运行；
若否，则通过第一开关电路切断所述直流负载与光伏空调系统的连接；
若是，则检测光伏电池的输出电压，并根据所述输出电压调节转换电路的运行状态。
10.光伏空调，其特征在于，所述光伏空调包括如权利要求1至8任意一项权利要求所述的光伏空调系统。
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