一种为空调供电的独立光伏发电系统研究

于海洋

(国网黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030)



一种为空调供电的独立光伏发电系统研究

于海洋

(国网黑龙江省电力科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150030)

提出了一种适用于1 kW空调供电的独立光伏发电系统设计方案，包括最大功率跟踪(MPPT)、蓄电池管理、逆变电压源及空调压缩机限流启动等功能，通过试验验证了其有效性，具有较高的应用价值。

独立光伏；MPPT；蓄电池管理；空调负载；限流启动

我国分布式光伏系统发展迅速，分布式光伏与配网负载配合的问题也逐渐暴露出来，其中空调压缩机启动电流就是典型问题之一，本文针对空调型负载的这个问题，通过对负载特性分析，对传统分布式光伏系统进行改进，提出了一种为空调供电的独立光伏发电系统。该系统以周期扰动观测法为策略的MPPT，以蓄电池限流充电和恒压充电为策略的蓄电池管理，以限制输出电压从而限制输出电流为策略的启动器。

MPPT需检测的量有BUCK变换器输入电压(VPV)，即光伏电池的输出电压和直流电感电流(IL)。应用扰动观测法获得VPV指令，调节P-MOSFET占空波D，使得VPV跟踪指令，使其处于光伏电池最大功率点对应的电压，即可获得光伏电池最大输出功率。通过输入端电容C1的充放电，光伏电池输出连续电流[1]。

蓄电池管理需检测的量有蓄电池电压Vb和蓄电池充电电流Ib，其中Ib由直流电感电流与逆变母线电流之差得到。按照三阶段充电法，蓄电池分恒流充电、恒压充电和浮充充电，考虑到光伏电池输出功率的不稳定性，本系统仅考虑两阶段充电，即限流和恒压充电。

由于蓄电池电压较低，为满足逆变输出电压等级的需要，并使负载和光伏电池以及蓄电池电气隔离，引入工频变压器。本系统中负载为恒定的空调负载，因此只需对输出电压作幅值均值闭环控制。考虑到空调压缩机的启动电流较大，因此需通过减小输出电压幅值指令，以限制其启动电流。

1 独立光伏发电系统原理

本独立光伏发电系统主电路拓扑结构为两级式结构，如图1所示，前级BUCK电路实现MPPT，同时实现蓄电池的管理；后级为电压源逆变器，输出220 V，50 Hz的交流电压。

2 最大功率跟踪(MPPT)和蓄电池管理

MPPT基本的方法有恒电压控制法(CVT)、扰动观测法(P&Q)、最优梯度法和电导增量法(IncCond)[2]。由于扰动观测法应用范围广，对环境的敏感性也相对较低，故被本文采用。所谓的扰动观测法，即通过对太阳电池当前的输出电压、输出电流检测，得到电池当前的输出功率，再将它与前一时刻的功率比较，从而确定给定电压调整的方向。如图2所示，当电压给定方向与功率变化方向一致时，应增大工作电压，否则减小工作电压。

图1 独立光伏发电系统

图2 扰动观测法搜索最大功率点

在独立光伏系统中蓄电池起着能量调度的作用。白天既可作为太阳能的补充供给负载，又能吸收负载消耗不了的能量，晚上则是唯一的供电电源。阀控铅酸蓄电池由于容量大、价格低、寿命长、基本免维护等优点而被大量独立光伏系统采用[3]。蓄电池是整个光伏系统中较薄弱的环节，其性能和寿命受到充电电压、放电深度以及不同充电方式的影响[4]。考虑到充电电源为光伏电池的特点，本文采取两阶段充电方式，即首先对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池达到一定容量后，采用恒压方式进行充电。这样蓄电池在初期不会产生很大电流，在后期也不会出现高电压[5]。

具体操作为当蓄电池电压低于设定的恒压充电电位时，令其工作在限流充电状态，只要充电电流超过限流值，就控制光伏电池输出电压使其向上偏离最大输出功率点，从而使充电电流维持在限流值；当蓄电池电压达到设定的恒压充电电位时，则令其工作在限压状态，只要蓄电池电压超过限压值，同样令光伏电池偏离最大功率点，从而使蓄电池电压维持在限压值；当蓄电池电压高于所限值某一位置时，关断BUCK变换器以令其强制放电；当蓄电池电压低于设定的低压保护值时，则认为蓄电池处于深放电状态，此时不应让蓄电池继续带逆变负载而关机。本系统中，蓄电池的上述状态都在液晶显示器上显示，综合MPPT和蓄电池管理的流程如图3所示。

图3 综合MPPT和蓄电池管理的流程

3 空调压缩机的限流启动

空调压缩机启动电流远远高于额定电流，对于额定功率的光伏逆变器，需令压缩机限流启动。该系统采取以下操作方式：一旦检测到压缩机启动，电压源逆变器立即重新软启动，当检测到输出电流到达限流值时不再增加输出电压指令，以此限制压缩机启动电流。

4 试验结果

本文设计的独立光伏系统主电路参数如下：BUCK变换器额定功率为500 kW，其输入电解电容为940 μF，直流电感为250 μH。逆变器额定容量为1 000 W，变压器变比为N=17，交流电感为15 μH，交流电容为4.4 μF。所有的开关器件均为P-MOSFET。其中BUCK变换器工作频率为20 kHz，逆变开关频率为10 kHz。

阀控铅酸蓄电池额定电压为24 V，设置限流充电值为15 A，恒压充电值为27 V。当蓄电池电压高于28.8 V时，关BUCK变换器，令其强行放电；当蓄电池电压低于21.6 V时，强行关逆变电源，以防止蓄电池深度放电。

以三相整流电源串联可调电阻模拟光伏电池，保持电阻不变，图4为整流输出电压从71 V快速调至100 V时的MPPT波形。可见BUCK变换器输入端电压VPV经约1.5 s完成跟踪。

图4 最大功率跟踪(MPPT)

令逆变器不工作，将三相整流输出电压调至82 V，快速减小所串电阻值，则输入光伏变换器的功率增大。由图5可见，蓄电池充电电流阶跃上升后，VPV逐渐上升以偏离最大功率点，经约1.5 s后蓄电池充电电流稳定在15 A处，即为蓄电池的限流充电。

图5 蓄电池限流充电

该系统空调负载的压缩机启动电流为其额定电流的10倍左右。为使逆变器在正常工作的范围内仍能带动压缩机，系统一旦检测到压缩机启动便令输出电压重新软启动，最终以欠压限流状态稳定运行，如图6所示。

图6 空调压缩机限流启动

经测试，额定功率下本机的整机效率为80%。

5 结束语

本文设计的独立光伏发电系统专为1 kW的空调供电。以扰动观测法实现的MPPT能满足一般性要求。应用两阶段充电法，并综合强制放电和深度放电保护等措施延长阀控式铅酸蓄电池的使用寿命。通过限制逆变器的输出电压限制空调压缩机的启动电流。试验结果证实上述方案可行。

[1] 吴忠军. 基于DSP的太阳能独立光伏发电系统的设计[D]. 镇江：江苏大学，2007.6.

[2] 徐鹏威，刘 飞，刘邦银，等. 几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J]. 电力电子技术，2007，41(5)：3-5.

[3] 欧阳名三. 独立光伏系统中蓄电池管理的研究[D]. 合肥：合肥工业大学，2004.5.

[4] 张燕妮. 浅谈光伏发电的方案设计[J]. 东北电力技术，2014，35(2)：34-36.

[5] 高 强，李 平，杨 斌，等. 光伏供电在智能变电站状态监测系统中的应用研究[J]. 东北电力技术，2014，35(4)：10-14.

Research on A Stand-Alone PV System Worked as Air-Condition’s Power Supply

YU Haiyang

(State Grid Heilongjiang Electric Power Research Institute，Haerbin，Heilongjiang 150030，China)

A stand-alone PV system designed as 1 kW air-condition’s power supply is presented.It includs maxim power point tracking (MPPT), storage battery management, voltage-source inverter and compressor’s constrained-current startup. All are verified by experimental results.

stand-alone PV system; MPPT; storage battery management; air-condition; constrained-current startup

TM615

A

1004-7913(2017)06-0060-03

于海洋(1983)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统分析、风电并网技术与检测等方面的研究工作。

2017-03-20)