太陽能電池在變頻空調上的應用

李洪濤 麥智煒

(廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山順德 528311)

太陽能電池在變頻空調上的應用

李洪濤 麥智煒

(廣東美的制冷設備有限公司，廣東佛山順德 528311)

該控制方案是在變頻空調的控制基礎上，利用其PFC控制來實現太陽能電能電池變換。由于該方案中省去了逆變控制，所以電能變換效率高、成本低、可靠性強。實驗結果顯示該方案的電能變換效率大于99%，電能利用率大于100%，且太陽能的電能轉換的控制器成本為零。

MPPT ; PFC ; 變頻空調

1、前言

隨著全球氣候變暖環境越來越惡化，為降低CO2排放，研究者們都在大力研發可再生能源技術。目前太陽能發電的應用較廣泛，太陽能發電從集中式往分布式（家庭微電網）發展，家庭微電網的優勢明顯，微電網具有雙重角色［1］。對于電力企業，微電網可視為一個簡單的可調度負荷，可以在數秒內做出響應以滿足傳輸系統的需要。對于用戶，可作為一個可定制的電源，降低饋線損耗，通過微電網儲能元件對當地電壓和頻率提供支撐。微電網接近負荷，不需要建設大電網進行遠距離高壓或超高壓輸電，可以減少線損，節省輸配電建設投資和運行費用。由于兼具發電、供熱、制冷等多種服務功能，分布式能源可以有效地實現能源的梯級利用，達到更高的能源綜合利用效率。發展分布式電源比通過改造電網來加強安全更加簡便、快捷［2］。它為解決集中式發電的缺點以及可再生能源發電的聯網找到了突破口。可以使得各種分布式發電設備的能力得到充分的利用，減小主干電網在負荷峰值期的負擔。可以增強供電可靠性并提高系統穩定性。目前家庭微電網的缺點在于電能逆變變換效率低下，通常變換效率在90%左右，光伏板發的電通過Buck或Boost DC-DC變換電路來完成最大功率跟蹤，其電能損耗約3%-6%，然后用全橋DC-AC逆變電路變換成交流市電來給家庭電器使用或并網，其電能損耗在5-8%，整體電能損耗在10%左右［3］。而整個方案的成本也不低約0.3-0.5元/W。本文提出了一種電能變換效率高，成本為零的電能變換方案，在變頻空調的控制基礎上，利用PFC控制來完成高效的太陽能電能變換，省去太陽能電池電能變換控制，該方案電能變換效率高、零成本，變換效率大于99%，電能利用率達到100%以上。

2、MPPT太陽能電池的最大功率輸出控制

MPPT太陽能電池的最大功率輸出控制是通過檢測太陽能電池的輸出電壓與電流，控制其負載大小來調節太陽能電池的輸出電壓高低，跟蹤太陽能電池功率輸出的最大工作點，使太陽能電池發出的電能得到最大的應用。

2、空調變頻控制器

空調變頻控制器的基本電路如圖1，交流市電輸入，經整流橋DR1整流成直流，再經PFC電路進行功率因數校正，電解電容（E1、E2）濾波成直流V02，然后MCU驅動IPM模塊逆變成交流驅動直流變頻壓縮機。下面重點介紹一下PFC的工作原理，PFC的電路組成：R1和R2電阻串連分壓進行V01的電壓（V01PP為V01的峰值電壓）及相位θ采樣，L1 PFC儲能電感、Q1 IGBT、D1快恢復二極管組成一個DC-DC Boost電路，R0和差分電流采樣電路進行PFC電流采樣，R7和R8電阻串連分壓進行V02的電壓波形采樣.交流市電經全橋整流加大電解電容濾波，如果沒有PFC電路進行功率因數校正的話，其電流波形的相位與電壓波形存在相位差和電流諧波成分占比大如圖4［4］［5］。只有加PFC電路進行功率因數校正，才能校正電流波形的相位與電壓波形同相位和降低電流諧波成分如圖2、如圖3。PFC電路通過控制Q1的開關來校正PFC電流的相位達到功率因數校正的目的。控制Q1的開關的根據是V02=K×D×V01PP×SIN(θ)（K為升壓系數，D為Q1的開通時間的占比），可推出D=V02/(K×VO1PP×SIN(θ))，控制升壓系數K，就可以控制V02電壓的高低，要達到功率因數99%以上的話，必須保證V02的電壓大于V01的峰值電壓V01PP。控制按圖4來控制Q1的開通時間的占比D。

4、太陽能空調控制器

太陽能電池板通過一個二極管D2和一個電流采樣電阻R4直接與空調變頻控制器的直流母線相連如圖5。MCU通過R4和差分電路采樣來讀取流過R4的電流相位及大小（I02），通過R7、R8串連降壓來讀取V02的電壓，這樣可以進行太陽能電池板電能的功率計算P=I0×V02，由于太陽能電池的輸出有效電壓V02，這樣控制V02的大小就能找到其最大功率工作點，而V02的大小可由PFC電路控制，這樣只要通過調整V02電壓的大小來找太陽能電池板電能的最大功率工作點如圖6。通過PFC的控制來太陽能電池板電能的最大功率控制如圖7，PFC電路的開關管Q1的的開通時間的占比D控制來實現太陽能電池板電能的最大功率控制。

圖1 空調變頻控制器的基本電路示意圖

圖2 交流市電輸入的電壓與電流圖（PFC開）

圖3 交流市電輸入的電壓與電流圖（PFC關）

圖4 PFC電路的開關管Q1的的開通時間的占比D控制

圖5 太陽能空調控制器的電路示意圖

圖6 太陽能電池板電能的最大功率控制示意圖

圖7 PFC電路的開關管Q1的的開通時間的占比D控制

圖8 太陽能電池板的最大功率輸出跟蹤率

圖9 空調省電功率比太陽能電池輸出功率

5、 實驗驗證結果

用的太陽能電池板的參數（25℃時）是峰值功率200W、最大功率時的電壓36V、最大功率時的電流5.56A，采用9塊串聯，則太陽能電池板組的峰值功率1800W、最大功率時的電壓324V、最大功率時的電流5.56A。由于太陽能電池板的實際最大功率輸出沒法測試，改用測試其輸出電壓V03來評估，已知板溫度25度時最大輸出功率時，其輸出的電壓是324V，而其輸出電壓的溫度系數是-0.3每度，即V=324×(1-(t-25)×0.003)，這樣可以通過測試太陽能電池板的溫度和輸出的電壓來評估是否工作在功率最大輸出點。測試數據如圖8太陽能電池板的最大功率輸出跟蹤率，功率小時接近100%，當功率大時，由于線損增加，有所下降，但都高過99.5%；如圖9空調省電功率比太陽能電池輸出功率比值。由于PFC控制的功率損耗隨功率大而大，當太陽能電池輸出功率大時，其空調省電功率比太陽能電池輸出功率比值也大。

6、結論

從實驗結果可以看出，該太陽能空調控制器的控制方案由于沒有電能變換損耗，其電能轉換效率大于99.5%，由于太陽能電池的電能沒有經過整流和PFC電路的損耗，對太陽能電池的電能利用率大于100%，太陽能電池的電能變換器為零成本。

［1］薛德千．太陽能制冷技術．北京：化學工業出版社．2006（9）

［2］易義武，劉霏霏，戴源德．太陽能制冷技術的研究概況［J］．節能與環保，2006（1）

［3］許化民. 單級功率因數校正 AC- DC 變換器的綜述[J].電力電子技術，2001，33（1）：56-60.

［4］楊興華.新型部分有源功率因數校正電路的分析與實現[J].電氣應用，2007，26（7）：54-57.

［5］朱永祥．有源箝位正激式單級功率因數校正變換器的仿真實現[J]. 湖南工業大學學報，2012，26(3)：68-71.

Application of solar cells in inverter air conditioner

Li Hongtao Mai Zhiwei
(MIDEA RAC DIVISSION, Foshan 528311, China)

Based on the control for inverter air conditioner, this control scheme adopts the efficient resonant DC-DC converter to realize the power converter of solar energy. Due to the omission of inverter control in this scheme, it results in high efficiency and low cost of conversion of electrical energy. The experiment results show that power conversion efficiency in this scheme is greater than 99%, the utilization rate of electrical energy can be reached above 100 %, and the cost of controller for electrical energy conversion of solar energy drops to 0.

MPPT; PFC; inverter air conditioner