一種為空調(diào)供電的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

于海洋

(國網(wǎng)黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

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一種為空調(diào)供電的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

于海洋

(國網(wǎng)黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

提出了一種適用于1 kW空調(diào)供電的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設計方案，包括最大功率跟蹤(MPPT)、蓄電池管理、逆變電壓源及空調(diào)壓縮機限流啟動等功能，通過試驗驗證了其有效性，具有較高的應用價值。

獨立光伏；MPPT；蓄電池管理；空調(diào)負載；限流啟動

我國分布式光伏系統(tǒng)發(fā)展迅速，分布式光伏與配網(wǎng)負載配合的問題也逐漸暴露出來，其中空調(diào)壓縮機啟動電流就是典型問題之一，本文針對空調(diào)型負載的這個問題，通過對負載特性分析，對傳統(tǒng)分布式光伏系統(tǒng)進行改進，提出了一種為空調(diào)供電的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)以周期擾動觀測法為策略的MPPT，以蓄電池限流充電和恒壓充電為策略的蓄電池管理，以限制輸出電壓從而限制輸出電流為策略的啟動器。

MPPT需檢測的量有BUCK變換器輸入電壓(VPV)，即光伏電池的輸出電壓和直流電感電流(IL)。應用擾動觀測法獲得VPV指令，調(diào)節(jié)P-MOSFET占空波D，使得VPV跟蹤指令，使其處于光伏電池最大功率點對應的電壓，即可獲得光伏電池最大輸出功率。通過輸入端電容C1的充放電，光伏電池輸出連續(xù)電流[1]。

蓄電池管理需檢測的量有蓄電池電壓Vb和蓄電池充電電流Ib，其中Ib由直流電感電流與逆變母線電流之差得到。按照三階段充電法，蓄電池分恒流充電、恒壓充電和浮充充電，考慮到光伏電池輸出功率的不穩(wěn)定性，本系統(tǒng)僅考慮兩階段充電，即限流和恒壓充電。

由于蓄電池電壓較低，為滿足逆變輸出電壓等級的需要，并使負載和光伏電池以及蓄電池電氣隔離，引入工頻變壓器。本系統(tǒng)中負載為恒定的空調(diào)負載，因此只需對輸出電壓作幅值均值閉環(huán)控制。考慮到空調(diào)壓縮機的啟動電流較大，因此需通過減小輸出電壓幅值指令，以限制其啟動電流。

1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

本獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓撲結(jié)構(gòu)為兩級式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，前級BUCK電路實現(xiàn)MPPT，同時實現(xiàn)蓄電池的管理；后級為電壓源逆變器，輸出220 V，50 Hz的交流電壓。

2 最大功率跟蹤(MPPT)和蓄電池管理

MPPT基本的方法有恒電壓控制法(CVT)、擾動觀測法(P&Q)、最優(yōu)梯度法和電導增量法(IncCond)[2]。由于擾動觀測法應用范圍廣，對環(huán)境的敏感性也相對較低，故被本文采用。所謂的擾動觀測法，即通過對太陽電池當前的輸出電壓、輸出電流檢測，得到電池當前的輸出功率，再將它與前一時刻的功率比較，從而確定給定電壓調(diào)整的方向。如圖2所示，當電壓給定方向與功率變化方向一致時，應增大工作電壓，否則減小工作電壓。

圖1 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2 擾動觀測法搜索最大功率點

在獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池起著能量調(diào)度的作用。白天既可作為太陽能的補充供給負載，又能吸收負載消耗不了的能量，晚上則是唯一的供電電源。閥控鉛酸蓄電池由于容量大、價格低、壽命長、基本免維護等優(yōu)點而被大量獨立光伏系統(tǒng)采用[3]。蓄電池是整個光伏系統(tǒng)中較薄弱的環(huán)節(jié)，其性能和壽命受到充電電壓、放電深度以及不同充電方式的影響[4]。考慮到充電電源為光伏電池的特點，本文采取兩階段充電方式，即首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池達到一定容量后，采用恒壓方式進行充電。這樣蓄電池在初期不會產(chǎn)生很大電流，在后期也不會出現(xiàn)高電壓[5]。

具體操作為當蓄電池電壓低于設定的恒壓充電電位時，令其工作在限流充電狀態(tài)，只要充電電流超過限流值，就控制光伏電池輸出電壓使其向上偏離最大輸出功率點，從而使充電電流維持在限流值；當蓄電池電壓達到設定的恒壓充電電位時，則令其工作在限壓狀態(tài)，只要蓄電池電壓超過限壓值，同樣令光伏電池偏離最大功率點，從而使蓄電池電壓維持在限壓值；當蓄電池電壓高于所限值某一位置時，關(guān)斷BUCK變換器以令其強制放電；當蓄電池電壓低于設定的低壓保護值時，則認為蓄電池處于深放電狀態(tài)，此時不應讓蓄電池繼續(xù)帶逆變負載而關(guān)機。本系統(tǒng)中，蓄電池的上述狀態(tài)都在液晶顯示器上顯示，綜合MPPT和蓄電池管理的流程如圖3所示。

圖3 綜合MPPT和蓄電池管理的流程

3 空調(diào)壓縮機的限流啟動

空調(diào)壓縮機啟動電流遠遠高于額定電流，對于額定功率的光伏逆變器，需令壓縮機限流啟動。該系統(tǒng)采取以下操作方式：一旦檢測到壓縮機啟動，電壓源逆變器立即重新軟啟動，當檢測到輸出電流到達限流值時不再增加輸出電壓指令，以此限制壓縮機啟動電流。

4 試驗結(jié)果

本文設計的獨立光伏系統(tǒng)主電路參數(shù)如下：BUCK變換器額定功率為500 kW，其輸入電解電容為940 μF，直流電感為250 μH。逆變器額定容量為1 000 W，變壓器變比為N=17，交流電感為15 μH，交流電容為4.4 μF。所有的開關(guān)器件均為P-MOSFET。其中BUCK變換器工作頻率為20 kHz，逆變開關(guān)頻率為10 kHz。

閥控鉛酸蓄電池額定電壓為24 V，設置限流充電值為15 A，恒壓充電值為27 V。當蓄電池電壓高于28.8 V時，關(guān)BUCK變換器，令其強行放電；當蓄電池電壓低于21.6 V時，強行關(guān)逆變電源，以防止蓄電池深度放電。

以三相整流電源串聯(lián)可調(diào)電阻模擬光伏電池，保持電阻不變，圖4為整流輸出電壓從71 V快速調(diào)至100 V時的MPPT波形。可見BUCK變換器輸入端電壓VPV經(jīng)約1.5 s完成跟蹤。

圖4 最大功率跟蹤(MPPT)

令逆變器不工作，將三相整流輸出電壓調(diào)至82 V，快速減小所串電阻值，則輸入光伏變換器的功率增大。由圖5可見，蓄電池充電電流階躍上升后，VPV逐漸上升以偏離最大功率點，經(jīng)約1.5 s后蓄電池充電電流穩(wěn)定在15 A處，即為蓄電池的限流充電。

圖5 蓄電池限流充電

該系統(tǒng)空調(diào)負載的壓縮機啟動電流為其額定電流的10倍左右。為使逆變器在正常工作的范圍內(nèi)仍能帶動壓縮機，系統(tǒng)一旦檢測到壓縮機啟動便令輸出電壓重新軟啟動，最終以欠壓限流狀態(tài)穩(wěn)定運行，如圖6所示。

圖6 空調(diào)壓縮機限流啟動

經(jīng)測試，額定功率下本機的整機效率為80%。

5 結(jié)束語

本文設計的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)專為1 kW的空調(diào)供電。以擾動觀測法實現(xiàn)的MPPT能滿足一般性要求。應用兩階段充電法，并綜合強制放電和深度放電保護等措施延長閥控式鉛酸蓄電池的使用壽命。通過限制逆變器的輸出電壓限制空調(diào)壓縮機的啟動電流。試驗結(jié)果證實上述方案可行。

[1] 吳忠軍. 基于DSP的太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學，2007.6.

[2] 徐鵬威，劉 飛，劉邦銀，等. 幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進[J]. 電力電子技術(shù)，2007，41(5)：3-5.

[3] 歐陽名三. 獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池管理的研究[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學，2004.5.

[4] 張燕妮. 淺談光伏發(fā)電的方案設計[J]. 東北電力技術(shù)，2014，35(2)：34-36.

[5] 高 強，李 平，楊 斌，等. 光伏供電在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究[J]. 東北電力技術(shù)，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，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析、風電并網(wǎng)技術(shù)與檢測等方面的研究工作。

2017-03-20)