于海洋

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030)

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一種為空調(diào)供電的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

于海洋

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力科學(xué)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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)限流啟動(dòng)等功能，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

獨(dú)立光伏；MPPT；蓄電池管理；空調(diào)負(fù)載；限流啟動(dòng)

我國(guó)分布式光伏系統(tǒng)發(fā)展迅速，分布式光伏與配網(wǎng)負(fù)載配合的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，其中空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)電流就是典型問(wèn)題之一，本文針對(duì)空調(diào)型負(fù)載的這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)負(fù)載特性分析，對(duì)傳統(tǒng)分布式光伏系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種為空調(diào)供電的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)以周期擾動(dòng)觀測(cè)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(dòng)器。

MPPT需檢測(cè)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(yīng)用擾動(dòng)觀測(cè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓，即可獲得光伏電池最大輸出功率。通過(guò)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(cè)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(jí)的需要，并使負(fù)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(fù)載為恒定的空調(diào)負(fù)載，因此只需對(duì)輸出電壓作幅值均值閉環(huán)控制?？紤]到空調(diào)壓縮機(jī)的啟動(dòng)電流較大，因此需通過(guò)減小輸出電壓幅值指令，以限制其啟動(dòng)電流。

1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

本獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，前級(jí)BUCK電路實(shí)現(xiàn)MPPT，同時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄電池的管理；后級(jí)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(dòng)觀測(cè)法(P&Q)、最優(yōu)梯度法和電導(dǎo)增量法(IncCond)[2]。由于擾動(dòng)觀測(cè)法應(yīng)用范圍廣，對(duì)環(huán)境的敏感性也相對(duì)較低，故被本文采用。所謂的擾動(dòng)觀測(cè)法，即通過(guò)對(duì)太陽(yáng)電池當(dāng)前的輸出電壓、輸出電流檢測(cè)，得到電池當(dāng)前的輸出功率，再將它與前一時(shí)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(dāng)電壓給定方向與功率變化方向一致時(shí)，應(yīng)增大工作電壓，否則減小工作電壓。

圖1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2 擾動(dòng)觀測(cè)法搜索最大功率點(diǎn)

在獨(dú)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(yáng)能的補(bǔ)充供給負(fù)載，又能吸收負(fù)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(jià)格低、壽命長(zhǎng)、基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而被大量獨(dú)立光伏系統(tǒng)采用[3]。蓄電池是整個(gè)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(diǎn)，本文采取兩階段充電方式，即首先對(duì)蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池達(dá)到一定容量后，采用恒壓方式進(jìn)行充電。這樣蓄電池在初期不會(huì)產(chǎn)生很大電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓[5]。

具體操作為當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定的恒壓充電電位時(shí)，令其工作在限流充電狀態(tài)，只要充電電流超過(guò)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(diǎn)，從而使充電電流維持在限流值；當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定的恒壓充電電位時(shí)，則令其工作在限壓狀態(tài)，只要蓄電池電壓超過(guò)限壓值，同樣令光伏電池偏離最大功率點(diǎn)，從而使蓄電池電壓維持在限壓值；當(dāng)蓄電池電壓高于所限值某一位置時(shí)，關(guān)斷BUCK變換器以令其強(qiáng)制放電；當(dāng)蓄電池電壓低于設(shè)定的低壓保護(hù)值時(shí)，則認(rèn)為蓄電池處于深放電狀態(tài)，此時(shí)不應(yīng)讓蓄電池繼續(xù)帶逆變負(fù)載而關(guān)機(jī)。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(jī)的限流啟動(dòng)

空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于額定電流，對(duì)于額定功率的光伏逆變器，需令壓縮機(jī)限流啟動(dòng)。該系統(tǒng)采取以下操作方式：一旦檢測(cè)到壓縮機(jī)啟動(dòng)，電壓源逆變器立即重新軟啟動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到輸出電流到達(dá)限流值時(shí)不再增加輸出電壓指令，以此限制壓縮機(jī)啟動(dòng)電流。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的獨(dú)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(kāi)關(guān)器件均為P-MOSFET。其中BUCK變換器工作頻率為20 kHz，逆變開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。

閥控鉛酸蓄電池額定電壓為24 V，設(shè)置限流充電值為15 A，恒壓充電值為27 V。當(dāng)蓄電池電壓高于28.8 V時(shí)，關(guān)BUCK變換器，令其強(qiáng)行放電；當(dāng)蓄電池電壓低于21.6 V時(shí)，強(qiáng)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(shí)的MPPT波形。可見(jiàn)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(jiàn)，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(diǎn)，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(fù)載的壓縮機(jī)啟動(dòng)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(dòng)壓縮機(jī)，系統(tǒng)一旦檢測(cè)到壓縮機(jī)啟動(dòng)便令輸出電壓重新軟啟動(dòng)，最終以欠壓限流狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖6所示。

圖6 空調(diào)壓縮機(jī)限流啟動(dòng)

經(jīng)測(cè)試，額定功率下本機(jī)的整機(jī)效率為80%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)專為1 kW的空調(diào)供電。以擾動(dòng)觀測(cè)法實(shí)現(xiàn)的MPPT能滿足一般性要求。應(yīng)用兩階段充電法，并綜合強(qiáng)制放電和深度放電保護(hù)等措施延長(zhǎng)閥控式鉛酸蓄電池的使用壽命。通過(guò)限制逆變器的輸出電壓限制空調(diào)壓縮機(jī)的啟動(dòng)電流。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)上述方案可行。

[1] 吳忠軍. 基于DSP的太陽(yáng)能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，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(jìn)[J]. 電力電子技術(shù)，2007，41(5)：3-5.

[3] 歐陽(yáng)名三. 獨(dú)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(xué)，2004.5.

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

[5] 高 強(qiáng)，李 平，楊 斌，等. 光伏供電在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)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(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析、風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)與檢測(cè)等方面的研究工作。

2017-03-20)