一种光伏空气源热泵控制方法及光伏空气源热泵系统与流程

本发明涉及光伏空气源热泵技术领域，特别涉及一种光伏空气源热泵控制方法及光伏空气源热泵系统。

背景技术：

在我国北方农村地区，冬季采暖以散烧煤为主。散煤的使用总量大，燃烧方式落后，污染排放严重，是采暖季出现“雾霾”天气的重要原因之一。自2016年来，北方各省市相继开展实施“煤改电”工程，以电设备代替燃煤锅炉进行采暖改造。其中，空气源热泵可以发挥电能高品质优势，具有高效、环保、安全和便利的优点，是冬季清洁采暖的主力军。但是，空气源热泵的设备价格较高，运行所需的用电费用也超过以往的燃煤费用，高昂的改造和使用成本成为空气源热泵推广过程中的关键制约因素。

近年来，我国的光伏发电产业规模不断扩大，组件成本显著下降，为太阳能的开发利用提供了广阔的市场空间。同时，农村地区居民分散，建筑低矮，具备搭建光伏发电系统的良好环境条件。因此，可利用光伏阵列将太阳能转换为电能，减少白天空气源热泵所需的市电电能，从而降低采暖的用电成本。

由于空气源热泵在采暖领域大规模应用的时间较短，现阶段国内很少有学者或企业将其与光伏发电技术结合研究，相关的控制装置和工程案例也极少见。

技术实现要素：

本发明提供一种光伏空气源热泵控制方法及光伏空气源热泵系统，可以高效实现光伏和市电的双电源供电系统。

第一方面，本发明实施例提供了一种光伏空气源热泵控制方法，应用于光伏空气源热泵系统上，所述光伏空气源热泵系统包括光伏阵列、光伏控制器和变频器，所述光伏阵列通过所述光伏控制器与所述变频器直流母线连接，所述光伏阵列用于为压缩机提供光伏电能，所述控制方法包括步骤：

在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，所述光伏控制器进行调压控制，使所述光伏阵列为所述压缩机供电；

否则，所述光伏控制器进行mppt控制，通过所述光伏阵列和电网为所述压缩机供电。

优选地，所述在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，所述光伏控制器进行调压控制，使所述光伏阵列为所述压缩机供电，具体为：若直流母线电压超出第一预设阈值，则所述光伏控制器采用输入电压前馈和输出电压反馈相结合的控制方法，调节占空比使所述直流母线电压稳定在第一预设阈值范围内。

优选地，所述否则，所述光伏控制器进行mppt控制，通过所述光伏阵列和电网为所述压缩机供电，具体为：若直流母线电压低于第二预设阈值且占空比达到极限值，则采用扰动观察法进行所述光伏阵列输出的控制。

优选地，在所述光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，所述光伏控制器进行调压控制，使所述光伏阵列为所述压缩机供电时，还包括步骤：阻断电网与所述压缩机之间的通路。

第二方面，本发明实施例提供了一种光伏空气源热泵系统，包括光伏阵列、光伏控制器和变频器，所述光伏阵列通过所述光伏控制器与所述变频器直流母线连接，所述光伏阵列用于为压缩机提供光伏电能，所述光伏控制器用于在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，进行调压控制，使所述光伏阵列为所述压缩机供电；否则，进行mppt控制，通过所述光伏阵列和电网为所述压缩机供电。

优选地，所述光伏控制器用于在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，进行调压控制，使所述光伏阵列为所述压缩机供电，具体为：若直流母线电压超出第一预设阈值，则所述光伏控制器采用输入电压前馈和输出电压反馈相结合的控制方法，调节占空比使所述直流母线电压稳定在第一预设阈值范围内。

优选地，所述光伏控制器用于在光伏发电最大功率未超出压缩机运行功率时，进行mppt控制，通过所述光伏阵列和电网为所述压缩机供电，具体为：若直流母线电压低于第二预设阈值且占空比达到极限值，则所述光伏控制器通过扰动观察法进行所述光伏阵列输出的控制。

优选地，还包括阻断模块，用于阻断电网与所述压缩机之间的通路。

优选地，所述阻断模块为二极管。

优选地，所述光伏控制器为boost变换器。

采用上述技术方案，通过光伏控制器来进行控制，在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电，否则，进行mppt控制，通过光伏阵列和电网为压缩机进行双电源供电，这样大幅降低了高峰电价时段所需的市电电能，且该种控制策略简单高效，能够优先利用光伏电能和mppt控制，实现了光伏+市电的双电源供电系统。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的结构框图；

图2为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的boost变换器拓扑图；

图3为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的boost变换器输入电压前馈控制框图；

图4为本发明实施例提供的光伏控制器调压控制流程图；

图5为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的光伏控制器的mppt实现原理图；

图6为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的光伏控制器扰动观察法mppt控制流程图；

图7为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的boost变换器mppt控制框图；

图8为本发明实施例提供的光伏空气源热泵系统的光伏控制器控制模式切换原理图；

图9为本发明实施例提供的光伏空气源热泵控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

其中，在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，a/b可以表示a或b；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。

以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

第一方面，本发明实施例提供了一种光伏空气源热泵系统，包括光伏阵列、光伏控制器和变频器，光伏阵列通过光伏控制器与变频器直流母线连接，光伏阵列用于为压缩机提供光伏电能，光伏控制器用于在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电；否则，进行mppt控制，通过光伏阵列和电网为压缩机供电。

优选地，光伏控制器用于在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电，具体为：若直流母线电压超出第一预设阈值，则光伏控制器采用输入电压前馈和输出电压反馈相结合的控制方法，调节占空比使直流母线电压稳定在第一预设阈值范围内。

优选地，光伏控制器用于在光伏发电最大功率未超出压缩机运行功率时，进行mppt控制，通过光伏阵列和电网为压缩机供电，具体为：若直流母线电压低于第二预设阈值且占空比达到极限值，则光伏控制器通过扰动观察法进行光伏阵列输出的控制。

优选地，还包括阻断模块，用于阻断电网与压缩机之间的通路。

优选地，阻断模块为二极管。

光伏空气源热泵系统结构如图1所示，光伏阵列和电网构成空气源热泵的“双电源”。光伏阵列通过dc/dc控制器与变频器的直流母线连接，向空气源热泵提供光伏电能。该结构的优点在于能够在不改变热泵驱动控制的情况下完成光伏发电系统及其控制器的接入，适合对现有的空气源热泵进行节能改造。同时，省去了蓄电池储能环节，有效降低了系统成本。此外，根据共直流母线的结构，可以适当提高变频器直流母线电压，利用前级二极管整流桥特性阻断电网的供电通路，使光伏电能优先输入。因此，光伏控制器可实现“双电源”的无缝切换。

由于热泵压缩机变频运行，应合理配置光伏阵列的容量。

以一机组为例，启动阶段峰值功率超过6kw。待水温稳定，热泵降频运行时消耗功率小于3kw。若光伏阵列容量过大，会在长时间的降频运行过程中造成“弃光”损失；若光伏阵列容量过小，则降低用电成本的效果不明显。所以，加入光伏发电系统后，系统升频时应由光伏阵列和电网共同供电，而降频时尽量使光伏刚好满足负载需求，最大限度地减少从电网获取的电能。为缩短投资回报周期，高效利用太阳能，光伏发电要采用最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,mppt)控制。

基于以上构想，考虑到光伏发电出力的间歇性和随机性，结合热泵的负载特性，光伏空气源热泵系统存在两种典型运行工况。

1、调压控制：当光照充足且热泵降频运行，满足此时利用dc/dc控制器升高直流母线电压，封锁市电整流电路，优先使用光伏电能，不再需要电网电能。

2、mppt控制：当光照不足或热泵升频运行，即此时光伏阵列和电网共同为变频器供电，控制器对光伏阵列做mppt控制，获得最大输出功率。

根据系统方案设计，光伏dc/dc控制器采用boost电路拓扑。boost变换器又称升压变换器，用来连接光伏阵列和直流母线可获得较宽的电压控制范围。boost电路结构只包含一个开关器件，并且一端接地，具有设计简单、变换效率高的特点。此外，由于输入电流连续，因此广泛应用在光伏发电系统中。

如图2所示，电路拓扑结构包括开关器件s、电感l、电容c和二极管vd。boost变换器为了使输出电压vout高于输入电压vin，在输入端和开关元件之间加入电感。当开关器件关断，电感电流il变小，产生反电动势与电源输入叠加，从而在负载r两端获得比输入电压更高的输出电压。当电感电流连续时，boost变换器存在两种开关状态。下面分析电路的理想稳态特性，假定开关元件和二极管是理想器件，能够完成瞬时导通和截止，并且没有开关损耗；电感和电容也是理想元件，等效电阻为零；输出端电容电压的纹波可以忽略。

当开关导通时，二极管反向截止，输入端直接连接到电感上。电感电压即为输入电压，因而电感电流线性增长。此时负载由电容供电，选用足够大的电容可使输出电压近似恒定。在一个开关周期ts内，导通时间为ton，则电感电流的增加量

其中，d＝ton/ts称作开关器件的导通占空比。当开关截止时，二极管导通，电源和电感共同向负载和电容充电。电感电压为输入与输出电压之差，故电感电流线性减小。开关截止时间为toff＝ts-ton，期间电感电流的减少量

电路处于稳态时，在一个开关周期内电感储存的能量为零，即电感电流的增加量应等于减少量。令δil+＝δil-，联立式(1)与式(2)可计算boost变换器的升压比

又因理想情况时不考虑电路损耗，输入功率等于输出功率，即viniin＝voutiout，故有

注意到电感与输入侧连接，电感电流就是输入电流，则两者平均值il＝iin。而开关器件和二极管轮流导通与电感相接，则平均值分别有is＝dil和ivd＝(1-d)il。其中，开关器件和二极管的电流最大值与电感电流最大值相等。在输出端，一个开关周期内电容的充电量与放电量相等，电容电流平均值为零，因此二极管电流与输出电流的平均值相等，有ivd＝iout。为保证电感电流连续，避免在一个开关周期内电感能量释放完毕但开关器件还没有重新导通，需满足0.5δil＜il，得到

开关管和二极管截止时均承受输出电压。计算输出电压脉动量时，认为输出电流恒定，则电压波动幅值正比于开关导通阶段的电容放电量，即

根据上述的电路工作过程分析，在给定输入电压vin的情况下，boost电路输出电压vout取决于占空比d的控制。由于d＝ton/ts，目前应用最广泛的控制方式是固定开关周期ts，调节导通时间ton。这种方法称作脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation,pwm)技术，利用mcu或dsp编程容易实现。

此外，由于电路总是存在寄生电阻损耗，在同样的输入电压vin和占空比d情况下，实际输出电压vout小于上述公式(3)计算的理想输出电压。而且，d过大时输出电压反而下降。因为开关器件关断时间过短，输出端电容充电量小于放电量，同时电感未能充分释放能量，甚至会造成电感电流过流的故障。因此，对占空比d有最大值dmax限制，本申请中可以取dmax＝0.5。

调压控制

当光伏发电系统可满足热泵运行所需功率，boost变换器进行调压控制。通过提高母线电压，利用整流桥二极管特性阻断电网的供电通路，将光伏电能优先注入变频器的直流母线。通常，空气源热泵系统在市电运行时母线电压始终低于350v。因此，设定调压控制模式的直流母线目标电压vdc-ref为350v。图3为boost变换器输入电压前馈控制框图。

当vdc＜vdc-ref时，采用图3所示的输入电压前馈控制方式提高母线电压。根据输出电压目标值vdc-ref和实际输入电压vin，由公式(3)直接计算d＝1-vin/vdc-ref。前馈控制方式的优点是计算方便，响应速度快，能够根据输入电压变化实时调节占空比。缺点是无法获取输出端负载变化的信息，实际输出电压可能偏离参考电压。虽然直接计算占空比的式(3)是理想情况下推导的，但调压控制只需有效抬高母线电压，在此基础上根据系统运行特点加以改进即可。

如果空气源热泵停机，由于boost变换器没有与主系统控制器进行信息交互，因此输出端直流母线相当于空载，此时母线电压会瞬间过压，必须要有合理的保护措施。设定调压控制模式的直流母线保护电压vdc-prot为370v。

图4描述了前馈控制方式改进后的调压控制流程图，增加了overvdc作为逻辑标志。当母线电压低于350v，将overvdc清零，仍然按照电压前馈方式计算占空比；当母线电压超过370v，将overvdc置位，执行过压保护令占空比为0，boost变换器直到电容自然放电至电压重新低于350v才工作。特别地，当母线电压在350v～370v之间，而且未发生过压保护，即overvdc＝0时，将变换器占空比固定为一个较小的常量。这样，既能保证空载时不会瞬时过压，正常运行时在目标电压附近又可以与前馈控制结合，达到稳定母线电压的效果。

mppt控制

当光伏发电系统无法满足热泵运行所需功率，boost变换器进行mppt控制。光伏阵列和电网共同为负载供电，并使光伏发电系统始终工作在最大功率点(maximumpowerpoint,mpp)附近。

光伏电池是一种非线性电源。从功率-电压特性看，输出功率是单峰值曲线，存在一个极大值，即mpp。从电流-电压特性看，mpp左侧至短路的区域内，电流基本不变，近似表现为恒流源；mpp右侧到开路的区域内，电压变化很小，可视作恒压源。其中，短路电流和开路电压是两个重要参数。通常将许多光伏电池单元串并联在一起，构成光伏阵列使用。

光伏电池的非线性特征受到光照强度和环境温度等因素的影响。随着光照强度增加，曲线近似整体向上平移，短路电流变大，mpp向右上方移动；随着环境温度的升高，电流-电压曲线近似整体向左平移，开路电压减小，mpp向左下方移动。因此，实际应用中mpp的位置不断变化，需要根据不同的光照强度、环境温度等条件持续调整光伏阵列的工作点，这就是mppt技术。

理论上，只要光伏阵列和负载rmpp完全匹配，就能输出最大功率。应使表示光伏阵列和负载的伏安特性曲线在mpp处相交。由于光伏阵列的伏安特性随环境因素和系统寿命变化，需要实时调整负载特性，达到最佳匹配效果。

以图5为例说明boost变换器调整光伏阵列工作点的mppt原理。为简化分析过程，假定输出端是纯电阻负载r。根据之前的分析，将boost电路输入与输出之间的电压和电流关系重写如下所示。

vin＝vout(1-d)(7)

则从光伏阵列输出端看过去，理想的负载电阻为

可见，控制boost变换器的占空比即可调整光伏阵列输出端的等效电阻，使系统工作点与理想负载rmpp匹配，获得最大输出功率，从而实现mppt。

扰动观察法是目前广泛使用的方法之一。周期性地增大或减小光伏阵列电压，观测并判断输出功率变化方向，决定下一步的扰动方向。扰动观察法的算法简单，控制效果较好。但扰动方向盲目，稳态时在mpp附近振荡运行，造成功率损失。同时，外界环境快速变化时会出现误跟踪的现象。

本申请中的mppt控制选择适用于中小型光伏发电系统的扰动观察法，采用光伏阵列输出电压(即boost变换器输入电压)的扰动控制。扰动观察法的流程如图6所示，在一个控制周期tc内，计算和比较输出功率的变化，若功率增加则保持干扰方向，否则改变干扰方向。

扰动量的大小为δv，直接扰动boost变换器输入参考电压vin-ref。根据输入电压目标值vin-ref和输出电压vdc，由式(3)直接计算d＝1-vin-ref/vdc，使实际输入电压跟随目标值，从而实现光伏阵列电压的扰动控制。由于公式(3)是在理想稳态下推导得出，实际运行中vin和vin-ref会有微小的偏差。但考虑到控制目标是输出功率的变化，只要vin-ref具有合理的调整范围，不会影响扰动观察法对mpp的跟踪效果。

扰动观察法的两个重要参数是扰动步长δv和控制周期tc。一般来说，步长δv越大，动态响应越快，但稳态时振荡越大；反之，提高了稳态精度，但跟踪速度变慢。控制周期tc不仅需要与扰动步长δv合理匹配，避免电路过渡过程的影响，还要考虑到算法复杂度和控制器运算能力。通常的原则是在满足一定动态响应的基础上，尽量减小扰动步长δv，并且增大控制周期tc。因此，保证稳态精度和系统稳定性相比跟踪速度更重要，使光伏发电系统能够长期高效运行。

由于boost变换器输出端与空气源热泵的变频器共用直流母线，必须需要考虑母线电压对扰动观察法的影响。由于占空比d＝1-vin-refvdc，并且实时采样vdc，因此母线电压不会影响上式的计算。但是，输出端母线电压的变化会影响到boost变换器的运行状态，进而干扰到控制器对光伏阵列电压和电流的采样，使扰动观察法对功率变化出现误判断，给出错误的vin-ref。通常，系统市电运行时直流母线存在100hz的电压波动。特别是pfc模块开启后，母线电压具有近似正弦波的变化规律，并且峰值接近15v。因此，为降低母线电压波动带来的干扰，对光伏阵列电压和电流的采样取10ms平均值。而扰动观察法的控制周期为50ms，可以避免动态过程的影响。

图7为boost变换器mppt控制框图。

控制模式切换判据

如前所述，光伏空气源热泵有两种典型运行工况，系统应根据光伏发电出力和热泵负载需求的情况，实时判断并自动切换至最佳控制模式。具体来说，当光伏阵列可满足压缩机运行所需功率，即ppvmax≥pload时，boost变换器进行调压控制；当光伏阵列无法满足压缩机运行所需功率，即ppvmax＜pload时，boost变换器进行mppt控制。但是，boost变换器无法获取空气源热泵的调频指令和运行功率等信息。由于系统采用共直流母线结构，母线电压的大小由存储在电容中的能量决定，因此可通过母线电压的变化来判断系统的功率条件，作为两种控制模式的切换判据。

如图8所示，当系统运行在调压控制模式，若母线电压vdc低于350v，并且boost变换器的占空比d达到最大限制值dmax，说明光伏阵列输出的功率不能满足负载需求，调压控制达到极限仍无法提高电压，母线电容的能量减少，故应切换到mppt控制模式，由光伏阵列和电网进行双供电。当系统运行在mppt控制模式，若母线电压vdc高于360v，说明光伏阵列提供的功率大于负载需求，多余能量存储到母线电容中，使电压不断升高，故应切换到调压控制模式，将母线电压稳定在350v避免过压保护，光伏阵列可独立承担热泵的供电。

第二方面，如图9所示，本发明实施例提供了一种光伏空气源热泵控制方法，应用于光伏空气源热泵系统上，光伏空气源热泵系统包括光伏阵列、光伏控制器和变频器，光伏阵列通过光伏控制器与变频器直流母线连接，光伏阵列用于为压缩机提供光伏电能，该控制方法包括以下步骤：

步骤s101、在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，光伏控制器进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电；

步骤s102、否则，光伏控制器进行mppt控制，通过光伏阵列和电网为压缩机供电。

采用上述技术方案，通过光伏控制器来进行控制，在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电，否则，进行mppt控制，通过光伏阵列和电网为压缩机进行双电源供电，这样大幅降低了高峰电价时段所需的市电电能，且该种控制策略简单高效，能够优先利用光伏电能和mppt控制，实现了光伏+市电的双电源供电系统。

优选地，步骤s101：在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，光伏控制器进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电，具体为：若直流母线电压超出第一预设阈值，则光伏控制器采用输入电压前馈和输出电压反馈相结合的控制方法，调节占空比使直流母线电压稳定在第一预设阈值范围内。

优选地，步骤s102：否则，光伏控制器进行mppt控制，通过光伏阵列和电网为压缩机供电，具体为：若直流母线电压低于第二预设阈值且占空比达到极限值，则采用扰动观察法进行光伏阵列输出的控制。

优选地，步骤s101：在光伏发电最大功率超出压缩机运行功率时，光伏控制器进行调压控制，使光伏阵列为压缩机供电时，还包括步骤：阻断电网与压缩机之间的通路。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。