一种光伏热泵的电源系统、热泵系统及控制方法

技术领域

本申请涉及新能源技术领域，具体涉及一种光伏热泵的电源系统、热泵系统及控制方法。

背景技术

以空气源热泵为例，热泵系统包括压缩机和电源系统，电源系统向压缩机供电，使压缩机驱动空气，产生热交换用来供热。与化石燃料供热相比，热泵系统供热产生的二氧化碳较少，节能环保。

随着光伏发电技术逐步发展，热泵系统开始采用电网联合光伏阵列一同进行供电。但是，由于光伏阵列的发电功率受到太阳辐照度的影响，波动性和随机性较强；当电网存在功率限制时，电源系统存在光伏阵列的功率超过压缩机功率的情况，导致多余的能量无法消纳，使热泵的电源系统出现过压的情况，影响压缩机的安全稳定运行。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种光伏热泵的电源系统、热泵系统及控制方法，能够减少电源系统出现过压故障，提高热泵的电源系统的安全性与稳定性。

为解决上述问题，本申请提供的技术方案如下：

本申请第一方面提供一种光伏热泵的电源系统，包括：控制器、第一功率变换电路、第二功率变换电路和逆变器；

第一功率变换电路的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路的输出端连接直流母线；逆变器的直流端连接直流母线；逆变器的交流端用于连接热泵的压缩机；

第二功率变换电路的直流端连接直流母线；第二功率变换电路的交流端用于连接电网；

控制器，用于当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率时，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压、第一功率变换电路的输入电流和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压与预设电压上限值之差、第一功率变换电路的输入电压与最大功率跟踪电压之差，获得第一过程指令和第二过程指令；取第一过程指令和第二过程指令中较小者作为第三过程指令；根据第三过程指令和输入电流，获得第一功率变换电路内各功率器件的脉冲宽度调制驱动信号，以降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制器，还用于当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的输出功率之和小于压缩机的需求功率时，降低压缩机的工作功率，以维持电源系统的能量平衡。

本申请第二方面提供一种光伏热泵系统，包括：压缩机和以上介绍的光伏热泵的电源系统；

电源系统的第一端用于连接光伏阵列；

电源系统的第二端用于连接电网；

电源系统的第三端连接压缩机，用于向压缩机供电。

本申请第三方面提供一种光伏热泵的电源系统的控制方法，电源系统包括：第一功率变换电路、第二功率变换电路和逆变器；

第一功率变换电路的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路的输出端连接直流母线；逆变器的直流端连接直流母线；逆变器的交流端用于连接热泵的压缩机；

该方法包括：

当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率时，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率。

优选地，该方法还包括：通过第一功率变换电路的输出电压，判断第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的输入功率之差大于压缩机的工作功率；

控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，具体包括：

根据第一功率变换电路的输出电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，具体包括：

根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

优选地，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，具体包括：

根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压、第一功率变换电路的输入电流和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

优选地，根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压、第一功率变换电路的输入电流和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率，具体包括：

根据第一功率变换电路的输出电压与预设电压上限值之差、第一功率变换电路的输入电压与最大功率跟踪电压之差，获得第一过程指令和第二过程指令；

取第一过程指令和第二过程指令中较小者作为第三过程指令；

根据第三过程指令和输入电流，获得第一功率变换电路内各功率器件的脉冲宽度调制驱动信号，以降低光伏阵列的输出功率。

由此可见，本申请具有如下有益效果：

本申请提供的光伏热泵的电源系统，包括：控制器、第一功率变换电路、第二功率变换电路和逆变器；第一功率变换电路的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路的输出端连接直流母线；逆变器的直流端连接直流母线；逆变器的交流端用于连接热泵的压缩机；第二功率变换电路的直流端连接直流母线；第二功率变换电路的交流端用于连接电网；控制器，用于当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率时，也就是光伏阵列提供的能量较多时，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，以维持电源系统的能量平衡。降低光伏阵列的输出功率后，减少了光伏阵列多余的功率，电源系统的能量达到平衡，安全性稳定性更好；相比于电源系统过压导致压缩机无法正常工作，热泵系统产生的热能也更多。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种光伏热泵的电源系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种控制器对第一功率变换电路的控制示意图；

图3为本申请实施例提供的一种光伏热泵系统的示意图；

图4为本申请实施例提供的一种光伏热泵的电源系统的控制方法的流程图；

图5本申请实施例提供的另一种光伏热泵的电源系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解和实施本申请的技术方案，下面介绍本申请的具体应用场景。

热泵的电源系统连接光伏阵列为热泵供电时，为了获得更高的输出功率，常常对光伏阵列进行最大功率追踪，使光伏阵列维持最大的功率输出。

当光伏阵列提供的能量大于热泵的压缩机所需要的能量时，多余的能量会进行并网。但是，为了维持电网的稳定性，电网常设置功率限制，这就导致光伏阵列输出功率较高时，向压缩机供电后，多余的能量无法完全并入电网，不得不放弃一部分光伏阵列发出的电能，造成能量浪费，能量利用率降低。尤其在一些采用防逆流的整流器连接电网的场景下，不允许能量并入电网，则光伏功率浪费现象更为严重。并且，电网无法消纳的能量会导致电源系统的电压上涨，出现过压故障，导致热泵系统无法正常运行。

下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种光伏热泵的电源系统的示意图。

本申请实施例提供的光伏热泵的电源系统，包括：控制器(图中未示出)、第一功率变换电路100、第二功率变换电路200和逆变器300。

第一功率变换电路100的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路100的输出端连接直流母线bus。

逆变器300的直流端连接直流母线bus；逆变器300的交流端用于连接热泵的压缩机。

第二功率变换电路200的直流端连接直流母线bus；第二功率变换电路200的交流端用于连接电网。

控制器，用于当第一功率变换电路100的输出功率与第二功率变换电路200的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率时，控制第一功率变换电路100降低光伏阵列的输出功率。

第一功率变换电路100的输出功率与第二功率变换电路200的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率，也就是光伏阵列提供的能量大于压缩机消耗的能量与电网吸收的能量之和，此时多余的光伏阵列的能量无法被吸收，会导致直流母线bus电压升高，产生过压故障。因此，控制第一功率变换电路100降低光伏阵列的输出功率，以减少多余的光伏阵列的能量产生。

本申请不具体限定第二功率变换电路200的具体拓扑，第二功率变换电路200既可以为具有能量双向流动能力的功率变换电路，也可以是具有防逆流功能的整流电路，例如不可控整流桥电路。当第二功率变换电路200为具有防逆流功能的整流电路时，第二功率变换电路200不向电网输送能量，其直流端输入功率为0。

本申请不具体限定判断第一功率变换电路100的输出功率与第二功率变换电路200的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率的具体实现方式。应该理解，由于压缩机的工作功率为正数，本实施例也需要将第一功率变换电路100的输出功率与第二功率变换电路200的直流端输入功率之差的绝对值，与压缩机的工作功率进行判断。

控制器具体可以分别对第一功率变换电路100的输出功率与第二功率变换电路200的直流端输入功率进行检测，再与压缩机的工作功率比较。

控制器具体也可以检测第一功率变换电路100的输出电压，也就是直流母线bus的电压；应该理解，当热泵的电源系统中，消耗的能量与提供的能量平衡时，直流母线bus的电压会稳定在一定的取值范围之内。当第一功率变换电路100的输出电压偏高，表示第一功率变换电路100提供了较多能量。

除了使电源系统能量平衡之外，第一功率变换电路100和第二功率变换电路200均连接在直流母线bus上，新能源直流电源发出的电能可以经过第一功率变换电路100和逆变器300供给压缩机，无需先整体并入电网再进行能量转化，提高了热泵的电源系统的能量转化效率。

本申请实施例提供的光伏热泵的电源系统，包括：控制器、第一功率变换电路、第二功率变换电路和逆变器；第一功率变换电路的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路的输出端连接直流母线；逆变器的直流端连接直流母线；逆变器的交流端用于连接热泵的压缩机；第二功率变换电路的直流端连接直流母线；第二功率变换电路的交流端用于连接电网；控制器，用于当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率时，也就是光伏阵列提供的能量较多时，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，以维持电源系统的能量平衡。降低光伏阵列的输出功率后，减少了光伏阵列多余的功率，电源系统的能量达到平衡，安全性稳定性更好；相比于电源系统过压导致压缩机无法正常工作，热泵系统产生的热能也更多。

在一些实施例中，控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

应该理解，第一功率变换电路的输出电压，也就是直流母线的电压。通过直流母线的电压，能够判断光伏阵列提供的能量是否过多。

当光伏阵列发电量不过多时，为了提高光伏利用率，常采用最大功率跟踪模式控制光伏阵列；因此，在一些实施例中，控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

其中，预设电压上限值，是指第一功率变换电路的输出电压的上限值，当输出电压超过预设电压上限值，表示光伏阵列提供的功率过多。

由于光伏阵列的输出特性曲线，光伏阵列在不同的输入电压下发电功率有所不同，因此，通过最大功率跟踪电压和第一功率变换电路的输入电压，能够获得使第一功率变换电路的输出功率减小所需要的输入电压。

在一些实施例中，控制器还可以根据上述的第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压和第一功率变换电路的输入电压，以及第一功率变换电路的输入电流，一同控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

为了使本领域技术人员更好地理解本申请提供的技术方案，下面详细介绍一种控制器对第一功率变换电路的控制方式。参见图2，该图为本申请实施例提供的一种控制器对第一功率变换电路的控制示意图。

控制器，具体用于根据第一功率变换电路的输出电压与预设电压上限值之差、第一功率变换电路的输入电压与最大功率跟踪电压之差，获得第一过程指令和第二过程指令；取第一过程指令和第二过程指令中较小者作为第三过程指令；根据第三过程指令和输入电流，获得第一功率变换电路内各功率器件的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)驱动信号，以降低光伏阵列的输出功率。

控制器，具体包括：第一调节模块201、第二调节模块202、第三调节模块203、第四调节模块204和PWM发生模块205。

第一调节模块201将第一功率变换电路的输出电压和预设电压上限值求差，并经过第一调节模块201的运算，获得第一过程指令。

第二调节模块202将第一功率变换电路的输入电压和最大功率跟踪电压求差，并经过第二调节模块202的运算，获得第二过程指令。

第三调节模块203比较第一过程指令和第二过程指令，取较小者作为第三过程指令。

第四调节模块204将第三过程指令和第一功率变换电路的输入电流求差，经过PWM发生模块205，输出第一功率变换电路内各功率器件的PWM驱动信号。

本申请不具体限定第三调节模块203的具体实现方式，例如：第三调节模块203可以通过比较器实现；还可以通过加法器或选择器等方式实现。

当光伏阵列的能量充足时，如果第一功率变换电路的输出电压上升到预设电压上限值，那么第一过程指令会因为第一调节模块而减小，当第一过程指令小于第二过程指令时，控制器会按照第二过程指令值控制第一功率变换电路的功率器件的驱动信号，从而实现第一功率变换电路的输出电压，也就是直流母线电压控制在预设电压上限值以下。

但是，除了光伏阵列提供能量过多的情况之外，当光伏阵列发电量较少或电网故障等原因，导致光伏阵列能量和电网的总能量不足以使得压缩机按照需求功率运行时，直流母线的电压必下降，为了保证系统依旧能够稳定运行，控制器还可以进一步对压缩机进行相应控制。

控制器，还用于当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的输出功率之和小于压缩机的需求功率时，降低压缩机的工作功率，以维持电源系统的能量平衡。

降低压缩机的工作功率后，压缩机消耗的功率减小，使电源系统具有足够的能量支撑直流母线的电压，电源系统的能量达到平衡，安全性稳定性更好。

基于以上实施例提供的光伏热泵的电源系统，本申请实施例还提供一种光伏热泵系统，下面结合附图进行详细介绍。

参见图3，该图为本申请实施例提供的一种光伏热泵系统的示意图。

本申请实施例提供的热泵系统，包括：压缩机1000和以上实施例介绍的光伏热泵的电源系统2000。

光伏热泵的电源系统2000的第一端用于连接光伏阵列。

光伏热泵的电源系统2000的第二端用于连接电网。

光伏热泵的电源系统2000的第三端连接压缩机1000，用于向压缩机1000供电。

本申请不具体限定光伏热泵系统的具体拓扑结构，例如：光伏热泵系统还可以包括蒸发器、冷凝器等其他部件。

其中，热泵的电源系统2000的具体结构以及控制器的作用均可参见以上实施例。

本申请实施例提供的热泵系统，包括压缩机和以上实施例介绍的热泵的电源系统。热泵的电源系统的第一端用于连接光伏阵列，热泵的电源系统的第二端用于连接电网，热泵的电源系统的第三端连接压缩机，向压缩机供电。由于电源系统的控制器能够在第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之和大于压缩机的工作功率时，也就是光伏阵列提供的能量较多时，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，使电源系统能量达到平衡。因此，本申请实施例提供的光伏热泵系统，减少了电源系统过压情况的发生，提高了热泵系统的安全性与稳定性，提高了热泵系统的工作效率。

基于以上实施例提供的光伏热泵的电源系统以及光伏热泵系统，本申请实施例还提供一种光伏热泵的电源系统的控制方法，下面结合附图进行详细介绍。

参见图4，该图为本申请实施例提供的一种光伏热泵的电源系统的控制方法的流程图。

本申请实施例提供的控制方法，应用于以上实施例介绍的光伏热泵的电源系统。

其中，电源系统与以上实施例相同，包括：第一功率变换电路、第二功率变换电路和逆变器。

第一功率变换电路的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路的输出端连接直流母线；逆变器的直流端连接直流母线；逆变器的交流端用于连接热泵的压缩机。

该方法包括：

S401：判断第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差是否大于压缩机的工作功率，如果是，执行步骤S402。

S402：控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率。

第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率，也就是光伏阵列提供的能量大于压缩机消耗的能量与电网吸收的能量之和，此时多余的光伏阵列的能量无法被吸收，会导致直流母线电压升高，产生过压故障。因此，控制第一功率变换电路100降低光伏阵列的输出功率，以减少多余的光伏阵列的能量产生。

本申请实施例提供的光伏热泵的电源系统的控制方法，电源系统包括：控制器、第一功率变换电路、第二功率变换电路和逆变器；第一功率变换电路的输入端用于连接光伏阵列；第一功率变换电路的输出端连接直流母线；逆变器的直流端连接直流母线；逆变器的交流端用于连接热泵的压缩机；第二功率变换电路的直流端连接直流母线；第二功率变换电路的交流端用于连接电网。该方法包括：当第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的直流端输入功率之差大于压缩机的工作功率时，控制第一功率变换电路降低光伏阵列的输出功率，以维持电源系统的能量平衡。降低光伏阵列的输出功率后，减少了光伏阵列多余的功率，电源系统的能量达到平衡，安全性稳定性更好；相比于电源系统过压导致压缩机无法正常工作，热泵系统产生的热能也更多。

在一些实施例中，可以根据第一功率变换电路的输出电压，也就是直流母线的电压，和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

在一些实施例中，在正常情况下第一功率变换电路采用最大功率跟踪模式运行，因此，当光伏阵列提供的能量过多时，具体可以根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压和第一功率变换电路的输入电压，通过控制第一功率变换电路的功率器件来降低光伏阵列的输出功率。

进一步地，光伏阵列的输出功率还与第一功率变换电路的输入电流有关，因此，在一些实施例中，具体也可以根据第一功率变换电路的输出电压、预设电压上限值、最大功率跟踪电压、第一功率变换电路的输入电流和第一功率变换电路的输入电压，降低光伏阵列的输出功率。

参见图5，该图为本申请实施例提供的另一种光伏热泵的电源系统的控制方法的流程图。

电源系统的拓扑与连接关系可参见以上实施例，在此不再赘述。

该方法包括：

S501：通过第一功率变换电路的输出电压，判断第一功率变换电路的输出功率与第二功率变换电路的输入功率之差大于压缩机的工作功率。

应该理解，当热泵的电源系统中，消耗的能量与提供的能量平衡时，第一功率变换电路的输出电压，也就是直流母线的电压会稳定在一定的取值范围之内。当第一功率变换电路的输出电压偏高，表示第一功率变换电路提供了较多能量。

S502：根据第一功率变换电路的输出电压与预设电压上限值之差、第一功率变换电路的输入电压与最大功率跟踪电压之差，获得第一过程指令和第二过程指令。

S503：取第一过程指令和第二过程指令中较小者作为第三过程指令。

S504：根据第三过程指令和输入电流，获得第一功率变换电路内各功率器件的脉冲宽度调制驱动信号，以降低光伏阵列的输出功率。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。