太陽能空調器控制裝置、太陽能空調器及控制方法與流程

2023-10-17 16:33:24

本發明涉及太陽能空調控制領域，尤其涉及一種太陽能空調器控制裝置、太陽能空調器及控制方法。

背景技術：

目前，太陽能空調器控制裝置的方案一般是利用太陽能電池輸出電源通過buck(降壓式變換)或boost(升壓轉換)dc-dc(直流-直流)變換電路轉換高壓直流電，然後在通過dc-ac(直流-交流)逆變電路變換成交流電給空調器使用，由於dc-dc變換和dc-ac逆變都存在電能損耗，而且由於需要dc-ac逆變電路，因此存在電能轉換效率低，成本高的缺點。

技術實現要素：

本發明的主要目的在於提供一種太陽能空調器控制裝置、太陽能空調器及控制方法，目的在於解決太陽能空調器控制裝置方案存在電能轉換效率低，成本高的問題。

為實現上述目的，本發明提供的一種太陽能空調器控制裝置，所述太陽能空調器控制裝置包括交流輸入端、整流模塊、pfc模塊、濾波模塊、壓縮機驅動模塊、mcu、電壓採樣模塊、電流採樣模塊和太陽能電池；

所述整流模塊用於對所述交流輸入端輸入的交流電源的交流輸入電壓進行整流後輸出脈動直流電壓，所述脈動直流電壓經過所述pfc模塊和濾波模塊輸出直流母線電壓，所述直流母線電壓輸出至壓縮機驅動模塊為所述壓縮機驅動模塊提供電源；

所述pfc模塊對所述脈動直流電壓進行功率因素校正，所述mcu對壓縮機驅動模塊進行控制以驅動壓縮機運行；

其特徵在於：所述太陽能電池輸出直流電壓疊加到所述直流母線電壓以驅動所述壓縮機驅動模塊；

所述電流採樣模塊用於檢測所述太陽能電池輸出電流值；

所述電壓採樣模塊用於檢測所述太陽能直流電壓疊加後的直流母線電壓；

所述mcu根據所述太陽能電池輸出電流值和所述直流母線電壓值計算當前太陽能電池的輸出功率，並根據所述太陽能電池的輸出功率控制所述pfc模塊使得所述直流母線電壓值發生相應變化。

優選的，所述太陽能空調器控制裝置還包括升壓模塊；

所述太陽能電池輸出電壓經所述升壓模塊升壓後輸出所述太陽能直流電壓。

優選的，所述升壓模塊包括逆變單元、高頻變壓器、整流單元和濾波單元；所述逆變單元通過所述mcu控制將所述太陽能電池的直流電壓逆變成低壓的高頻交流電壓；所述高頻變壓器將所述低壓的高頻交流電壓轉換成高壓的高頻交流電壓；所述高壓的高頻交流電壓經所述整流單元和所述濾波單元輸出所述直流電壓。

優選的，所述mcu通過所述電流採樣模塊獲取所述升壓模塊輸出的電流過零點，並根據所述電流過零點以輸出脈衝信號控制所述逆變單元工作。

優選的，所述逆變單元為全橋諧振逆變單元。

優選的，所述pfc模塊還包括交流輸入電壓採樣單元、pfc電流採樣單元；

所述交流輸入電壓採樣單元用於檢測所述pfc模塊輸入交流電壓值；

所述pfc電流採樣單元用於檢測所述pfc模塊工作電流；

所述mcu根據所述直流母線電壓值、所述pfc模塊輸入交流電壓值以及所述pfc工作電流輸出脈衝信號控制所述pfc模塊工作。

優選的，所述電流採樣模塊包括第一電阻和差分電流採樣單元；

所述第一電阻串聯在所述太陽能電池負極和所述直流母線負極之間，或者串聯在所述太陽能電池正極和所述直流母線正極之間。

優選的，所述電流採樣模塊包括第一電阻和差分電流採樣單元；

所述第一電阻一端連接所述整流單元負電壓輸出端，另外一端連接所述濾波單元的電容負極。

優選的，所述電流採樣模塊包括第二電阻和差分電流採樣單元；

所述第二電阻一端連接所述整流單元正電壓輸出端，另外一端連接所述濾波單元的電容正極。

優選的，所述信號整形模塊包括第五電阻和第二npn型三極體；

優選的，所述電壓採樣模塊包括第六電阻和第七電阻，所述第六電阻的一端連接所述直流母線正極，所述第六電阻另一端連接所述第七電阻，所述第七電阻的另一端連接所述直流母線負極，所述第六電阻和所述第七電阻的連接點為所述電壓採樣模塊的輸出端。

為實現上述目的，本發明還提供一種太陽能空調器，包括所述的太陽能空調器控制裝置。

為實現上述目的，本發明還提供一種太陽能空調器控制方法，所述太陽能空調器控制方法包括以下步驟：

a.檢測當前直流母線電壓值和當前升壓模塊輸出電流值，並獲取前一次直流母線電壓值和前一次升壓模塊輸出電流值；

b.根據所述前一次直流母線電壓值和所述前一次升壓模塊輸出電流值，以及所述當前直流母線電壓值和所述當前升壓模塊輸出電流值分別計算前一次輸出功率值和當前輸出功率值；

c.比較所述前一次的輸出功率值和所述當前輸出功率值，如果所述當前輸出功率值大於所述前一次輸出功率值，則執行步驟d，如果所述當前輸出功率值小於所述前一次輸出功率值，則執行步驟e；

d.比較所述前一次直流母線電壓值和所述當前直流母線電壓值，如果所述當前直流母線電壓值大於所述前一次直流母線電壓值，則執行步驟f，如果所述當前所述直流母線電壓值小於所述前一次直流母線電壓值，則執行步驟g；

e.比較所述前一次直流母線電壓值和所述當前直流母線電壓值，如果所述當前直流母線電壓值小於所述前一次直流母線電壓值，則執行步驟h，如果所述當前直流母線電壓值大於所述前一次直流母線電壓值，則執行步驟i；

f.mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值升高；

g.mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值降低；

h.mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值升高；

i.mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值降低。

本發明提供的太陽能空調器控制裝置通過檢測直流母線電壓值和太陽能電池的輸出電流值，並計算當前太陽能電池的輸出功率，並通過控制pfc模塊輸出的直流母線電壓，使得太陽能輸出功率達到最大值，相對現有技術，本發明提供的太陽能空調器控制裝置去掉了dc-ac逆變電路，直接通過控制pfc模塊的輸出電壓實現對太陽能輸出的最大功率控制，因此提高了電能轉換效率，降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明太陽能空調器控制裝置第一實施例的電路結構圖；

圖2為本發明太陽能空調器控制裝置第一實施例的另一電路結構圖；

圖3為本發明太陽能空調器控制裝置第二實施例的電路結構圖；

圖4為本發明太陽能空調器控制裝置第二實施例的另一電路結構圖；

圖5為本發明第三實施例提供的太陽能空調器控制方法的流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

參照圖1，圖1為本發明第一實施例提供的太陽能空調器控制裝置的電路結構圖，為了便於說明，僅示出了與本發明實施例相關的部分，詳述如下：

本發明實施例提供的太陽能空調器控制裝置包括交流輸入端acl-in(交流火線輸入)和acn-in(交流零線輸入)、整流模塊10、pfc(功率因素校正)模塊20、濾波模塊30、壓縮機驅動模塊50、mcu(微控制單元)80、電壓採樣模塊60、電流採樣模塊90和太陽能電池；

整流模塊10用於對交流輸入端輸入的交流電源的交流輸入電壓進行整流，具體而言整流模塊通過全橋整流電路對交流輸入電壓進行全波整流，pfc(功率因素校正)模塊20對整流模塊20輸出的脈動直流電壓進行功率因素校正，pfc模塊20的兩輸出端連接直流母線，濾波模塊30、壓縮機驅動模塊50依次與直流母線並聯；脈動直流電壓經過pfc模塊20和濾波模塊30輸出直流母線電壓，以為壓縮機70驅動模塊提供電源，mcu80對壓縮機驅動模塊50進行控制以驅動壓縮機70運行；

太陽能電池輸出直流電壓，與直流母線並聯，因此太陽能電池輸出的直流電壓疊加到所述直流母線電壓以驅動所述壓縮機驅動模塊；

電流採樣模塊90用於檢測太陽能電池輸出電流值，電壓採樣模塊60用於檢測直流母線電壓值，mcu根據太陽能電池輸出電流值和直流母線電壓值計算當前太陽能電池的輸出功率，並根據太陽能電池的輸出功率控制pfc模塊20輸出的直流母線電壓發生相應變化，最後使得太陽能輸出功率處於最大值。

具體的，如圖1所示的電路圖中，電流採樣模塊90基於差分電流採樣電路結構，即通過比較器檢測串聯在太陽能電池電源輸出線上的採樣電阻r3兩端的電壓獲得電流採樣信號，其中電流採樣模塊的採樣電阻可以如圖1串聯在太陽能電池負極輸出線上，也可以串聯在太陽能電池負極輸出線上如圖2所示的電阻r9，二者可以實現相同的電流採樣功能。二極體d2串聯在太陽能電池的正極輸出線上，防止太陽能電池電壓過低時從交流電壓經pfc模塊20轉換後的直流母線電壓對其反向施加電壓引起太陽能電池損壞，起到保護太陽能電池作用。整流模塊10可以為集成的整流橋堆或者是有分立的二極體組成的全橋整流電路對交流電源的交流輸入電壓進行整流，pfc模塊20基於功率管q1和pfc電感l1組成的有源pfc電路，在mcu80輸出控制信號控制功率管q1開關動作以對整流模塊20輸出的脈動直流電壓進行功率因素校正。電壓採樣模塊60基於串聯分壓電阻的電路形式，通過讀取其中一個電阻的分壓值獲得電壓採樣信號。濾波模塊30通過電解電容結構進行濾波，為了增加濾波效果可以設置多個電解電容器。

太陽能電池輸出的直流電壓和交流電壓經過整流、功率因素校正和濾波後的直流母線電壓疊加後輸入到壓縮機驅動模塊50以為壓縮機驅動模塊50和壓縮機70工作提供高壓直流電源，值得說明的是在太陽能電池正常工作狀態下，其開路輸出電壓要比交流電壓經整流、功率因素校正和濾波後的直流母線電壓高，如直流母線電壓是300v，太陽能電池開路輸出為320v，實際應用時才有多個太陽能電池串聯實現對應電壓輸出，則在二者疊加後實現了由太陽能電池對壓縮機驅動模塊50和壓縮機70供電，交流電壓經pfc模塊20轉換後輸出的直流母線電壓自動被斷開不供電，而通過mcu80輸出控制信號控制pfc模塊20基於功率管q1的開關狀態變化時，如mcu80輸出不同的脈寬的pwm信號控制功率管q1的工作，此時pfc模塊20輸出的電壓發送改變，使得直流母線電壓對應改變，由於太陽能電池電壓和直流母線電壓並聯，也使得太陽能電池電壓輸出電壓改變，只要改變後的電壓比太陽能電池開路電壓低，就能實現完全由太陽能電池供電。

本發明實施例提供的太陽能空調器控制裝置通過檢測直流母線電壓值和太陽能電池的輸出電流值，並計算當前太陽能電池的輸出功率，並通過控制pfc模塊輸出的直流母線電壓，使得太陽能輸出功率達到最大值，相對現有技術，本發明實施例提供的太陽能空調器控制裝置去掉了dc-ac(直流-交流)逆變電路，直接通過控制pfc模塊的輸出電壓實現對太陽能輸出的最大功率控制，因此提高了電能轉換效率，降低了成本。

進一步的，做為本發明第二實施例提供的太陽能空調器控制裝置，參照圖3，本實施例中太陽能空調器控制裝置增加升壓模塊40，太陽能電池輸出電壓經升壓模塊40升壓後輸出太陽能直流電壓，這裡因為增加升壓模塊40對太陽能電池輸出電壓進行升壓，因此太陽能電池不需要實施例1中多個進行串聯得到直流高壓，採用一個或幾個太陽能電池串聯即可，升壓模塊40升壓後輸出的太陽能直流電壓再與直流母線電壓疊加後輸出對壓縮機驅動模塊50和壓縮機70工作提供高壓直流電源，升壓模塊40具體包括逆變單元41、高頻變壓器42、整流單元43和濾波單元44；逆變單元40通過mcu80控制將太陽能電池的直流電壓逆變成低壓的高頻交流電壓；高頻變壓器42將低壓的高頻交流電壓轉換成高壓的高頻交流電壓；高壓的高頻交流電壓經整流單元和濾波單元輸出直流電壓。同實施例1一樣，只要保證太陽能電池開路經升壓模塊40升壓輸出電壓比交流電壓經轉換輸出的直流母線電壓高，就能實現完全由太陽能電池經升壓模塊40輸出的太陽能直流電壓對壓縮機驅動模塊50和壓縮機70工作提供電源。

逆變單元41為全橋諧振變換器，由開關管q2、q3、q4、q5組成h全橋結構，開關管可以是mos(金屬氧化物半導體)功率管，其工作頻率由諧振電容c1和諧振電感l2參數確定，具體基於以下公式：

逆變單元41還包括h橋驅動模組，輸入端連接mcu80，四個輸出端分別連接開關管q2-q5的柵極，mcu80輸出上述工作頻率脈衝通過h橋驅動模組驅動這四個開關管工作在諧振頻率，h橋驅動模組為常規的驅動電路如由三極體組成的推挽式輸出電路。

太陽能電池輸出的直流電壓經全橋諧振變換器41轉換成高頻交流電壓，再經高頻變壓器42(t1)隔離和升壓轉換成高壓的高頻交流電壓，然後此高頻交流電壓經過由二極體d2-d5組成的整流單元43整流成脈動直流電壓，再經由電容e4組成的濾波單元44濾波平滑，輸出高壓直流電，並聯到直流母線上，參與為壓縮機驅動模塊50提供電源。

為了使逆變單元41的開關管的切換點準確，mcu80還通過電流採樣模塊90檢測上述整流單元43輸出脈動直流電壓的過零點。電流採樣模塊90包括第一電阻r4和差分電流採樣單元，第一電阻r4串聯在整流單元43輸出的負電壓端和濾波單元44的電容e4的負極之間，差分電流採樣單元由通用的比較器組成，其兩個輸入端並聯在第一電阻r4兩端，差分電流採樣單元通過檢測在第一電阻r4兩端因電流變化引起的電壓差而輸出過零點信號到mcu80。

做為電流採樣模塊90的另外一種電路結構，如圖4所示，包括第二電阻r5和差分電流採樣單元，第二電阻r5串聯在整流單元43輸出的正電壓端和濾波單元44的電容e4的正極之間，差分電流採樣單元由通用的比較器組成，其兩個輸入端並聯在第一電阻r4兩端。相對圖3中的電流採樣模塊90的電路結構，差分電流採樣單元同樣通過檢測第二電阻r5的兩端的電壓變化而輸出過零點信號到mcu80，只是圖3中第一電阻r4由於串聯在整流單元43輸出的負電壓端，因此其電壓變化是以負極即共地端為基準，差分電流採樣單元檢測可以簡化，而圖4的第二電阻r5串聯在整流單元43輸出的正電壓端，其電壓變化是相對正極為基準，差分電流採樣單元檢測相對複雜。

mcu80通過電流採樣模塊90檢測上述整流單元43輸出脈動直流電壓的過零點後，通過p5引腳在過零點輸出脈衝經h橋驅動模組來驅動開關管q2-q5工作，這樣能降低開關管損耗，提高逆變單元41的轉換效率。

pfc模塊20還包括交流輸入電壓採樣單元21、pfc電流採樣單元22，交流輸入電壓採樣單元21用於檢測pfc模塊輸入交流電壓值；pfc電流採樣單元22用於檢測pfc工作電流值；mcu根據直流母線電壓值、pfc模塊輸入交流電壓值以及pfc工作電流輸出對應的頻率控制pfc模塊20的開關管工作。

具體的，電壓採樣單元21包括第三電阻r1和第四電阻r2，第三電阻r1的一端連接整流模塊10正極輸出端，另外一端連接第四電阻r2，第四電阻r2的另外一端連接整流模塊10負極輸出端，第三電阻r1和第四電阻r2的連接點為電壓採樣單元21的輸出端連接到mcu80的p4腳。電壓採樣單元21通過第三電阻r1和第四電阻r2分壓實現對整流模塊10輸出的脈動電壓進行採樣輸入到mcu80的p4腳。

電流採樣單元22包括第五電阻r0和差分電流採樣模塊，第五電阻r0串聯於整流模塊10負極輸出端，第五電阻r0的兩端與差分電流採樣模塊的兩個輸入端並聯，差分電流採樣模塊輸出端連接mcu80的p3腳；差分電流採樣模塊由比較器組成，通過檢測第五電阻r0的電流變化引起的兩端電壓差來檢測pfc模塊20的工作電流，實現pfc模塊20的可靠保護。

pfc模塊20還包括pfc電感l1，快速恢復二極體d1以及igbt(絕緣柵雙極型電晶體)開關管q1，其組成dc-dc(直流-直流)的boost(升壓轉換)型電路。pfc模塊20還包括igbt驅動單元，mcu80通過p1腳輸出脈衝信號經igbt驅動單元驅動igbt開關管q1工作，通過改變脈衝信號的佔空比可改變輸出的直流母線電壓值。

為了提高pfc模塊對從整流模塊輸出的脈動直流電壓和脈動電流進行校正後的功率因素，mcu通過電壓採樣單元21獲取脈動直流電壓，並通過電壓採樣模塊60採樣pfc模塊輸出的直流母線電壓，mcu通過改變輸出的脈衝信號的佔空比控制pfc模塊的igbt開關管q1工作，使得直流母線電壓大於輸入的脈動直流電壓峰值，功率因素最終可以達到99％或99％以上。

電壓採樣模塊60包括第六電阻r7和第七電阻r8，第六電阻r7的一端連接直流母線電壓的正極，另外一端連接第七電阻r8，第七電阻r8的另外一端連接直流母線電壓的負極，第六電阻r7和第七電阻r8的連接點為電壓採樣模塊60的輸出端連接到mcu80的p2腳。電壓採樣模塊60通過第六電阻r7和第七電阻r8分壓實現對直流母線電壓進行採樣輸入到mcu80的p2腳。

濾波模塊包括電解電容e1和e2，實現對pfc模塊輸出的直流母線電壓平滑濾波。

壓縮機驅動模塊主要包括ipm(智能功率模塊)，mcu80通過p7腳輸出控制信號對ipm模塊進行控制以驅動壓縮機運行。

在太陽能電池輸出電壓後，在太陽能空調器的壓縮機開始運行過程中，mcu80通過電流採樣模塊90獲得升壓模塊40的輸出電流值，以及通過電壓採樣模塊60獲得直流母線電壓值，由於升壓模塊40的輸出線和直流母線並聯，所以直流母線的電壓值即升壓模塊40的輸出電壓值，mcu80通過升壓模塊40的輸出電流值和直流母線電壓值即可計算升壓模塊40的輸出功率，因而可以推算出此時太陽能電池的輸出功率，由於升壓模塊40採用全橋諧振變換器，因此其電源轉換效率很高，可以達到99％以上，因此升壓模塊40的輸出功率基本和太陽能電池的輸出功率相同。mcu80通過計算得到太陽能電池的輸出功率後即可實時監測其輸出功率的變化，並通過控制pfc模塊20輸出的直流母線電壓值即可改變升壓模塊40的輸出電壓值，通過改變其輸出電壓值即可改變太陽能電池的輸出功率並最後達到最大值。

mcu80控制pfc模塊20輸出的直流母線電壓值以使得太陽能電池的輸出功率達到最大值具體如下：

mcu80獲得前一次升壓模塊40輸出電流值和直流母線電壓值，並檢測當前升壓模塊40輸出電流值和直流母線電壓值；

根據前一次升壓模塊40輸出電流值和直流母線電壓值，以及當前升壓模塊40輸出電流值和直流母線電壓值分別計算得到前一次的輸出功率值和當前輸出功率值；

對前一次的輸出功率值和當前輸出功率值以及前一次直流母線電壓值和當前直流母線電壓值進行比較，若當前輸出功率值大於前一次輸出功率值時，如果當前直流母線電壓值大於前一次直流母線電壓值，則mcu80通過控制pfc模塊40輸出的直流母線電壓值升高；若當前直流母線電壓值小於前一次直流母線電壓值，則mcu80通過控制pfc模塊40輸出的直流母線電壓值降低；

若當前輸出功率值小於前一次輸出功率值時，如果當前直流母線電壓值小於前一次直流母線電壓值，則mcu80通過控制pfc模塊40輸出的直流母線電壓值升高；若當前直流母線電壓值大於前一次直流母線電壓值，則mcu80通過控制pfc模塊40輸出的直流母線電壓值降低。

通過上述控制方法，mcu80控制pfc模塊40輸出的直流母線電壓的變化使得太陽能電池的輸出功率值達到最大值，如果壓縮機的負載發生變化如壓縮機頻率變化導致其功率發送變化，導致直流母線電壓發生變化時，mcu80可進一步通過調整pfc模塊40輸出的直流母線電壓值使得太陽能電池的輸出功率維持在最大功率值。

根據本發明實施例提出的太陽能空調器控制裝置通過控制pfc模塊40輸出的直流母線電壓，即可實現太陽能輸出功率達到最大值，相對於現有的太陽能空調器控制裝置，由於直接控制pfc模塊，同時省掉了dc-ac逆變電路，能提高電能的轉換效率，降低成本。

進一步的，本發明第三實施例還提出一種太陽能空調器，太陽能空調器包括室內機單元和室外機單元，室外機單元包括變頻壓縮機和室外機控制裝置，其中室外機控制裝置中包含了上述第一和第二實施例提到的太陽能空調器控制裝置。

根據本發明實施例的太陽能空調器，通過太陽能空調器控制裝置實現了太陽能電池的輸出功率達到最大值，能提高電能的轉換效率，同時降低成本。

圖5為根據本發明實施例的太陽能空調器的控制方法流程圖。該太陽能空調器的控制方法包括以下步驟：

步驟s10，檢測當前直流母線電壓值和當前升壓模塊輸出電流值，並獲取前一次直流母線電壓值和前一次升壓模塊輸出電流值；

步驟s20，根據前一次直流母線電壓值和前一次升壓模塊輸出電流值，以及當前直流母線電壓值和當前升壓模塊輸出電流值分別計算前一次輸出功率值和當前輸出功率值；

步驟s30，比較前一次的輸出功率值和當前輸出功率值，如果當前輸出功率值大於前一次輸出功率值，則執行步驟s40，如果當前輸出功率值小於前一次輸出功率值，則執行步驟s50；

步驟s40，比較前一次直流母線電壓值和當前直流母線電壓值，如果當前直流母線電壓值大於前一次直流母線電壓值，則執行步驟s60，如果當前直流母線電壓值小於前一次直流母線電壓值，則執行步驟s70；

步驟s50，比較前一次直流母線電壓值和當前直流母線電壓值，如果當前直流母線電壓值小於前一次直流母線電壓值，則執行步驟s80，如果當前直流母線電壓值大於前一次直流母線電壓值，則執行步驟s90；

步驟s60，mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值升高；

步驟s70，mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值降低；

步驟s80，mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值升高；

步驟s90，mcu控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值降低。

根據本發明實施例提出的太陽能空調器控制方法，通過控制控制pfc模塊輸出的直流母線電壓值來調整太陽能輸出功率最後達到最大值，相對於現有的太陽能空調器，能提高電能的轉換效率，降低成本。

以上僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。