题目：离网无蓄电池的太阳能光伏热泵系统及其控制的研究

太阳能光伏热泵是光伏发电技术和蒸气压缩式热泵技术相结合的一种新能源利用装置，可用于热水、采暖、空调等诸多领域。目前的离网光伏热泵系统中大都配有铅酸蓄电池，而铅酸蓄电池不环保、体积笨重、充放电次数有限，寿命远低于光伏组件和热泵系统本身的寿命，已成为制约光伏热泵系统发展的一个瓶颈。为此本文提出了离网无蓄电池的、光伏直接驱动的蒸气压缩式热泵系统(BF-PVHP)的方案，该方案采用光伏单级式逆变结构，以蓄热代替蓄电，采用变频压缩机和电子膨胀阀两个容量可变的制冷部件，并提出了通过压缩机转速反馈控制来实现对光伏阵列最大功率跟踪的算法。该方案中的光伏逆变器和压缩机变频器合二为一，系统中仅有一个电源变换环节，电路拓扑结构简单，无需大容量的电能储存装置，避免了多级电源变换带来的额外能量损失，较之有蓄电池的系统具有更高的效率和更好的可靠性，系统体积更小、寿命更长、成本更低，且对环境更加友好。

本文第一章首先分析了世界可再生能源的发展趋势，研究了太阳能光伏发电系统和太阳能热泵系统的分类及其发展现状，在此基础上提出了BF-PVHP系统的概念及其要解决的基本问题。第二章，对构成BF-PVHP系统的诸环节进行了归纳，分析了各环节的能量传递或转化规律，并对影响系统总效率的因素进行了总结。第三章，基于对一般光伏发电系统的最大功率跟踪(MPPT)原理的分析，并结合BF-PVHP的具体特点，提出了两种可在BF-PVHP系统上实现的MPPT算法——基于压缩机转速反馈控制的扰动观察法和基于压缩机转速反馈控制的电导增量法。第四章，对BF-PVHP系统建立了稳态数学模型，包括以任意数量串并联的光伏阵列模型、晴天辐射模型、逆变器和无刷直流电机模型、蒸气压缩式热泵循环模型和储热水箱模型，并进行了数值仿真求解。根据仿真结果分析了环境温度、制热温度、太阳辐射强度、工作电压等参数对BF-PVHP系统运行特性的影响，模拟了系统在不同季节睛天的运行性能以及状态参数的逐时变化情况，并利用CFD软件对内部加套筒的改进结构水箱的温度场和速度场进行了变物性的非稳态数值仿真。第五章，对BF-PVHP系统的控制方法和控制策略进行了研究，并设计了基于PIC18F4331微控制器的BF-PVHP系统专用变频控制器，并给出了硬件电路和主程序流程图。最后，研制了可由单块光伏板驱动的微型BF-PVHP热水器实验样机，并搭建了BF-PVHP系统变工况和定工况实验台，通过实验得到了BF-PVHP系统在辐射轻微扰动和辐射剧烈扰动条件下的实际运行特性，以及在定环境温度条件下的运行特性。

基于本文建立的光-电-热耦合数学模型所得到的仿真结果与实验数据吻合较好，采用本文提出的光伏单级逆变结构直接驱动变频压缩机，以及基于压缩机转速反馈控制原理实现光伏最大功率跟踪的算法切实可行。压缩机在没有蓄电池作为大容量稳压电源的情况下运转平稳，能实时跟随输入扰动的变化，在晴天和多云天气下可实现长时间不间断运行。在晴天天气下，BF-PVHP热泵热水器在9:00~15:00之间的运转率可达到100%，8:00~16:00之间的运转率可达到95.6%；在多云天气下，9:00~15:00之间的运转率可达到97.5%，8:00~16:00之间的运转率可达到86.8%。基于PWM工作方式和模糊逻辑控制的电子膨胀阀的开度调节能够迅速将过热度稳定在6±4°C，在工况多变的情况下能够保证压缩机安全稳定运行。对水箱结构加以改进可以明显提升热泵效率，对于静止加热式热泵，加套筒后储热水箱的热效率可提升13.3%。BF-PVHP系统的光伏效率在早晚时最高，中午时最低。在实验中晴天光伏效率的高值为15.3%，低值为8.1%；在多云天气下光伏效率的高值为14.0%，低值为7.5%。BF-PVHP系统的热效率在8:30~9:30之间达到峰值，此后随着热水温度的升高而逐渐降低。在晴天条件下，BF-PVHP实验样机的峰值热效率可达70%。