光伏充电桩的光伏发电系统研究和设计方案

1、光伏充电桩的光伏发电系统研究和设计方案光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太 阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光 伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护 简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场 合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩 具，光伏电源可以无处不在。1.1光伏发电系统的分类光伏发电系统按是否与电网相连可以分为独立光伏发 电系统、并网光伏发电系统两种。1.独立光伏发电系统如图1.1所示， 独立光伏发电系统由太阳能

2、电池板、 蓄 电池、DC/DC变换器、逆变器组成。 太阳能电池板作为系统 中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电 能，一般只在白天有光照的情况下输出能量。根据负载的需 要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于 负载时， 太阳能电池通过充电控制器对蓄电池充电； 当发电 量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一 般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制部分组成。 如果独立系统要供电给交流负载使用，就需要逆变器，其主 要作用是将直流电转换为可供交流负载使用的交流电。太阳能DC/DC蓄电池电池板1充电桩-逆变器4DC/DC图 1.1 独立光伏发电系统结构框图2并

3、网发电系统并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵并网逆变 器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输 入公共电网。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏 发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能 量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。值得申明的 是，并网太阳能光伏发电系统很大一部分用于政府电网和发达国家节能的案件中。并网太阳能发电是太阳能光伏发电的 发展方向，是21世纪极具潜力的能源利用技术。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都 是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由 电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，因而没有

4、太大发展。而分散式小型并网光伏系 统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主 流。1.2 DC/DC变换器由于光伏电池的输出电压与逆变器和蓄电池的输入电 压不吻合，所以需要DC/DC变换器的转化。1.2.1独立光伏发电系统常用DC/DC变换器拓扑结构到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT电路以及CUK电路。它们的电路拓扑分 别如下图1.2(a)-(d)所示。11I9 B e r r a. BUCK 电路拓扑图b.BOOST1.2.2 Buck变换电路的

5、工作原理在独立太阳能光伏发电系统中，只有在白天太阳能电池 才能有电量输出，因此系统一般会选用铅酸蓄电池作为储能 环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电控制器对 蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对 负载供电。但由于太阳能输出的电压一般比蓄电池充电所需 要的电压高，因此当太阳能电池对铅蓄电池充电式多采用降 压式变换器（Buck）进行降压，Buck变换电路在系统拓扑 结构中起到稳压降压的作用，因为太阳能光伏发电输出的电 压要大于蓄电池所需要电压，且不稳定，所以使用Buck变 换电路很好的解决了这一问题。Buck电路图如图1.3所示，该电路由二极管D、电感L、开关Q以及电容Ci

6、和C2构成，结构比较简单图 1.4 开关导通时 Buck 等效电路图Buck电路是通过开关管Q不断导通和关断交替变换，实现降压和稳压的。当开关管Q导通时，如图1.4所示，此时二极管处于反偏截止状态，电感L未饱和之前不断储存能量，输出极性为上正下负的电压Uo，同时li“，电容C2处于充电状态。当开关管截止时，如图1.5所示，此时二极管导通处于续流状态，为了保持电流li不变，电感L两端电压极性不变，输出电压极性也不变即上正下负，同时Iii，所以输出电压比输入电压高，即该 电路能使输入电压得到提升。在电路工作过程中，根据电感电流断续情况又分为电流 连续动作和电流不连续动作两种。前者是在电抗器电流为0

7、之前又使S开通，后者是在电抗器电流为0后才使S开通。为了减小负载电流的脉动，一般多采用电抗器电流连续模 式。这两种模式分析如下：(a)开关 S 导通时的等效电路(b)开关S关断时的等效电路图 i.ii 升压斩波电路等效模型先假定开关S导通，此时的等效电路如图1.11(a)所示，因此有下式成立：RiiEm(3-9)设电流的初始值为I20,解上式得：iiIioet/r/(I et/r)(3-10)然后令S关断，由图1.9(b)的等效电路有：di2LRi2EmEddt设电流的初始值为I20,解上式得：i2加加et/r)R图1.12是连续动作和不连续动作的的理论波形不连续(3-11)(3-12)1.后

8、级电路原理图图 1.13 后级电路原理图图 1.14 带滤波器的 DC-AC 全桥逆变电路4.工作原理如图1.13所示为以绝缘栅双极性晶体管（IGBT）为主开 关器件的单相全桥逆变器主电路图，其中LN为交流输出电感，Cd为直流侧支撑电容，即前级电路的输出电容，S|S4是主开关管IGBT，对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节输出电流h（t）为正弦波，并且与网压UN（t）保持同 相位，达到输出功率因数为I的目的。它是由两个桥臂并联组成的，因此这种桥式拓扑，仍属于升压式结构。其启动的 先决条件是直流侧滤波电容预先充电到接近电网电压的峰 值，而欲使电感电流能按照给定的波形和相位得到控制，必 须

9、保证在运行过程中，直流侧电压不低于电网电压的峰值，否则，续流二极管将以传统的整流方式运行，电感电流不完 全可控。1.1.2光伏逆变器的模拟仿真Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板 的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描 述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借Multisim, 您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。 借助专业的高级SPICE分析和 虚拟仪器，

10、您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验 证，从而缩短建模循环。与LabVIEW和SignalExpress软件 的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具 有模拟数据的实现建模测量。在Multisim中建立如图1.14所示的带有滤波器的DC-AC全桥滤波器。其中UD为输入电源，电压控制电压源VCVS1VCVS4和脉冲电压源V1V4组成MOSFET功率开电压控制电压源VCVS4VCVS4（uG1和uG3,uG4和uG2）GV -15 VMUL关管VT1VT4为MOSFET功率开关管，栅极受控制，电压控制电压源蠶VCVS1VCVS1* piVCVS4受脉冲电压源t二V1ZVH菇需;4

11、-UDzvVCVSJ|P r IIUJVVT2fZVN3110FN3310TAR2VCVS4图 1.14 带滤波器的 DC-AC 全桥逆变电路其中VCVSi和VCVS3与VCVS2和VCVS4的相位互差180触发脉冲周期是20ms（对应是360度，即2冗）。修改Pulse Width（脉冲宽度）参数，可以改变MOSFET功率开关管的导通时间。控制导通角或触发角a是与Delay Time参数相对应，修改Delay Time参数即可修改触发角a。例如当设置V和V3的Delay Time参数（即触发角a）为3ms时， 应设置V2和V4的Delay Time参数（即触发角a）为13ms（10ms对应n,使两者之间相差180度（n太阳能电池单体的工作电压为0.450.5V, 般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成 为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦、几十瓦、甚至100300瓦。太阳能电池组件再经过串并联装在支架上就构 成了太阳能电池方阵。假设一个光伏发电系统输出的直流电 压为100V。为了与市面上的充电桩提供电源，需要用图1.14所示的电路将100V直流电逆变成220V交流电。已知参数L1=1.0H,R2=1.0KQ,C1=10uF。在Multisim下的仿真结果 如图1.15所示。图 1.16 理论上得的 220V 交流电由于