光伏充电桩的光伏发电系统研究和设计方案

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。

2.并网发电系统
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。

a. BUCK电路拓扑图
b. BOOST电路拓扑图
1.2.2 Buck变换电路的工作原理
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C 1和C 2构成，结构比较简单。

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U 0 ，同时I 1>I 2，电容C 2 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I 1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I 1<I 2，电容开始放电。

假设开关管导通时间为t 0 ，一个周期为T ，则输出电压与输入电压的关系为i i U U T t U α==00，其中α为导通占空比，可知输出电压U 0 始终小于输入电压U i ，所以该电路为降压变换器。

图1.4开关导通时Buck 等效电路图
图1.5开关关闭时Buck等效电路图
首先我们给开关Q施加一个占空比可调的驱动信号即PWM信号，使开关Q不断导通和关断之间交替变化，实现对蓄电池充电。

当开关管Q导通时，二极管D反向截止。

太阳能发出的电能向负载供电，同时电感L上开始储能，能量增加。

当开关管Q关断时，二极管D导通，此时电感L所储存的能量供给负载，滤波电容C2使输出的电压的纹波进一步减小。

1.2.3 Boost 变换器的工作原理
升压式DC-DC变换器是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器，它由功率开关管S、储能电感L、二极管及滤波电容C组成。

为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假定：
(1)开关开关管、二极管均是理想元件。

也就是可以瞬间的“导通”和“截止”，而且“导通”时压降为零，“截止”时漏电流为零；
(2)电感、电容是理想元件。

电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零，稳态开关周期中电感电流始终大于零，即变换器工作于CCM模式；
(3)输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。

Boost电路有两种工作方式：电感电流连续模式（CCM）和电感电流断续模式（DCM）工作方式。

电感电流连续是指输出滤波电感L的电流总是大于0，电感电流断续指开关管关断期间有一段时间电感L的电流为0。

Boost升压电路在电感电流连续模式下的工作原理如图1.6所示，转换电路中的电感在输入侧，一般称之为升压电感。

开关管S仍为PWM控制方式，但它的最大占空比D必须限制，不允许在D=1情况下工作。

图3-4、图1.8为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图。

图1.6 升压式DC-DC变换器电路的原理图
图1.7开关管导通时的等效原理图
图1.8 开关管关断时的等效原理图
图1.9 升压式DC-DC变换电路的输出波形
从图1.6可以看出，在开关管导通时，电源给储能元件电感L 充电，L 上的电流逐渐增大，而从图1.8可看出当开关管截止时电感L 放电，L 上的电流逐渐减小。

电容起到滤波的作用，使负载上的电压的波纹减小。

图1.9显示了电感L 上电流的变换波形和电压波形。

在t=0时，开关管S 导通，电源电压U i 全部加到升压电感L 上，电感电流i L 线性增长，这时二极管D 截止，负载由滤波电容C 供电。

i L U dt di L = (3-1)
当on T t =时，
L i 达到最大值max L I ，L i 通过二极管D 导通期间，L i 的增长量)(+L i 为 s i on i L DT L U T L U i ==∆+)( (3-2)
在on T t =时刻，开关管S 关断，L i 通过二极管D 向输出端
流动，电源功率和电感L 的储能向负载和电容C 转移，给C 充电，此时加在L 上的电压为o i U U -，因为o i U U >，故L i 线性减小。

o i L U U dt di L -= (3-3)
当s T t =时，L i 达到最小值max L I ，在开关管S 截止期间，L i 的增长量)(-∆L i 为 s i o on s i o L T D L U U T T L U U t )1()()(--=--=∆- (3-4) 在s T t =时，开关管S 又导通，开始另一个开关周期。

由此可见，Boost 变换器的工作为两个阶段。

在开关管S 导通时为电感L 的储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠存储在电容C 的能量维持工作。

在开关管S 关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容C 充电，因此Boost 变换器的输入电流就是升压电感L 电流的平均值。

)(21min max L L L I I I +=
(3-5)
开关管S 和二极管D 轮流工作，S 导通时，流过它的电流就是L i ，S 截止时，流过D 的电流也是L i ，通过它们的电流
S i 和D i 相加就是升压电感的电流L i ，稳态工作时电容C 充电量
等于放电量，通过电容C 的平均电流为0，故通过二极管D 的电流平均值就是负载电流o i ，并且此刻开关管S 导通期间
电感电流的增长量)(+∆L i 等于它在开关管S 截止期间的减少
量)(-∆L i ，由公式(3-2)和(3-4)可得出输出电压与输入电压的关
系： D U U i o -=11 (3-6)
同降压式DC/DC 相反，由于1≤D ，因此这种电路能起到升压作用。

工作过程中，调整功率开关管的导通时间或开关周期都可以改变变换器的输出电压。

1.3 光伏逆变器的工作原理与模拟仿真
逆变器是将直流电压转变为交流的变换器，由于市面上
大部分电动汽充电桩输入的是交流电，而光伏发电系统中，光伏电池和蓄电池提供的是直流电，所以逆变器是不可缺少的设备。

逆变器是将光伏发电系统最后输出的直流电或者是储能电池放电时的直流电转换成交流电，从而提供单相交流电给电动汽车充电桩。

1.1.1光伏逆变器工作原理
1.前级电路原理图
升压斩波电路的原理图如图1.10所示。

该电路由开关管S ，二极管D ，电感L ，电容C 组成。

该电路的作用是将电压E 1升压到E 2，其中，认为E 1是光伏阵列的输出电压, E 2是升压斩波电路的输出电压。

L D
2
E
2.工作原理
当开关S 导通时，电感L 上积蓄能量；S 关断时，电感积蓄的能量以及从电源来的能量同时提供给负载。

假设L 充分大，流经L 的电流为恒定值I 1；当S 导通时，假设S 的导通时间为t on ，则L 中的积蓄能量为E 1I 1t on 。

然后，关断S ，假定C 充分大，输出电压为恒定值，S 的关断时间为t off ，则释放到负载的能量为(E 2-E 1)I 1t off 稳态时上述两者必须相等， 所以有：
on 11t I E =off t I E E 112)(-
(3-7)
从而得 112t E t T E t t E off off off
on =+=
(3-8)
式中，因为T/t off >1，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：
E d
(a) 开关S 导通时的等效电路(b) 开关S 关断时的等效电路
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： m E Ri dt
i L =+11d (3-9) 设电流的初始值为I 20,解上式得：
)1(//101r t m r t e R E e I i ---+=
(3-10)
然后令S 关断，由图1.9(b)的等效电路有：
d 22d E E Ri dt
i L m -=+ (3-11) 设电流的初始值为I 20,解上式得：
)1(/d /202r t m r t e R E E e I i -----= (3-12)
图1.12是连续动作和不连续动作的的理论波形。

I
i
i
1.后级电路原理图
N
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L N为交流输出电感，C d为直流侧支撑电容，即前级电路的输出电容，S l―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I N(t)为正弦波，并且与网压U N(t)保持同相位，达到输出功率因数为l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，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VCVS1～VCVS4和脉冲电压源V1～V4组成MOSFET功率开关管驱动电路。

VT1～VT4为MOSFET功率开关管，栅极受电压控制电压源VCVS1～VCVS4（uG1和uG3，uG4和uG2）控制，电压控制电压源VCVS1～VCVS4受脉冲电压源V1～
V4控制。

图1.14 带滤波器的DC-AC全桥逆变电路
其中VCVS1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2π）。

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α是与Delay Time参数相对应，修改Delay Time参数即可修改触发角α。

例如当设置V1和V3的Delay Time参数（即触发角α）为3ms时，应设置V2和V4的Delay Time参数（即触发角α）为13ms （10ms对应π），使两者之间相差180度（π）
太阳能电池单体的工作电压为0.45~0.5V，一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100~300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=1.0KΩ，C1=10uF。

在Multisim下的仿真结果如图1.15所示。

由于逆变电路的设计比较简单，以至于模拟出的220V 交流电如图1.15所示并不是正规的正弦波，在以后的研究设计中需要对图 1.14所示的电路不断改进完善，使输出如图1.16所示的标准220V正弦交流电。

图1.16理论上得的220V交流电。