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

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