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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电动汽车光伏充电桩研究与设计学士学位.精品文档.摘要 目前，全球经济得到了快速的发展，但是环境破坏严重、能源开采过度，这些都导致了许多产业将被迫转型。其中汽车产业的发展离不开石油能源的开采利用，在全球石油危机和汽车尾气排放严重污染环境的双重压力下，汽车行业必须找到新的能源方式与环境和谐的方法。 论文用对比的方式对多种新能源的特性进行对比分析，发现太阳能既是最清洁无污染的能源又是可再生能源，而且太阳能的使用技术也相对成熟一些，所以这些都成为了让我们选择利用太阳能能源为电动汽车充电站提供电能的原因。论文从我国使用太阳能的地理条件、太阳能技术水平等
2、多个方面做了研究分析。并且通过对国内外已投入使用的太阳能电动汽车充电站的建设地点、电网方式、使用方式等方面的研究分析，对太阳能光伏发电系统和电动汽车充电桩做了进一步的设计与研究分析，提出了太阳能光伏充电站这一新的发展方向。 关键词： 太阳能， DC/DC， 光伏逆变器， 充电桩 ABSTRACTAt present,the global economy has been rapid development,but the environment has been severely damaged,energy and over-exploitation,which have led to ma
3、ny industries will be forced to transition. Which the automobile industry can not develop with out the exploitation of petroleum energy use,but the dual pressures of the global oil crisis and automobile exhaust emissions serious pollution of the environment,the automotive industry must find ways to
4、make products and environmentally harmonious.Paper comparative analysis of the characteristics of a variety of new energy way of contrast,found that solar energy is the cleanest non-polluting energy and renewable energy,and the use of solar energy technology is relatively mature,which let us choose
5、to use solar energy as the best construction of electric vehicle charging station.Papers from our use of solar energy and geographical conditions,the level of solar technology, solar energy industry development, research and analysis. And at home and abroad through research and analysis has been put
6、 into the use of solar electric vehicle charging stations, construction sites, grid mode,use the way the use of solar energy to the grid and grid charging station.Paper combines the trend of green urban development of solar photovoltaic power generation systems and electric vehicle charging piles do
7、 further research and analysis.Keywords: Solar energy, DC/DC, Photovoltaic inverter, Charging station目录1.引言11.1新能源的开发利用21.2 新能源电动汽车的产生和发展现状62.太阳能充电站的可行性分析72.1 电动车充电站的研究背景72.2 未来电动汽车充电站的发展新思路102.3 世界各国太阳能充电站的发展经验113.光伏充电桩的光伏发电系统153.1光伏发电系统的分类153.2 DC/DC变换器173.3 光伏逆变器的工作原理与模拟仿真234. 充电桩快速充电系统的研究与设计294.
8、1电动汽车充电桩的充电方式294.2快速充电系统主电路的设计334.3快速充电系统斩波电路的设计355.结束语40参考文献41致谢词43附录441.引言有限的石油资源加上与日俱增的耗用量，石油价格的暴涨是必然的现象。同时在大量的石油消耗的过程中环境问题也随之而出现，有害物质的排放极大的污染环境之余也在很大程度上对人们的健康问题造成危害，破坏了生活居住环境，严重影响了身心健康。无论从个人还是集体考虑，立足于经济与社会持续和谐发展的重要国情需求，我们不难发现石油的短缺和环境保护需求一直在制约着我国的工业经济发展，而其中汽车产业的发展就尤为明显。随着国民素质的整体提高，环保、低碳等这些名词已经逐渐融
9、入到新时代的生活理念当中。而新能源汽车这一概念的提出，不仅仅受到国家的各项政策的鼓励支撑，同时也给人们的生活带来一种新的方式。新能源汽车的出现无疑是有效地缓解了石油短缺和环境污染等问题，电动汽车是新能源概念中的主要研究方向之一，电动汽车可分成三种主要驱动方式：纯电动车、混合动力电动车、燃料电池车。然而想要更快更好的推动电动汽车的市场使用率，那么电动汽车的基础配套设施的建设就是刻不容缓的。电动汽车充电站的建设在国内外都已不在是新鲜的话题，国外的电动车充电站已经取得了相当不错的成果，我们国内的充电站虽然发展的比较迟，但是也在政府和一些大企业的支持下快速的发展开来。本篇论文的重点就是要研究电动汽车充
10、电站未来的发展趋势，一种新的更加环保零排放的能源太阳能电动汽车充电站的设计研究。本论文将以光伏发电系统和电动汽车充电站为研究对象，对其中的太阳能光伏电池的逆变仿真和电动汽车充电站进行分析研究。1.1新能源的开发利用根据世界国际铁路联盟给出的数据，运输行业所产生的二氧化碳排放量占全球总排放的 23，现今世界各个国家都制定了相关法律并采取了相应措施来限制二氧化碳的排放。据相关数据表明，我国在 2007 年每辆车的二氧化碳排放量平均为 193 克/公里，而从 2009 年我国相应的限制法律实施的情况下减排 13%，二氧化碳平均排放量下降到 168 克/公里。这两年虽然取得了一定的减排成果但是按照我国
11、“到 2020 年单位GDP 的二氧化碳排放量减少 40%45%”的减排目标，要实现每台汽车的二氧化碳平均排放量降低到 105 克/公里，我们距离这个目标还很远，需要的下降值相当大，给我们的考验和压力也是巨大的。上面的这些数据警示着我们全球因为能源利用而产生的环境问题日益突出，而社会经济的快速发展又与能源利用息息相关，面对着全球化石燃料的大量消耗，产生的这些日益严重的环境污染和能源匮乏等问题，全球提出了“低碳经济”的全新概念，“低碳经济”一方面指利用现代科学技术等手段来实现能源的节约、增效；另一方面指开发利用新的能源。环境污染与资源短缺的现实情况促使全球各国开始重新聚焦新能源的开发利用问题，并
12、且寄希望于新能源能够改善化石燃料所带来的环境污染以及可能会发生的能源枯竭问题。我们最终要实现的目标是零污染、高能效、低能耗和多元化的能源供给，走经济可持续发展的康庄大道。环保、节能、增效一直是受到诸多关注的话题，长久以来，我们用法律和经济以及科技等多种手段全面开展的低碳经济理念在现今是能看到一定的成效的。但是由于飞速发展的经济社会和日益扩大的石油能源的需求，与有限的地球资源背道而驰，由此而出现的社会震荡和担忧也越来越严重，新能源的利用就成了低碳经济背景下不可忽视的重要发展方向，也是全球各国加快经济发展步伐的重要展览手段。常规能源一般是指具有较成熟的利用技术并且已经被广泛利用的能源，而新能源通常
13、是指还没有被广泛采用的，正处在研究开发阶段的能源。常规能源是指像煤碳、石油、天然气等已被人类普遍应用的能源，而太阳能、风能、海洋能及地热能和氢能等等这类在近代才开发利用的能源则被称为新能源。新能源具备很多优点，如取之不尽的太阳能和风能，他们在使用的过程中不会释放污染物。新能源所共有的特点如下：第一，资源丰富并普遍都具备可再生性，可满足人类持续利用；第二，能量密集度较低，需要较大空间便于开发利用；第三，零碳含量或含量少，对环境污染小；第四，全球分布面积广，利于各个地区分散的小规模利用；第五，由于能源的持续性供应较差，波动性大使得不能用于持续的能源供给利用；第六，开发利用的成本高导致大规模推广难。
14、1.1.1 太阳能地球上最根本的能源是太阳能。传统能源如煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的；风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为501018KJ，相当于目前全世界能量消费的1.3万倍，因此利用太阳能的前景非常诱人。阳光普照大地，单位面积上的辐射并不大，如何把分散的热量聚集在一起成为有用的能源是有效利用太阳能的关键。太阳能的利用方式是光热转化或光电转化。太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的，集热器也就是太阳能热水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成，封装在玻璃钢外壳中。铜片只是导热体，进行光热转化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。70年代石油危
15、机以后，这类热水器曾有蓬勃发展，特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家安装家用太阳能热水器的住宅达到10%15%。80年代在美国已建成若干示范性的太阳能发电站，用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽送到发电机进行发电。光电转化主要通过光电池，即太阳能电池，这是一种能把光能转变为电能的能量转换器。利用“光生伏打效应”原理，当半导体材料受到光照射时，物体内产生电动势或电流。已有使用价值的光电池种类不少，多晶硅、单晶硅(掺入少量硼、砷)、碲化镉、硒化铜铟等都是制造光电池的半导体材料。其中以单晶硅电池性能较好，光电转化率高，性能稳定可靠，使用寿命长。不仅能满足当时的供电需求，而且还能将部分电能储
16、存于蓄电池中，大的可用于微波中继站、卫星地面站、农村电话系统，小的可用于太阳能手表、太阳能计算器、太阳能充电器等，这些产品已有广大市场。我国是太阳能资源相对丰富的国家之一，其全年太阳能总量为917一2333kwh/m，中值为1625kw/m。与同纬度的国家相比，我国太阳能资源状况与美国相当，但比欧洲和日本优越得多，具体分布如表1.1所示。表1.1中国太阳能辐射资源分布状况地区年日照时数h年辐射量Wh/cm高辐射区西藏、新疆、青海、宁夏、甘肃等26003300160235中等辐射区东北、中部、山东、北京等22002600140160底辐射区山海关、黑龙江、湖北、贵州、江西、浙江等10002200
17、1001401.1.2 风能风能是因空气流动所产生的气流而提供给人们的一种可被利用的能量，即风能就是空气动能。空气流动速度越快密度越大，产生的动能就越大。风能较其他新能源来说，具有十分明显的优势，它的蕴藏量巨大，分布极为广泛，永不殆尽，对一些离主干电网较远的岛屿及交通不便利的边远区域所产生的作用极为重要。目前，风能因为其特殊的性质被最广泛的利用于发电产业，但是风能的开发利用也是利弊兼得，因为自然条件的影响风速具有不稳定性，它所产生的动能大小也就不稳定；不同的地理位置也严重制约着风能的可利用性；风能的转换率较低且作为新型能源，其使用设备也并不完全成熟。1.1.3 其他能源 还有其他各种新型能源，
18、如光能、核能、铀能、生物能源、地热能以及水能和氢能等等。对这些新能源的开发利用都是有利有弊，比如核能不但其资源利用率低，而且其反应之后产生的核废料将成为生物圈的危害因素之一，因为核废料的处理技术还未达到可以完全分解的阶段；核电站的安全问题也存在隐患，且建设核电站的费用比常规能源发电站高的多，相应的投资风险必然大。海洋能指蕴藏在海底的多种可再生能源，像潮汐能、海水温差能及海水盐度差能等等，这类能源都具备可再生和零污染等特性，所以海洋能的开发利用将是一项具有战略意义的能源利用策略。但是其局限性体具体表现在全球地域海洋面积的不同分布情况，各个地区要考察实地的利用条件才能加以开发利用。铀能是原子能的其
19、中之一，虽然此能源在地球上储藏量稀少，但其产生的功效却高于其他能源很多。如果一座普通发电站一天需要消耗大约一千吨左右的煤，但用铀来替代煤，那么只需要大约0.5千克量的就足够了。这样即能体现环保还能节约煤炭的消耗量，向地球环保道路又跃进了一步。1.2 新能源电动汽车的产生和发展现状有数据表明，中国石油的开采量在 20 年之后就会消耗殆尽，煤炭的开采也坚持不到 200 年。然而我们的人口数量却是在不断的攀升，传统能源的利用将不能满足现实的需求，那么新能源代替传统能源的意义就变得非常重要。我认为中国新能源的开发利用在未来的发展中前景是一片大好，特别是在全球关注的环境问题下产生节能减排的号召下，使用传
20、统能源的汽车所造成的空气污染和能源缺乏等问题都将依靠新能源的利用来解决。汽车业的发展道路上新的里程碑将是新能源汽车，新能源汽车能够满足现阶段汽车业发展中的两大问题。第一，当今时代背景下汽车技术的首要核心发展方向便是节能环保，与此相应地全球各国也同时采取了日趋严格的排放法规来要求汽车行业解决尾气污染的问题。那么，汽车燃料将走向多元化，新能源汽车无疑将成为汽车工业发展的必然趋势。第二，随着我国经济的飞速发展燃料资源的消耗量也逐步扩大，在2001年我国的进口石油量已经占到我国国内耗油量的32.5，显然在国际安全警戒线30的标准值上超过了 2.5%。数值虽然并不大，但是石油危机的到来是我们不得不承认的
21、隐忧。因此，新能源被用来代替传统能源是新时代的新要求也同时解决了石油危机的现实忧患。随着我国新能源汽车产量的快速增长，上游原材料企业将成为我国新能源汽车产业发展的主要受益者，作为控制上游资源的企业，盐湖集团、西藏矿业、宝钢稀土目前已成为新能源汽车产业发展的主要受益者。随着磷酸铁锂电池技术的突破以及锂电池生产成本的降低，未来锂电池将取代镍氢电池成为新能源汽车的主要动力来源，目前我国主要生产锂电池的企业有风帆股份、赛德电池，他们都将从新能源汽车的产业发展中受益匪浅。我国电机与控制系统尽管属于竞争激烈的成熟行业，但由于先进入该市场的宁波韵升、大洋电机等电机企业已抢先与下游汽车厂商开展了相关合作，因而
22、已占据了较大比例的市场份额与客户资源，具备较强的竞争优势。此外，目前我国生产充电站及相关配套设施的企业主要有国电南瑞和许继电气，二者都以国家电网为背景，在国家电网的主导下开展了新能源汽车充电站的建设。目前，国内电动汽车的使用主要是在公交车方面，造成现在这种现象的原因是什么呢？电动汽车作为日常使用的产品就像是我们使用手机一样，但是试着想象如果苹果手机没有配套的充电器那么乔布斯的 Iphone 还会买这么“疯”吗？同样的道理，无论多完美的电动汽车，没有电力的补给也只能作为摆设而且是只能摆在车库而已。世界各国在扶持电动汽车发展的政策上都不尽相同，总的方向是保持支持态度并鼓励企业投资开发研究，虽然纯电
23、动汽车是我们最终努力的目标，但是目前作为过渡阶段产生的插电式的电动汽车，混合动力汽车，这类汽车的基础设施建设正是电动汽车发展速度缓慢的原因。2.太阳能充电站的可行性分析2.1 电动车充电站的研究背景最早将清洁能源这一概念引入到城市公交系统便是法国巴黎，在巴黎市区街道上已有大量纯电动公交车参于到交通运输中。随着电力驱动技术的日渐完善，纯电动轿车也逐渐在巴黎市民的日常生活中日益普遍。当街道上都行驶的是电动汽车时，人们自然而然希望公用电动汽车充电站是随处可见的。巴黎市政府为了利于民出行便利，特拟画了一份“充电站分布图”，巴黎市民就可以根据该图很快的找到最近的公用充电站。（图 2.1）图 2.1 巴黎
24、电动车充电站分布2.1.1 我国电动汽车充电站的建设水平单从节能减排方面来说，电动汽车要比燃油汽车有明显的优势，这会直接导致部分购车者在二者之间选择时优先考虑电动汽车。随着电动汽车的快速发展加快了电动汽车充电站的建设步伐，在国家政策的大力推动下，全国各地的电动汽车充电站如雨后春笋般成长起来。在2009年，国内首家具有商业运营功能的电动汽车充电站10月份时在上海投入使用，该充电站可为多种电动汽车充电，但暂时未对社会车辆开放。南方电网在深圳投资建设的两个电动汽车充电站12月份开始投运，它们可以同时满足134 辆电动汽车充电需求。 2012年2 月，第一个 Sunlogics Green Zone太
25、阳能充电站正式落户通用汽车中国园区，充电站充分利用太阳能，通过可再生能源，以独特且环保的方式实现电动车充电。2012年9月，交运集团与国家电网签署战略合作协议，建设更多的充电站，使电动汽车充电难的瓶颈不断得到改善。目前，国家电网已批准在青岛建设青岛汽车东站、莱西汽车站、王村路公交场站等5个充换电站，总投资5亿元。山东烟台预备在今年建设18座电动汽车充电站，除了发电厂的支撑外，主要利用风电、太阳能发电等分布式能源为充电站供电。北京、湖北、浙江等地也都在积极筹备电动汽车充电站的建设，相信在不远的将来，电动车用户驾车外出时可以任意远行，随时为汽车补充电力，方便快捷。2.1.2电动汽车的经济性电动汽车
26、确实更经济、更省钱。近期，长安、奇瑞、比亚迪等国内汽车生产商都已推出了以电力为驱动能源的汽车。以比亚迪一款纯电动汽车为例，快充2个小时可充电57度，行驶300公里只需42.75元。而传统的燃油汽车行驶300公里就需要156.96元。相当于峰期充电费用的3倍。奇瑞生产的一款电动汽车，一次充电续驶里程可达120150公里，每百公里仅耗电8到10度，按照居民用电平均价格0.75元/度来计算，每百公里只需要7.5块钱。相比传统汽车的燃油成本来说，差不多只有十分之一。据了解，这款车售价预计将在7万元左右。 从上段的数字我们可以看到电动汽车比传统汽车更加经济实惠，而且石油匮乏所带来的油价飞涨会加快电动汽车
27、取代燃油汽车的趋势，电动汽车的规模化以及政府优惠补贴政策的不断完善将使电动汽车的购置费和使用费大幅下降，电池价格和寿命问题也会随着科技的进步得到很好的解决，再加上电动汽车的零排放和低噪声，社会经济效益更加明显。因此电动汽车的发展前景十分乐观。2.2 未来电动汽车充电站的发展新思路充电站的建设得到世界各国的政府的扶持鼓励态度，国家也支持国有的或是私营的企业一同建造电动汽车充电站来促进电动汽车的推广。在国内，现在由于电动车的使用率还比较低，它对于电网几乎毫无影响。如果电动车对电的需求达到像是汽油和柴油那样多广，那么对我国的电网的影响将是巨大的。由于我国的电网发电主要是依靠煤炭，电动汽车虽然解决了燃
28、油使用造成的大气污染问题但是大量的煤炭发电所造成的污染并不亚于燃油使用造成的污染。在加上我国的煤炭资源也是有限能源，煤炭的利用也做不到永久持续的提供。对于水利发电，由于地区的差异，不是所有的地区都能利用水力发电。像铀能、潮汐能等新燃料技术还不成熟，不能大规模的被利用。种种因素表明，一旦电动车汽车的市场被打开了，电力的缺失就会成为新的焦点问题。所以我们现在要从长远的角度来选择新能源的利用，拥有较为成熟技术的太阳能是不错的选择，太阳能能源不仅没有污染而且能够持续永久利用。因此我们可采用太阳能发电系统，建立真正无污染且不会产生二次污染的储能式太阳能充电站，以达使电动汽车真正实现节能减排的最终目的。太
29、阳能充电站的能源是依靠太阳能来提供的，只要有阳光的照射，太阳能电池板就能持续地吸收太阳的辐射能量，之后光能转为电力通过电线传输并被储存在埋在地下的高功率电容中，最后通过电容给充电桩提供电力。所以当电容中有蓄电，也可以满足夜晚来为电动车充电的使用者，因此太阳能电动汽车充电站并不会局限在白天使用。2.3 世界各国太阳能充电站的发展经验随着科学技术的不断进步，电动汽车的研发已经不在大家关注的重要问题，随着 Tesla 纯电动跑车的产生以及其他多种插入式电动汽车车型持续的在市场推出，摆在我们面前的更为吸引大家关注的问题是研究如何为这些电动车提供的驱动力充电站。它就相当于为燃油汽车提供能源的加油站，于是
30、为电动汽车补充电力的充电站就成为日后节能环保的电动汽车推广普及不可忽视的前提之一。2.3.1美国推出太阳能插入式充电站Carbon Day Automotive公司在美国芝加哥推出了一种以太阳能作为发电能源的太阳能插入式充电站（SolarPlug-InStation）。这种自助式的充电站可以让司机轻而易举为自己的电动车充电，整个过程没有任何不利于环境的排放物产生。据悉，这款太阳能插入式充电站的设计概念曾在芝加哥申办2016年奥运会时展示过。芝加哥市政府与美国其他城市一样，都在积极寻找提高市区环保效应的方法，将公务车全面电动化一直是具有标标杆用的选择。据Carbon Day Automotive
31、公司称，这款充电站一开始的主要目的就是要为芝加哥市政府的电动公务车充电，但是现在因为这款充电站设计得到了许多人的认可，所以日后还是有望能被更多的电动汽车使用并能得到更多地区普及推广。图 2.2 插入式太阳能充电站顾名思义，这款太阳能充电站（图2.2）的运作原理其实非常简单，就是把我们每天都能获得的太阳能转换为电能，提供给电动车驱动。目前，当我们在使用电动车时，虽然车子行驶的时候本身不会排放二氧化碳，可是在家充电所耗费的电力是由发电厂提供，这样其实就是将二氧化碳的排放源转移到了发电厂，并没有从根本上减少对环境的污染。但现在，连充电所需的能量也来自于纯天然的太阳能，就真正实现了二氧化碳零排放。库仑
32、科技公司（Coulomb Technologies）的首席执行官Richard Lowenthal表示：“太阳能和电动车是注定一对天生的伙伴，利用太阳能来为电动车充电是最环保最好的解决方案，能帮助我们减少对外国石油的依赖，向可代替性能源的利用又迈进新的一步。”2.3.2 英国建高速公路太阳能充电站世界上第一个全国性高速公路电动汽车充电站网络在英国投入使用。（图2.3）这种免费使用的太阳能充电站已经现身12个高速路服务区，日后还将有18个服务区的免费充电站投入使用。这一举措意味着电动汽车将第一次能够行驶到英国的任何地方。在此之前，电动汽车的潜在购买者面临的主要问题就是行驶范围有限，只能在自己所在
33、城市驾驶电动汽车。充图2.3 英国高速公路太阳能充电站电站网络由Ecotricity公司负责建设，公司创始人戴尔-文斯表示：“统计数据显示电动车在城镇行驶时并不需要中途充电，真正需要充电的是城市间的高速公路。” 每一个充电站都将提供100%的“绿电”，电力由Ecotricity遍布英国的风力和太阳能发电场提供。如果使用32A快速充电站，电动汽车在短短20分钟内便可完成充电，完全充满需要两个小时。较慢的13A充电站则为在服务区酒店过夜的驾驶者使用。 2.3.3 我国太阳能充电站的建设发展现状襄樊具有新能源汽车城之美誉，为了能给电动汽车更绿色、更清洁的能源，襄樊市建成我国首座太阳能光伏智能充电站（
34、图2.4）。太阳能光伏充电是指利用光伏逆变技术，把太阳电池板所产生的低压直流电转变成 220 伏的交流电，之后就可直接用其给电动汽车充电。该项技术提高了充电效率、且具有安全可靠及零污染等特点。这座太阳能光伏充电站是由湖北追日电气设备公司建造，该公司已表明，光伏逆变器与智能充电机都研制成功并小批量开始生产。该充电站总占地面积约2700平方米，如果只依靠太阳能来发电，每日可产出100余度电，足够1至2台大型公交电动汽车的用电。这座充电站与电网连接并网工作，太阳能电网产生的剩余电量可输送到电网使用，而在光照不充足的情况下可以使用电网来补充电量。图2.4襄樊电动汽车太阳能充电站在2012年2月，上海通
35、用汽车园区建成国内第一个 Sunlogics Green Zone太阳能充电站（图2.5），而这座太阳能充电站的研发者是 Sunlogics 公司通用汽车风险投资公司的股权合作伙伴。Sunlogics Green Zone 太阳能充电站是通过从太阳中获取辐射能量，并将能量转化为绿色可再生能源。Sunlogics Green Zone 太阳能充电站落户在通用汽车的中国园区这个事实就能充分表明，通用汽车正致力于电动汽车的配套基础设施建设，目的是为了更深入的打开中国电动车市场的大门。通用汽车将继续致力于与相应配套设施的各个供应商和各种电力集团加强合作关系，力争能为电动汽车用户提供更便捷且可靠的理想的
36、充电模式。通用汽车为了加快增程型电动车雪佛兰 Volt 沃蓝达汽车的市场推广，通用汽车将会把Sunlogics Green Zone 太阳能充电站在逐步建设在世界多个地区，这一举措不仅是解决增程型电动车的充电问题同时也利于以后通用汽车的其它类型的电动汽车能较快的进驻全球国际市场。图2.5 上海 Green Zone 充电站3.光伏充电桩的光伏发电系统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
37、、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。3.1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3.1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
38、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。图3.1独立光伏发电系统结构框图DC/DC蓄电池逆变器充电桩太阳能电池板DC/DC2. 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
39、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。3.2 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。3.2.1 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
40、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3.2(a)-(d)所示。 a. BUCK电路拓扑图 b. BOOST电路拓扑图c. BUCK-BOOST电路拓扑图 d.CUK电路拓扑图图3.2太阳能光伏发电系统中常用的DC/DC变换电路拓扑图 3.2.2 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
41、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3.3所示，该电路由二极管D、电感L、开关Q以及电容C1和C2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3.4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U0 ，同时I1I2，电容C2 处于充电状态。当开
42、关管截止时，如图3.5所示，此时二极管导通处于续流状态，为了保持电流I1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I1I2，电容开始放电。假设开关管导通时间为t0 ，一个周期为T ，则输出电压与输入电压的关系为，其中为导通占空比，可知输出电压U0 始终小于输入电压Ui ，所以该电路为降压变换器。图3.4开关导通时Buck等效电路图 图3.5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。
43、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。3.2.3 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；(
44、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。 图3.6 升压式DC-DC变换器电路的原理图Boost升压电路在电感电流连续模式下的工作原理如图3.6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3.8为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图。图3.7开关管导通时的等效原理图图3.8 开关管
45、关断时的等效原理图图3.9 升压式DC-DC变换电路的输出波形从图3.6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3.8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3.9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Ui全部加到升压电感L上，电感电流iL线性增长，这时二极管D截止，负载由滤波电容C供电。 (3-1)当时，达到最大值，通过二极管D导通期间，的增长量为(3-2)在时刻，开关管S关断，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
46、时加在L上的电压为，因为，故线性减小。 (3-3)当时，达到最小值，在开关管S截止期间，的增长量为 (3-4)在时，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。 (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，S截止时，流过D的电流也是，通过它们的电流和相加就是升压电感的电流，稳态工作时电容C充电量等于放电量，通过电容C的平均
47、电流为0，故通过二极管D的电流平均值就是负载电流，并且此刻开关管S导通期间电感电流的增长量等于它在开关管S 截止期间的减少量，由公式(3-2)和(3-4)可得出输出电压与输入电压的关系：(3-6)同降压式DC/DC相反，由于，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。3.3 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
48、流电，从而提供单相交流电给电动汽车充电桩。3.3.1光伏逆变器工作原理图3.10 升压斩波电路1.前级电路原理图升压斩波电路的原理图如图3.10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E1升压到E2，其中，认为E1是光伏阵列的输出电压, E2是升压斩波电路的输出电压。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I1；当S导通时，假设S的导通时间为ton，则L中的积蓄能量为E1I1ton。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toff，则释放到负载的能量为(E2-E1)I1toff稳态时上述两者必须相等， 所以有： =