《太陽能光伏充電樁問題研究7400字》

太陽能光伏充電樁設(shè)計報告目錄TOC\o"1-3"\h\u181341引言 158242太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的整體設(shè)計 1150142.1太陽能光伏充電樁整體設(shè)計方案 1306452.2光伏電池的選擇 3233512.3光伏陣列的容量設(shè)計與選擇 3250452.4車載電池及充電策略的選擇 4304602.4.1車載電池的選擇 4182232.4.2電池的充電方式 4183213太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的電氣設(shè)計 6214183.1光伏發(fā)電部分的設(shè)計 699973.1.1DC/DC變換器 6101283.1.2MOSFET驅(qū)動電路 8207283.2整流電路 9171763.3充電電路 1051473.3.1全橋變換器 1050183.3.2驅(qū)動電路 11172673.4采樣電路 11222963.4.1電壓采樣電路 11266363.4.2電流采樣電路 12289804太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的程序設(shè)計 126744.1MPPT程序 13258164.2充電程序 1425382結(jié)束語 153491參考文獻(xiàn) 17

摘要太陽能光伏充電樁的主要的工作原理是利用光伏陣列產(chǎn)生的電能代替電網(wǎng)輸送的電能為充電樁供電，可以高效快速的為電動汽車充電。當(dāng)陰雨天光伏陣列不發(fā)電不能正常滿足負(fù)載需求時，充電樁直流母線經(jīng)過整流器從電網(wǎng)獲得電能正常向負(fù)載供電。設(shè)計出太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的整體并確定實施方案，對太陽能光伏充電樁的各個模塊進(jìn)行單獨設(shè)計，對光伏電池類型進(jìn)行分析、比較，挑選適合的光伏電池，設(shè)計并建造符合要求的光伏陣列。關(guān)鍵詞：太陽能光伏充電樁；Boost變換器；電路設(shè)計1引言電力行業(yè)的蓬勃發(fā)展促進(jìn)一批新事物的產(chǎn)生，其中電動汽車的研發(fā)就是一個重要的項目。隨著全球自然環(huán)境的迅速惡化以及我們國家政策大力提倡保護(hù)環(huán)境綠色出行，無污染純綠色出行的電動車開始走進(jìn)千家萬戶，獲得越來越多的用戶認(rèn)可。電動汽車的出現(xiàn)從源頭上解決了尾氣的產(chǎn)生，二氧化碳的減少使得空氣污染得到有效的控制。雖然汽車產(chǎn)生的有害氣體得到控制，但是從源頭來看并沒有徹底解決有害氣體產(chǎn)生的問題。因為目前為電動汽車提供能源的設(shè)備主要依靠的是電網(wǎng)，而我國電網(wǎng)所得的電基本來源于火力發(fā)電廠，過多的充電樁不僅會增加電網(wǎng)的壓力迫使火力發(fā)電廠產(chǎn)生更多的二氧化碳，而且還會產(chǎn)生諧波等因素，間接降低了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，所以這并沒有從源頭上解決問題。想要從源頭解決問題一是解決發(fā)電廠的發(fā)電形式，利用可再生無污染的能源進(jìn)行發(fā)電，二是改變充電樁獲取電能的方法，直接利用可再生能源給充電樁充電[1]。從實現(xiàn)方式和現(xiàn)有科技來看，第二種改變充電樁獲取電能的方法，建設(shè)可再生能源充電樁是相對簡單且容易推廣的，結(jié)合每個地區(qū)都有并且豐富的可再生能源，因此提出了太陽能充電樁系統(tǒng)的建設(shè)?，F(xiàn)在技術(shù)對太陽能的開發(fā)利用率比較高的有三種：一是光熱發(fā)電，二是光化學(xué)轉(zhuǎn)化，三是光伏發(fā)電。其中光熱發(fā)電效率最高、成本低、安裝方便，但熱能的缺點是不易極大地限制光熱開發(fā)的發(fā)展前景。沒有使用光化學(xué)轉(zhuǎn)換的好方法。太陽能發(fā)電是通過太陽能發(fā)電將太陽光轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)展模式。太陽能充電樁的研發(fā)就是利用太陽光直接充電，解決空氣污染問題。2太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的整體設(shè)計2.1太陽能光伏充電樁整體設(shè)計方案太陽能光伏充電系統(tǒng)由以下幾個部分構(gòu)成：圖2-1顯示了太陽能發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變頻器、直流母線、AC/DC變頻器、控制器和充電線路。發(fā)電部分主要由光伏機(jī)組串并聯(lián)組成的太陽能電池陣列組成，由直流母線通過DC/DC變頻器供電，通過光伏鋪設(shè)是主要的負(fù)載電源。充電樁系統(tǒng)采用兩個單相DC/DC變換器將直流母線連接到光伏陣列和充電樁主體上。由于外部環(huán)境的影響，充電樁系統(tǒng)可能需要來自電網(wǎng)的電能，控制器的主要功能是實時采集各個模塊的電氣信息，并隨時控制各個模塊之間的能量流動，達(dá)到最佳狀態(tài)。圖2-1光伏充電樁系統(tǒng)太陽能光伏充電樁的大量普及可以有效的緩解電網(wǎng)的壓力，為了保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本，如圖2-2充電控制流程圖所示，當(dāng)電動汽車與太陽能管連接時，系統(tǒng)會自動檢測光伏陣列是否正常運行，并自動檢測輸出值是否滿足充電要求測量表明，當(dāng)滿足充電要求時，充電管的光伏陣列將輸出送至直流母線，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后為電動汽車充電。當(dāng)光伏陣列不能正常工作或輸出值不能滿足充電條件時，這時充電樁的直流母線需要電網(wǎng)提供的電能經(jīng)變壓后對電動汽車進(jìn)行充電。假如以上條件都不滿足或者滿足其中一個但不能充電時，說明充電樁需要進(jìn)行維修，這時充電樁的報警系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，請求人工處理排除故障[2]。圖2-2光伏充電樁系統(tǒng)充電流程圖2.2光伏電池的選擇光伏陣列在光伏發(fā)電中是發(fā)電的關(guān)鍵器件，光伏電池又是組成光伏陣列的核心部位。其基本原理是光伏板接受太陽的照射后其內(nèi)部的P-N產(chǎn)生游離的電子發(fā)生導(dǎo)電現(xiàn)象，從而進(jìn)行發(fā)電[3]。光伏電池的原理如下圖2-3所示：圖2-3光伏電池的原理圖非晶體硅電池和晶體硅電池是目前光伏發(fā)電上應(yīng)用廣泛的兩種光電轉(zhuǎn)換器件。在晶體硅電池的應(yīng)用中，單晶硅電池應(yīng)用技術(shù)相對于多晶硅電池比較成熟，在轉(zhuǎn)化效率方面也有較大區(qū)別。其中單晶硅的工業(yè)利用效率不僅可以達(dá)到百分之二十，而且單晶硅的自然使用壽命更是高達(dá)二十年以上。但是單晶硅電池的成本太高，使整個太陽能光伏板的造價大幅提高，從而限制了單晶硅電池的應(yīng)用和市場前景。另一種多晶硅材料電池，是由特殊材質(zhì)構(gòu)成的晶硅電池，由于制造工藝的簡單，所以它的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶硅，但其效率幾乎與單晶硅相當(dāng)，達(dá)到20%以上。因此，多晶硅在制造光伏電池方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，因此得到了廣泛的研究和應(yīng)用。非晶體硅電池的成本相對較低，但非晶體硅電池的轉(zhuǎn)換效率相對較低，使用價值不高，利用率不高。由于多晶硅電池的造價比單晶硅電池要便宜的多，有利于光伏充電樁大范圍的制造建設(shè)，經(jīng)過比較選用了多晶硅電池制造的光伏板。2.3光伏陣列的容量設(shè)計與選擇光伏陣列的容量在實際的生活中應(yīng)和充電樁所帶負(fù)載一天內(nèi)消耗電能的總量相對應(yīng)，例如一個停車場一天想要實現(xiàn)上百臺電動汽車的充電，耗電約幾百千瓦時，需要幾百千瓦容量的光伏陣列。太陽能充電樁系統(tǒng)必須在實際條件允許的情況下進(jìn)行設(shè)計，充電樁母線電壓設(shè)定為400V，光伏板在標(biāo)準(zhǔn)條件下（S=1000W/m2，T=25℃）單塊輸出為250W，光伏板的主要參數(shù)如下：表2-1光伏板的主要參數(shù)電氣特性規(guī)格單塊光伏板的額定輸出功率250W開路電壓38V短路電流8.79A工作電壓30V工作電流8.27A尺寸1640*992*40mm重量18.6kg由于一塊光伏板的開路電壓比較低達(dá)不到設(shè)計要求，為此我們設(shè)計將6塊進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)后開路電壓為228V，可以達(dá)到我們的設(shè)計要求。為了使得光伏陣列的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大，這時選擇合適的安裝角度很重要，光伏陣列安裝合適角度能夠接收到更多的陽光可以得到更大的利用[4]?？紤]到各區(qū)域地形復(fù)雜，安裝成本高，采用最方便、最簡單的定角設(shè)置方法，并考慮到當(dāng)?shù)厝照眨|京、北緯、海拔）。2.4車載電池及充電策略的選擇2.4.1車載電池的選擇現(xiàn)在市場上的電動汽車采用的電池各種各樣，其中三元鋰電池、鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池和氫燃料電池是電動汽車最常見的選擇。進(jìn)一步深入的調(diào)研過程中，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池是目前電動汽車使用最多的蓄電池，也有少量使用三元鋰電池的。作為本次設(shè)計參考的電動汽車的基本參數(shù)在前文中已經(jīng)列出，所使用車載電池是磷酸鐵鋰電池，其標(biāo)準(zhǔn)是60V、120AH。2.4.2電池的充電方式適合的充電方式對蓄電池自然使用壽命和損耗情況有直接的影響，目前的充電方式有靜電充電、定壓充電、脈沖充電等，定壓充電前的靜電電流等。2.4.2.1恒流充電恒流充電就是以恒定不變的電流對蓄電池進(jìn)行充電，恒流充電時其電壓大小和電流大小的曲線如圖2-4所示。恒定電流充電方式的充電電壓隨時間的增加在逐漸變大，而一般比較簡陋的充電設(shè)備是無法自動調(diào)節(jié)充電電壓的大小，如果讓充電電壓持續(xù)增大會造成蓄電池內(nèi)的電解現(xiàn)象非常嚴(yán)重，過渡的電解會導(dǎo)致極板上的反應(yīng)物脫落，縮短電池的使用壽命。若為了緩解電解現(xiàn)象一開始就減小充電電壓，持續(xù)低的充電電壓會使充電時間延長，達(dá)不到快速充電的要求。所以恒流充電的充電方法很少采用。圖2-4恒流充電2.4.2.2恒壓充電恒壓充電是用一定的電壓給蓄電池充電。圖2-5顯示了用恒壓充電時的電流和電壓曲線。充電開始時，蓄電池兩側(cè)的電流大于電壓，在中后期，電池兩側(cè)的電流隨著時間的推移而變化，采用定壓充電方法可以避免后期低電壓引起的充電效率低、充電電流大的問題。但是，在充電開始時，初始充電和充電電流會損壞電池的機(jī)械結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致反應(yīng)物從水源中釋放，降低電池壽命。充電開始時，當(dāng)充電時間增加，電流太小，充電后期電池不能達(dá)到完全狀態(tài)時，可選擇減小充電電流，并不斷降低充電電流[5]。圖2-5恒壓充電2.4.2.3脈沖充電脈沖充電是利用約束電壓代替一定電壓充電。脈沖充電一般如圖2-6所示。連續(xù)負(fù)脈沖可以大大減小電池充電時的極化現(xiàn)象。對電池特性的分析表明，電流密度反而增大，如果電池停止充電，電流密度會消失，極化現(xiàn)象也會減小，從而在電池上提供短負(fù)脈沖，充電時迅速去除表面氣泡，充電時，電池極化降低，電池使用壽命提高[6]。圖2-6脈沖充電2.4.2.4先恒流后恒壓先恒流后恒壓的充電方式也可以叫二段法。經(jīng)過分析我們知道恒流充電在充電前期的充電效率高、對蓄電池的損壞低，但是到后期的充電效率低、對蓄電池的損壞高。而恒壓充電與恒流充電的特性恰恰相反，恒壓充電后期的充電效率比前期高、對蓄電池的損壞也低。我們采用前期使用恒流充電而后期改用恒壓充電的充電方式，這種充電方法既可以保證充電的時間又不會對蓄電池產(chǎn)生不可逆的損傷。雖然這種充電方式仍存在一些蓄電池電量充不滿的問題，但影響不大。充電時電流大小和電壓大小的關(guān)系如圖2-7所示：圖2-7先恒流后恒壓充電3太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的電氣設(shè)計3.1光伏發(fā)電部分的設(shè)計3.1.1DC/DC變換器DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要功能是將固定的DC值轉(zhuǎn)換為可調(diào)的DC值或我們需要的另一個DC值。連接六個250W光伏面板，并在約180V左右測量其工作電壓，為了使太陽能光伏板輸出的電壓值達(dá)到充電樁直流母線的電壓值（400V），我們需使用升壓斬波電路(Boost)來達(dá)到母線的電壓值。升壓斬波電路是我們經(jīng)常用來直接增加DC電壓的電路。如圖3-1所示：圖3-1Boost原理圖升壓電路的工作原理如下：當(dāng)打開電源開關(guān)時，電感L充電，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，并且負(fù)載R和電容器C當(dāng)前并聯(lián)，當(dāng)關(guān)閉電源開關(guān)時，由于電感器L中的電流不會突然變化，因此二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且電感器L和電源同時為電容器充電，從而實現(xiàn)了升壓。實際上電感Ｌ能量傳遞的過程就是Boost電路中開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，電感Ｌ釋放的能量和存儲的能量是相等的[7]。根據(jù)公式：（3-1）可推導(dǎo)出：（3-2）假設(shè)，則上式變?yōu)椋海?-3）可得D的值。（1）電感20kHz開關(guān)電路的開關(guān)頻率，電感轉(zhuǎn)換系數(shù)為100%，Boost電路處于工作狀態(tài)，當(dāng)在最大工作點Pmax=1.5kW，E=400V時，輸出處的最大負(fù)載流為：（3-4）若選取波紋率為20%時：（3-5）代入公式得出：（3-6）經(jīng)上面的公式計算：（3-7）由于要考慮實驗和后續(xù)電路的更改，所以選擇800μH的電感。（2）電容C在Boost電路中濾波電容可以穩(wěn)定母線電壓、保證輸出端電壓大小，所以它的作用尤為重要。在本設(shè)計中濾波電容的波紋大小應(yīng)該是母線電壓的1%左右，那么可以得到以下數(shù)據(jù)：（3-8）（3-9）（3-10）由于要考慮后續(xù)電路的更改，所以選擇30μF的電容，最大承受電壓為400V。（3）功率開關(guān)管在DC/DC轉(zhuǎn)換電源電路中，電源開關(guān)管有IGBT和MOSFET兩種電源開關(guān)管。由于通常在交流電壓超過600V的條件下使用IGBT，因此本設(shè)計選擇MOSFET電源開關(guān)。MOSFET功率開關(guān)管可以接受的較大輸出電壓為400V，輸入工作電壓大約有10%的波動，所以取工作電壓的80%為額定值，計算其最大電壓和電流：（3-11）（3-12）MOSFET的選擇也應(yīng)考慮后續(xù)電路的更改，選擇的型號為KIA4750S。（4）二極管MOSFET功率開關(guān)管可以接受的較大輸出電壓為400V最大電流10A。因為要留取余量所以根據(jù)電壓、電流的大小選取二級管（IN4007）。3.1.2MOSFET驅(qū)動電路驅(qū)動電路原理圖如圖3-2所示。驅(qū)動電路由光耦合器隔開。光耦合器打開時，Q3關(guān)閉。當(dāng)Q1和Q2接通時，開關(guān)接通。光耦合器關(guān)閉時，Q3連接，開關(guān)關(guān)閉。二極管D1和D2，電容器C1及其晶體管Q2可以提高功率開關(guān)的速度和高效率[8]。圖3-2驅(qū)動電路3.2整流電路圖3-3VIENNA整流器VIENNA整流器可以在一定程度上調(diào)節(jié)母線電壓的穩(wěn)定性。整流器出口動態(tài)電壓良好。即使沒有控制開關(guān)的PWM信號，二極管也能使電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。VIENNA整流器確保單向流動的能量，但VIENNA整流器是非常有效的。使用以下公式計算數(shù)值。（1）交流側(cè)的電感電感不但能增加阻尼，還有濾波的功能。電感大小和型號的選擇可以直接影響到整體的設(shè)計效果。根據(jù)輸入電壓為220V、輸出電壓為400V、效率為95%、電網(wǎng)頻率為50Hz、電網(wǎng)的波動率（一般電網(wǎng)的波動率在20%）。代入以下公式可以得到：（3-13）因為要考慮實驗的盈余和后續(xù)電路的更改，所以選取900μH的電感。（2）直流母線的電容考慮到整流器的作用其應(yīng)滿足:（3-14）當(dāng)輸入變化時，要滿足：（3-15）因為要考慮后續(xù)電路的更改，并且電容必須滿足上面計算的數(shù)值，所以選用為4700μF，最大電壓為400V的。3.3充電電路3.3.1全橋變換器圖3-4全橋變換器的原理圖整個設(shè)計參數(shù)：輸入400V輸入電壓，62V輸出電壓，22A輸出電流，21kHz開關(guān)頻率和接通整流二極管時的1.5V壓降。（1）變比高頻變壓器的變比要按最低輸入電壓選擇，因為只有這樣選擇才能夠在規(guī)定的電壓輸入范圍內(nèi)輸出所需要的電壓。（3-16）K=3.25經(jīng)過計算變比為3.25。（2）諧振電感諧振電感是實現(xiàn)零電壓開關(guān)的條件，所以選擇電感量大一點的：（3-17）電容（3-18）電容（3-19）經(jīng)過以上公式的計算，用EE50型號的的變壓器。功率開關(guān)管、整流二極管、輸出濾波電容分別選擇：SPP20N60C型，MUR3020PT型，100μF、400V電容。3.3.2驅(qū)動電路變換器中有四個開關(guān)管，一般當(dāng)啟動電壓小于柵極和源極的電壓時，開關(guān)管就處于開啟狀態(tài)?？刂坪凸β兽D(zhuǎn)換電路需要隔離，全橋變換器可以實現(xiàn)隔離，保證設(shè)備的安全。驅(qū)動電路如圖3-5所示。圖3-5驅(qū)動電路3.4采樣電路3.4.1電壓采樣電路（1）需要獲取并分析光伏單元部分的電壓，此處選擇電壓采樣電路。電壓經(jīng)電阻分壓后，高壓信號按照一定比例轉(zhuǎn)換為控制芯片可以接收的電壓。AD620放大后，將其連接到控制芯片的A/D端口。示意圖如圖3-6所示：圖3-6光伏電池電壓檢測（2）儲能電池電壓檢測圖如圖3-7所示：圖3-7蓄電池電壓檢測3.4.2電流采樣電路在電流采樣電路中，電流信號必須轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓信號必須轉(zhuǎn)換為控制芯片接收到的電壓。根據(jù)我們自己的實驗要求，用電阻來檢測電流，工作原理是增加電阻電流測量信號，也就是說，由于電阻的電阻很小，所以被測電流也很小，所以如圖3-8所示，小電壓信號必須擴(kuò)展到更大的電壓通過AD620。圖3-8電流采樣電路原理圖4太陽能光伏充電樁系統(tǒng)的程序設(shè)計4.1MPPT程序根據(jù)后面太陽能電池的模擬仿真結(jié)果曲線可以看出，功率不是一成不變的，整個曲線呈現(xiàn)拋物線型，這個時候一定存在一個最大的功率。我們可以根據(jù)這一特性調(diào)整光伏電池的工作狀態(tài)，使其一直工作在最大功率范圍內(nèi)，提高一天的發(fā)電總量。跟蹤調(diào)整光伏電池的工作狀態(tài)的過程就是最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking)，也叫MPPT。最大功率點跟蹤所使用的方法有以下幾種。（1）恒電壓控制法：有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜的優(yōu)點。但是這種方法在外部環(huán)境發(fā)生突然變化時，例如在白天溫差特別大的地方是不能準(zhǔn)確跟蹤調(diào)整最大功率點。因此恒電壓控制法用在控制要求不精確以及預(yù)算不高的系統(tǒng)中。（2）擾動觀察法：在一個范圍內(nèi)對光伏電池的工作電壓設(shè)定一個很小的數(shù)值，減去或者加上這個數(shù)值記錄下兩次不同的功率和，在比較這兩次電壓下發(fā)出的功率值，作為調(diào)整工作狀態(tài)的依據(jù)，假如<，則繼續(xù)在這個方向加上一個設(shè)定的數(shù)值，反復(fù)多次。若>，則往相反的方向減去一個設(shè)定的數(shù)值，反復(fù)多次，一直調(diào)整到光伏電池的工作狀態(tài)達(dá)到最佳狀態(tài)。（3）其他的智能MPPT還有很多，比如模糊邏輯控制等，但是這些運行太復(fù)雜，技術(shù)還不是很成熟。經(jīng)過比較，最后選擇了擾動觀察法。當(dāng)系統(tǒng)測量到光伏電池某一時刻的電壓值U(k)和電流值I(k)時，把檢測到的U/(k)與U(k-l)做差得到U0，當(dāng)?shù)玫降腢0是零時，說明兩次電壓值相等，這時光伏陣列工作在功率峰值附近其效率最高，程序結(jié)束。如果U0不是0，則可以通過I（k）*U（k）獲得P（k）和P（k-1）。如果輸出P（k）和P（k-1）不同，則輸出差P0。此時，當(dāng)功率差P0和電壓差U0大于0時，光伏陣列將作用在功率峰值左側(cè)，當(dāng)功率差大于0且電壓差大于0時，光伏陣列將作用在功率峰值附近，小于0的PVP1在功率峰值右側(cè)運行，并移動到靠近功率峰值的位置。當(dāng)電壓差小于0時，功率差大于0，光伏陣列作用在功率峰值右側(cè)。當(dāng)電壓差大于0時，光伏陣列在U0附近移動意味著光伏陣列遠(yuǎn)離功率峰值值并移動功率峰值值。當(dāng)U0小于0時，力差P0大于0，PV陣列將作用在功率峰值左側(cè)，遠(yuǎn)離功率峰值。假設(shè)一個變擾動步長改變值為，當(dāng)功率點向靠近功率峰值的位置移動時減去一個，當(dāng)功率點向遠(yuǎn)離功率峰值的位置移動時加上一個。程序在經(jīng)過多次運行之后，最終可以使光伏陣列工作在功率峰值附近。4.2充電程序充電樁的充電系統(tǒng)使用了先恒流再恒壓的充電方式。先以不變的電流充電，當(dāng)蓄電池的壓值達(dá)到一定程度后，再改用恒壓充電，充電后期電流減小到一定程度時說明蓄電池達(dá)到充滿狀態(tài)，這時中斷充電。充電樁首先對接入充電樁的負(fù)載進(jìn)行電壓和電流的檢驗并作出正確的判斷，只有滿足充