第一章 绪论
1.1 背景与意义
能源是社会发展的物质基础和经济增长的重要驱动力[1]，而目前能源消费主要来自一次能源：石油、煤炭。据相关机构预测：到2020年，新能源在全球能源消费中占比将达到16%，其中太阳能在人类用电消费的占比将达到4%，到2040年人类用电消费中太阳能占比将达到20%；到21世纪末，光伏发电将达到全球总发电量的60%以上。我国2016年的能源消费总量为43.6×108tce，其中煤炭消费量占62%，石油消费量占21.3%，其他清洁能源占比为19.7%，随着我国经济的发展，传统的粗放式能源消费方式对我国生态环境的损害巨大，同时也严重制约了我国经济的可持续发展。我国把可持续发展放到国家战略层面上，提出发展低碳经济并降低碳排放量，十八届五中全会把绿色发展理念列入五大发展理念之一，同时生态文明建设成为我国“十三五”规划的核心部分。中国在巴黎气候大会上提出将于2030年左右使二氧化碳排放达到峰值，且单位国内生产总值CO2排放比2005年减少60%~65%。但是我国能量消费产业在低碳排放的要求下，其能源利用效率明显低于无低碳排放要求的情况[2]，我国作为能源消费大国，在碳减排约束下如何实现经济的可持续发展是迫切要解决的问题，现今需要寻找一种可再生能源来解决日益严重的能源问题。太阳能作为地球上最主要的能源来源，其具有取之不尽、绿色环保、安全可靠等特点[3]。现今利用太阳能的主要途径是基于“光生伏特效应”原理，实现光电转换。目前研究和应用最广泛并且技术已经达到相对成熟的太阳能电池是硅太阳能电池，单晶硅电池的最高效率已经达到24.4%[4]。从上世纪90年代开始，世界太阳能利用进入了飞速发展的新阶段，世界上很多国家越来越重视太阳能光伏发电系统的研究和建设，光伏发电已形成一个新的产业并得到世界各国的长期支持[5]。2015年全球光伏总装机总量已达到222GW，预计到2020年将达到700GW。与此同时，进入21世纪以来，我国光伏产业飞速发展，产能和产量占世界总量的一半以上。国家“十二五”可再生能源规划目标提出[6]：至2015年底，我国太阳能年发电总量消费可省去5.0×107tce的消耗，其中太阳能发电装机容量为2.1×107KW；到2020年将达到5.0×107KW。截止到2012年底，世界光伏发电总装机容量已达100GW，预计到21世纪中叶，光伏发电将发展为重要的发电方式，在世界可持续能源结构中将占有相当大的比例。
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1.2 国内外电动车光伏充电单元研究现状
人类对太阳能利用历史悠久，太阳能光伏发电的出现最早是为了解决偏远地区用电困难问题，后期应用于航天空间领域，随着光伏发电技术的发展，光伏发电应用领域越来越广泛。目前光伏发电技术已经非常成熟，应用较多的有晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件和聚光光伏组件，最为普及的为晶体硅光伏组件，截止到2016年底，全球光伏装机容量达到300GW，其中中国2016年光伏新增和累计装机容量均居世界第一。德国作为欧洲光伏产业的重心，很早就将光伏发电列入国家能源发展规划，率先颁布大量关于规范和促进光伏产业的法案，加大技术研发投入和光伏发电并网补贴，同时欧洲各国纷纷效仿并出台相关政策，加大对光伏产业的支持力度，极大地促进了光伏产业的发展。在此期间欧洲出现了大批光伏设备制造企业：梅耶博格、Rena、欧瑞康等，同时，欧洲也是全球最大的光伏应用市场，2011年欧洲光伏市场份额达到580亿美元，从事光伏产业人员达40万。美国光伏产业起步较晚，但是随着政府的重视，光伏技术研发投入逐渐增加、市场推广飞速提高，极大地促进了了光伏产业的发展，2016年美国新增装机容量约为13GW，超过2012年光伏发电累计装机量。2006年前，日本光伏组件产量一直位居第一，随着中国和西方发达国家在光伏领域的发展，日本光伏组件产量逐渐被反超，但是2012年日本光伏组件出货量仍然高达2.4GW，日本是最早启动光伏应用产业的国家，同时在光伏研发投入大量人力物力，为光伏产业的推广提供了巨大的助力。我国太阳能资源丰富，尤其是西藏、新疆南部、青海以及甘肃和内蒙古等地年太阳辐射量均超过6300MJ/m2[12]。我国在1958年开始光伏组件研究，至20世纪90年代我国光伏产业进入全面发展阶段，进入21世纪，我国加大对光伏发电的研发投入，同时相继出台《光伏制造业行业规范条件》、《太阳能发电发展“十二五”规划》、《关于申报分布式光伏发电规模化应用示范区的通知》等规范并促进光伏产业发展的政策方针[13]。同时为了推进光伏产业发展，各省市也出台了相关的鼓励政策，如江苏省政府提出《关于继续扶持光伏发电政策意见的通知》等。青岛市积极落实国家和山东省关于光伏发电价格补贴和资金支持政策，并大力发展光伏产业，大批光伏企业在西海岸新区投资推广光伏项目，如海尔工业园光伏发电项目、农业光伏大棚项目等。目前，我国已经形成较为完善的光伏产业链，随着国内光伏政策的完善及国内外市场的拓展，我国光伏产业发展将会达到更高的水平。
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第二章 光伏充电单元总体结构与工作原理
电动车光伏充电单元具有光伏电站与电动车充电站的功能，在实现光伏发电同时可将光伏电站发电供给电动车充电，其优势明显，不仅可以解决电动车的充电困难、降低充电设施的建设成本、降低碳排放、改善生态环境和缓解能源危机，而且更加便捷地利用太阳能，提高光伏电站的经济性。电动车光伏充电单元是将光伏电站和电动车充电站有机结合在一起，因此光伏充电单元主要以光伏发电系统（光伏电站）原理和电动车的充电方式为参考，其中光伏电站原理及功能是关键，可认为电动车充电桩为光伏电站的用电负载，电动车光伏充电单元按照是否与电网形成用电互补分为并网电动车光伏充电单元和离网电动车光伏充电单元，电动车光伏充电单元的结构设计和工作原理制定要依据其功能要求和结构特点。
2.1 光伏充电单元原理
光伏充电单元最主要的功能是将光伏阵列所发电能供电动车充电，因此光伏充电单元原理涉及到光伏电站原理和电动车充电方式。光伏电站可依据功能需求、所带负载特性、安装场所及是否与电网并网等分为不同类型。根据光伏电站是否与电网并网可将其分为离网光伏电站和并网光伏电站[41]；依据其所带负载不同，可分为直流负载光伏电站和交流负载光伏电站；根据一些特殊需求还有离网并网混合型光伏电站和风光互补发电系统等。根据电动车光伏充电单元特殊工作环境和功能要求，主要分析并网光伏电站。区别于独立光伏电站，并网光伏电站与电网并网，其主要应用于与建筑相结合以及位于荒凉地带的光伏电站，按照有无储能装置分为可调度式和不可调度式并网光伏电站。不可调度式并网光伏电站和可调度式并网光伏电站分别如图2.1与图2.2所示。除去电池组，可调度式和不可调度式并网光伏电站均由光伏阵列、DC/DC变换器(升压器)、控制器、逆变器、负载、电网等组成，对于不可调度式并网光伏电站，逆变器将从光伏阵列输入的直流电逆变后输出与电网电压同频同相的交流电[42]，在正常工作条件下，负载由光伏阵列提供电能；当光伏阵列发电功率低于负载要求，负载从电网获取补充电能；当光伏阵列发电功率高于用电负载额定功率，多余功率输送至电网；但当电网断电情况下，用电负载无法正常工作。
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2.2 光伏充电单元总体结构设计
依据光伏电站原理和电动车充电方式，参考青岛市特殊的地理环境条件，设计青岛市光伏充电单元总体结构。青岛市电动车光伏充电单元总体结构设计必须考虑到青岛市地理环境特点，以确保青岛市建设光伏充电单元的可行性，同时光伏充电单元光伏支架的设计也需要满足青岛市地理环境的要求。如图2.3所示为青岛市地理位置，青岛市地处山东半岛东南部，属温带季风气候，但是青岛市主要经济地区邻近黄海，具有显著的海洋性季风气候。青岛市年太阳能辐射总量为118.1Kcal/cm2，等效峰值日照时长为1370.0小时，平均全年日照时间为2485.0小时[43]。青岛市太阳能资源丰富，其年太阳能辐射总量大、太阳光照总时数多，且青岛市年均晴天数为262.1天、无霜期较长、全年降雪量较少，因此青岛市适合建设光伏充电单元。光伏充电单元是集并网运行、电网削峰填谷、最大功率点跟踪(MPPT)、孤岛检测、电动车充放电控制等功能于一体的系统[44]。如图2.4所示电动车光伏充电单元结构，图中实线为电能线，箭头表示电能输送方向；虚线为控制信号线[45]。
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第三章 光伏充电单元匹配设计.....17
3.1 光伏支架设计参数 ............ 17
3.1.1 光伏阵列参数 ......... 17
3.1.2 光伏组件安装方向角和倾斜角 ........ 18
3.1.3 光伏阵列间并联最小间距 ....... 19
3.2 逆变器功率 ...... 20
3.3 电池组容量 ...... 21
3.4 充电桩充电功率 ....... 22
3.5 本章小结 .......... 22
第四章 光伏充电单元支架结构设计与优化............23
4.1 光伏支架总装设计 ............ 23
4.2 光伏支架总装有限元分析 ......... 25
4.3 光伏支架总装结构优化 .... 29
4.4 本章小结 .......... 32
第五章 光伏充电单元关键电路设计与仿真............ 33
5.1 光伏充电单元最大功率点跟踪设计与仿真 ........ 33
5.2 光伏充电单元逆变器(DC/AC)设计与仿真 ......... 42
5.3 光伏充电单元充电电路设计与仿真 ........... 56
5.4 本章小结 .......... 60
第五章 光伏充电单元关键电路设计与仿真
光伏充电单元功能的实现需要一套完整的电路系统，目前并未有针对青岛市光伏充电单元电路参数的设计理论研究，在建设光伏充电单元之前，依据光伏充电单元总体结构与工作原理和光伏充电单元匹配设计，对光伏充电单元关键电路结构进行设计，同时对光伏充电单元光伏阵列最大功率点跟踪、光伏充电单元光伏发电并网、电池组充电等进行仿真实验分析，验证光伏充电单元的合理性、可靠性和经济性，对青岛市光伏充电单元具有非常重要的意义。光伏充电单元参考项目设计要求，青岛市电动车光伏充电单元光伏阵列输出功率选定为 1kW，采用额定功率为 250W 的光伏组件，需要 4 块光伏组件。
5.1 光伏充电单元最大功率点跟踪设计与仿真
5.1.1 光伏组件建模与仿真
光伏阵列是光伏充电单元最重要的组成部分之一，其 I-U、P-U 特性受太阳辐射强度、安装地点温度以及光伏组件内部 PN 结参数影响呈现非线性关系[73]。要研究光伏充电单元的动态特性，首先要建立光伏阵列的光伏组件的数学模型，并建立仿真模型，进行仿真模拟分析。光伏组件模型依据参数组成可分为三种：五参数模型、四参数模型、三参数模型，不同模型所对应的等效电路图如图 5.1 所示，光伏组件对负载 RL供电，Rsh为并联电阻、Rs为串联电阻、Iph为光伏组件光生电流、IL为光伏组件输出电流、ID为流过等效二极管的电流、Ish为流进并联电阻的电流、U 为光伏组件输出电压（即外电路路端电压），其中五参数模型是考虑了光伏组件等效电路中的串联电阻和并联电阻的作用、四参数模型是不考虑光伏组件等效电路中的并联电阻的作用以及三参数模型是不考虑光伏组件等效电路中的串联电阻和并联电阻的作用。
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结论
光伏发电在可再生能源结构中具有十分重要的地位，青岛市政府高度重视生态环境的保护工作，大力发展新能源，并采取鼓励措施促进电动车的发展，青岛市电动车光伏充电单元研究正是站在社会需求的角度所提出的，并作为青岛市光伏充电单元建设的理论基础。依据青岛市电动车光伏充电单元功能需求，设计光伏充电单元总结构，并对光伏充电单元光伏支架、关键电路等进行设计和仿真分析，为光伏充电单元建设提供重要参考依据。
（1）分析了光伏充电单元原理，为光伏充电单元提供理论依据，确定了青岛市特殊的地理环境条件适合建设光伏充电单元，按照光伏充电单元的功能要求，设计青岛市光伏充电单元的总体结构，并制定光伏充电单元工作原理。
（2）建立了一整套光伏充电单元参数匹配方案，主要包括光伏支架设计参数、逆变器功率、电池组容量、充电桩功率，并作为光伏充电单元电路参数设计和后期建设的理论依据。
（3）形成了光伏支架从结构设计到优化选型的设计计算分析方法，依据光伏支架设计参数匹配方案，设计出光伏支架结构，进行有限元分析，然后进行结构优化，优化后支架总装最大应力为119.31MPa，比优化前降低7.6%，同时光伏支架总装质量和总变形均有所降低。根据光伏支架总装优化结果，加工并安装光伏支架。
（4）制定一套光伏充电单元电路参数设计理论，包括升降压电路参数、LCL型滤波器参数、逆变器控制参数、充电电路降压变换器参数等。
（5）搭建光伏组件仿真模型，仿真结果符合经验特性曲线；依据光伏组件模型结合升降压电路搭建光伏阵列最大功率点跟踪模型，仿真结果表明光伏充电单元能够快速实现光伏阵列最大功率点跟踪；以光伏阵列最大功率点跟踪模型为输出，LCL型单相 PWM 逆变电路为主体，搭建光伏充电单元逆变器仿真模型，仿真结果符合国家对并网逆变器并网标准要求。最后根据光伏充电单元工作原理，对电池组充电电路结构进行设计，并搭建仿真模型，仿真结果分析表明：电池组能够较好地进行充电。
（6）结合光伏充电单元光伏阵列最大功率点跟踪、光伏充电单元光伏发电并网、电池组充电的电路结构设计和仿真实验分析，表明光伏充电单元的功能能够很好地实现，并且为青岛市光伏充电单元建设提供重要设计数据。
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参考文献（略）