宋雨鑫 黄思涵 耿通 张安彩*
临沂大学自动化与电气工程学院 山东临沂 276000
摘要：通过对光伏充电站及微电网电源技术的研究，本文提出了一种基于微电网技术的光伏电动车充电站的设计。该充电站由太阳能板提供能量，通过蓄电池动态调节电能波动，控制系统根据太阳能光伏转换状态和蓄电池能量状态以及充电功率实时控制逆变器和DC-DC变换器工作模式进行电能管理；通过对太阳能板能量输出进行了最大功率点跟踪控制技术，实现了发电功率最大化，对分布充电站的规划、运行及控制保护等方面进行了深入讨论。
关键词：微电网; 光伏转换；电能管理
1 引言：
近年来电动车已成为中小城市市民的重要代步工具，电能是电动车的血液，充电电动车充电站作为电池补给的装置，其清洁能源应用和分布式设计成为当前电气领域内研究的热点。电网的规模扩大，电力终端的可靠性和多样性对电力系统需求越来越高，同时煤炭、石油等一次性能源应用面临枯竭和环境保护的压力[1]，微电网概念应运而生，其最大优势在于可再生能源的利用，同时提高能量利用率和供电可靠性。太阳能具有能量丰富、分布广的特点[2]，通过引入分布式电源技术并网或单独运行，可以降低分布式间歇性负载对配电网影响，降低运行成本[3]。本文设计出一套新型基于微电网分布式光伏电动车充电站案例，充分利用太阳光电转换，作为主电网的辅助与补充，具有较为广泛的应用前景。
2 基于电网技术的光伏充电站的组成
本文设计的微电网是将分散区域的分布式电源、储能装置、负载集合成小型能源系统，由分布式发电（Distributed Generation，DG）单元、储能单元和负荷及能量控制三部分构成，如图1所示，由光伏电池板作为发电单元，以蓄电池(组) 为储能单元，蓄电池充电控制器和DC-DC转换器、DC-AC逆变器、电路自动转换器及控制中心与检测电路等构成负荷及能量控制单元组成。
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（1）光伏电池板
光伏电池板是整个系统的核心部件，实现太阳光的辐射能转化为电能。由单晶硅、多晶硅半导体器件或其它类型的光电池进行串、并联构成组件。因为单晶硅的光电转换效率较高、多晶硅次之，单晶硅组件故障率低，两者性价比相差不多，维护简单；非晶体材料成本及效率较低，但使用寿命较短[4]，基于地区现状设计中选用单晶硅光伏电池组。
在规划设计好电动车充电站的规模总容量Σ后，可以利用公式（1）确定基本光伏电池板的面积 [5]：
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式中S为光伏电池板总面积，η为电池转换效率，φ为所在地年辐射总量。K为修正系数，K=电池组衰减系数（一般取0.8）×环境因素引起的功率调整系数（一般取0.9）×线路损耗修正系数（一般取0.95）×逆变器效率×光伏电池板朝向和倾斜角修正系数。
（2）蓄电池组
由铅酸蓄电池经串、并联成组，用来储存光伏电池输出的电能，并通过自动转换器在控制中心及控制电路和充电控制模块对电动车充电输出或将富余电能并网，蓄电池对太阳能电池板电压的波动能够起到“缓冲”的作用，设蓄电池容量C，负载日耗电W，系统直流电压Ud，连续阴雨天数T，蓄电池放电深度ω，容量计算公式为：
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（3）充电控制器
因受环境影响光伏电池板输出电压会出现波动，直接连接蓄电池组时影响充电效率和蓄电池寿命，同时晚间及阴雨天太阳能不足时，防止蓄电池组对光伏电池组的逆向供电而损坏蓄电池，在光伏电池和蓄电池组中间设计蓄电池充电控制器实现充、放电保护。
（4）最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制
由于光伏电池板的输出功率为非线性，调节充电电路工作状态使太阳能转换成电能效率保持最高。目前国内常用的方法有恒电压跟踪方法、增量电导法、扰动观察法等。
（5）DC-AC逆变器
并网运行时，光伏电池板输出不稳定会对电网产生电压波动、频率波动等影响，所以光伏电源需要用能量控制模块实时、快速控制输出。光伏电池板、蓄电池组提供的都是直流电，但电动车为了充电方便多采用220V，50HZ工频交流电充电，DC-AC逆变器完成直流电到工频交流电的转换。
（6）DC-DC转换器兼顾部分直流负载应用，设置常用直流电压输出（如USB充电的5V、蓄电池直接充电的12V、24V、48V等）。
（7）控制中心是以单片机为核心的测量系统，完成测量太阳能板输出状态参数、蓄电池参数、充电模式及参量的测量和分析，并发出指令完成自动转换器的转换。控制器模块核心采用法意半导体公司（ST）开发的32位嵌入式微控制器STM32F103ZET6，该款单片机以ARM Cortex-M为内核，因为速度快、体积小、功耗低、内部资源及外设接口丰富；公司提供强大的库函数，编程起点低，性价比较高，应用广泛。测量电路主要由电压传感器、电流传感器及温度传感器及相应转换电路构成。自动转换器应用固态继电器完成电路的转换。
3 基于微电网技术的光伏充电站作业过程及供电控制
分布式太阳能充电站作为微电网系统与配电系统协调优化运行，需要综合智能电力管理系统[ 6-8 ]。太阳能充电站的微电网能进行孤岛充电和传统电网双向电能互传两种运行方式，以及并离网切换动作、故障检修状态。
孤岛运行时光伏电池板对电动车充电，同时可以对蓄电池充电，太阳能输出较大，蓄电池容量适宜；太阳能输出及负荷波动较大致储能系统能量不足时并网运行，采用削峰填谷策略，保证系统稳定供电；电网故障时控制系统必须保证微电网可靠运行；各种状态间能平滑过度，维持微电网输出电能质量。运行模式转换示意图如图2所示。
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本文中太阳能微电网充电站采用图3所示的三层控制结构，第一层为策略控制，并网运行时以电网电压和频率为参考，采用PQ控制(Power Quality Control，恒功率控制)，当电网电压幅值和频率降低时微电网支撑起电压和频率；孤岛运行时采用主从控制模式，以光伏电池发电为微电网提供V/F参考，也采用恒功率控制。
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第二层为太阳能充电站并网运行和孤岛运行两种模式的无缝切换控制，并网运行模式控制太阳能充电站与电动车充电波动对主网的影响，维持电动车充电功率及蓄电池组在正常运行范围，并且抑制充电站输出电力的高、低频分量；孤岛运行时用来恢复和维持充电站的电压和频率，保证充电过程可靠运行。
第三层控制为太阳能充电站的能量管理系统，并网运行时采样充电站与外电网间联络线的输出功率， 计算后数据作为第二层控制的目标参考值，孤岛运行时，根据参考值和设定信息，按照主从控制模式分配比例系数，调整充电站的输出功率，保证太阳能电动车充电站的正常运行。
4 总结
能源紧张以及环境保护促使再生新能源电源得到更多的开发利用，太阳能电池作为一种新型电源利用微电网技术作为电网的补充和辅助，应用前景和发展空间广大。本文设计的分布式光伏电动车充电站分布范围广可以建设在家庭庭院、路边停车场、工厂内空地等地点。在光伏充电站建设时首先预估一个站点的充电负荷量，考虑周围环境的影响，在扣除电力电子器件损耗的情况下，分配好光伏电池板面积和蓄电池容量，避免运行对电网形成大的冲击。
参考文献：
[1]杨勇平，杨志平，徐钢，等．中国火力发电能耗状况及展望[J]．中国电机工程学报，2013，33(23)：1-11．
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[4]李雷, 杨春. 我国光伏产业现状与可持续发展策略研究[J]. 中外能源, 2012, 17(4):28-37.
[5]胡建宏.光伏发电系统集成与设计[M].陕西:西北工业大学出版社,2015.
[6]李富生,李瑞生,周逢权.微电网技术及工程应用[M].北京:中国电力出版社,2013.
[7] 马文,耿贞伟,张莉娜,于凤荣.基于改进多目标狼群算法的微电网调度优化[J].电子技术应用,2017,43(11):124-127.
[8] 孙戈,张志禹,马如伟.多VSG并联组网下的功率分配策略研究[J].电子技术应用,2018, 44(05):151-154.
作者简介：宋玉鑫(2001-)，男，电气工程及其自动化专业，主要研究方向:自动控制、单片机应用技术；通讯作者：张安彩(1982-)，男,博士，教授，临沂大学自动化与电气工程学院院长，主要研究方向:自动控制。