“雙碳”背景下太陽能光伏充電樁的設計

摘 要：在“雙碳”背景下我國越來越注重新能源的應用，我國各個地區(qū)都試圖從汽車行業(yè)入手實現(xiàn)燃油車向電動車的轉(zhuǎn)型，以降低運輸行業(yè)對傳統(tǒng)能源的依賴，傳統(tǒng)的電動車充電樁在提供充電服務時主要依靠傳統(tǒng)電能提供電力，在這個過程中也會對環(huán)境造成一定污染，而在新能源的持續(xù)應用中，可以借助太陽能實現(xiàn)對電動汽車的電力供應。因此，本文在“雙碳”理念的指導下，全面分析了太陽能光伏充電樁設計，在設計過程中針對充電樁對電網(wǎng)的污染問題，采用了有源濾波系統(tǒng)對充電過程中產(chǎn)生的諧波進行了處理。

關(guān)鍵詞：太陽能 光伏充電樁 有源濾波

在全球能源危機持續(xù)加劇的背景下，不可再生能源的儲量逐漸降低，并且傳統(tǒng)燃料在使用過程中會對環(huán)境造成污染，導致全球變暖、海平面上升，而我國作為一個發(fā)展中國家，在發(fā)展過程中對能源的需求持續(xù)提升，在“雙碳”背景下，我國十分重視新能源的應用，而光伏充電樁的出現(xiàn)，則能夠為汽車行業(yè)發(fā)展提供一個可持續(xù)發(fā)展方案。因此，深入分析太陽能光伏充電樁的設計具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 光伏充電樁發(fā)展的必要性分析

在電動汽車發(fā)展過程中，電動汽車的應用已經(jīng)不再局限于城市內(nèi)部，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)和高速公路中電動車也十分普遍，因此在未來電動汽車的充電樁也需要逐漸分布在各個區(qū)域中，在這種情況下充電樁帶來的電能消耗將會持續(xù)增加，而傳統(tǒng)的電能在長距離運輸過程中會造成大量的損耗，因此想要滿足我國低碳發(fā)展需求，就需要開發(fā)太陽能光伏充電樁?？v觀我國的太陽能分布可知，我國總體的太陽能分布量還是十分可觀的，如果能夠?qū)μ柲苓M行合理應用，不僅能夠降低電網(wǎng)輸電壓力，還可以有效降低對環(huán)境的污染[1]。

2 太陽能光伏充電樁總體設計方案

在太陽能光伏充電樁設計過程中考慮到太陽能的不穩(wěn)定性，在設計過程中主要目標是實現(xiàn)電網(wǎng)與太陽能的同時供電，并且該充電樁具有簡單操作、安全高效等優(yōu)勢。其工作原理主要是通過對太陽能的回收利用，將光伏電通過系統(tǒng)控制裝置為汽車進行充電，如果當?shù)靥柲鼙容^充足，則可以通過系統(tǒng)將光伏電力進行存儲，或者將其反饋給電網(wǎng)，如果光伏電力不足，則需要通過電網(wǎng)為充電樁提供電力，進而實現(xiàn)對汽車的穩(wěn)定供電。本設計方案主要包含電網(wǎng)供電系統(tǒng)以及太陽能發(fā)電系統(tǒng)，主要包含光伏發(fā)電單元、蓄電池模塊以及充電機單元等。

在本方案中光伏充電樁主要具備電氣保護、后臺管理、電量計量、人機交互等功能。在設計過程中需要根據(jù)充電樁的實際需求將充電樁的設計指標進行細化。在光伏充電樁建設過程中需要對建設場地進行合理規(guī)劃，建設光伏充電樁的場地需要具有一定的太陽能，并且靠近電網(wǎng)區(qū)域，并且建設區(qū)域需要靠近電動車行進線路，以方便汽車進行充電[2]。

3 光伏充電樁有源濾波系統(tǒng)設計

為了避免光伏充電樁對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，需要設計有源濾波系統(tǒng)，并對其進行仿真模擬，以便測試有源濾波系統(tǒng)的整體性能。

3.1 濾波方式的選擇

目前人們常用的濾波技術(shù)主要包含有源濾波技術(shù)（APF）以及無源濾波技術(shù)（PPF）兩種。其中無源濾波器在制成之后其相應參數(shù)無法進行調(diào)整，因此只能對特定范圍內(nèi)的諧波進行濾除，并且濾波效果會受到周邊環(huán)境的影響。這種濾波技術(shù)在實際應用過程中存在功耗大、體積大、重量高等缺陷，但是由于技術(shù)難度不高，因此整體成本較低。而有源濾波則是通過設備內(nèi)部元件通過主動產(chǎn)生與濾波電流相等、方向相反的電流實現(xiàn)對諧波的補償。這種技術(shù)在實際應用過程中具有一定的適應能力，可以根據(jù)濾波形式的不同對其進行跟蹤補償。雖然其設計成本較高，但是在實際應用過程中不會對電壓產(chǎn)生改變，進而能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進行有效保護。同時，在有源濾波技術(shù)中又可以分為并聯(lián)型與串聯(lián)型，其中并聯(lián)型通常用在補償諧波電流，而串聯(lián)型則通常是對諧波電壓進行補償。而在汽車充電過程中，電流的整體畸變較大，因此需要使用并聯(lián)型對其進行調(diào)整[3]。

3.2 有源濾波系統(tǒng)應用原理

有源濾波系統(tǒng)在實際應用過程中會連接在充電樁電源位置，當車輛與充電樁連接之后，開關(guān)1閉合，為汽車提供電力。在充電過程中充電樁的APF開關(guān)也會閉合，充電樁會接入APF，在這個過程中充電樁和APF會一體運行，實現(xiàn)對充電過程中畸變電流的調(diào)整。在實際應用過程中，APF會通過無功電流檢測算法，對光伏充電樁的充電電流和電壓進行計算，在得到需要進行補償?shù)闹C波之后，對其進行補償。而且為了提升對電流的計算精度，保持電壓穩(wěn)定，需要將光伏充電樁中的直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在一個較高的值，并根據(jù)電流實時監(jiān)測結(jié)果對補償電流進行計算，進而解決負載電流的波形畸變問題[4]。

3.3 有源濾波系統(tǒng)設計

根據(jù)有源濾波系統(tǒng)的實際應用原理，在其下發(fā)指令過程中主要包含無功電流與諧波，如果在控制電流過程中提供的電流信息不夠準確就無法對電流波形畸變進行處理，因此如何反饋光伏充電樁在運行過程中的無功電流和電流諧波就需要進行詳細分析。人們最早對諧波進行檢測過程中主要通過濾波器對其進行檢測，通過對特定頻率諧波信號進行收集，得到諧波電流，但是這種檢測方法在實際應用過程中如果電網(wǎng)的波形處于非正弦條件，得到的檢測結(jié)果就有較大差別，并且這種方法無法對電流進行實時檢測，對于電流的跟蹤效果不佳。因此在有源濾波系統(tǒng)設計過程中，將無功功率理論應用在單相電路中，以提升濾波檢測的精準度。

同時，要想實現(xiàn)對無功電流以及諧波的準確跟蹤，還需要保證直流側(cè)電容電壓處于一個相對穩(wěn)定的值。因此在設計過程中采用了將無功電流以及電網(wǎng)側(cè)的有功電流疊加的方式，對直流電容測的電壓進行控制。在實際應用過程中需要使用電壓外環(huán)以及電流內(nèi)環(huán)控制器實現(xiàn)雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)電容電壓的穩(wěn)定性。在電流內(nèi)環(huán)控制器設計中采用PWM控制方式中的閉環(huán)控制方式，這種方式不僅設計成本低，而且響應速度較快。而在電壓外環(huán)控制器設計中由于主電路在運行過程中會產(chǎn)生一定的損耗，因此直流側(cè)電容需要通過對電網(wǎng)中吸收有功功率來保持電壓的穩(wěn)定，通過電壓外環(huán)控制器能夠?qū)ζ潆妷哼M行穩(wěn)定[5]。

在系統(tǒng)設計完成之后，需要對系統(tǒng)進行仿真分析，借助MATLAB軟件搭建了有源濾波的仿真分析模型，通過對補償效果進行驗證，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠有效對光伏電樁充電時的電流進行跟蹤，并減低充電電流的畸變率。

4 光伏充電樁控制系統(tǒng)設計

光伏充電樁的控制系統(tǒng)主要包含主控制板、繼電器、打印機、智能電表、開關(guān)電源、急停開關(guān)等設備，通過控制系統(tǒng)能夠在滿足傳統(tǒng)充電樁基本功能之外，實現(xiàn)智能人機交互功能，其總體組成部分如圖1所示。其中主控面板是整個控制系統(tǒng)的核心控制部件，能夠確保光伏充電樁的正常運行，而在人機交互模塊中包含語音提示、打印機、指示燈、觸摸屏等部件，提升充電樁的智能化。后臺管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)充電樁的整體數(shù)據(jù)傳輸，并實現(xiàn)對充電樁的遠程控制，急停開關(guān)和浪涌保護器則是在遇到緊急情況時可以立即實現(xiàn)充電樁斷電功能。

4.1 主控面板的選擇

在設計過程中選擇STM32F103的單片機作為主控面板，該類型單片機具有一定的可拓展性，可以實現(xiàn)較多功能，比如芯片中自帶一個系統(tǒng)時間定時裝置以及兩個高級定時控制芯片和四個16位定時器，不同的定時器協(xié)同工作能夠為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供強大基礎。該芯片的硬件方面主要由Cortex-M3內(nèi)核的芯片組成，包含內(nèi)存存儲器、通用DMA1、以太網(wǎng)DMA等部分。其作為中樞處理單元能夠?qū)崿F(xiàn)對充電樁多個部件的同時控制，并且借助通過芯片上的外接接口，可以將芯片與充電樁外圍設備進行連接，即使在某個部分出現(xiàn)故障之后，也不會影響充電樁的基本使用，并且在后期維護時也容易對其故障部件進行更換。

4.2 控制導引電路

控制導引電路主要是指在充電樁為汽車提供電力過程中，對電車以及充電樁的狀態(tài)進行檢測，避免充電器意外拔出，同時需要根據(jù)充電樁的充電數(shù)據(jù)收集，對汽車電車的負荷狀態(tài)進行檢測，以便及時調(diào)整充電樁輸出電能大小。充電樁的電氣接口主要包括插頭和充電槍，充電槍的插頭排列需要按照國標GB/T 18487相關(guān)規(guī)定進行排列。

控制導引電路在運行過程中借助保護二極管對充電對象進行識別，確保充電對象為電動汽車，同時在充電過程中充電樁的電壓保持不變，始終為12V，并對PWM信號谷電壓進行檢測。在充電開始之前充電樁會對充電槍的接口進行檢測，確保充電接口以及各項設備處于正常狀態(tài)之后開始充電工作，在充電完成后會主動斷開電流。

4.3 工作電源模塊設計

在光伏充電樁系統(tǒng)運行過程中，會使用到不同電壓的工作電源，包含12V、3.3V、5V等，在220V電流經(jīng)過變流器處理之后，通過穩(wěn)壓芯片將其轉(zhuǎn)化成穩(wěn)壓直流電流，以為系統(tǒng)的各個部分提供有效電力。在充電過程中光伏充電樁需要輸出±12V的PWM信號，并且在運行過程中許多器件都需要雙電源供電，因此需要添加一個±12V的電源電路。

5 光伏發(fā)電模塊設計

5.1 光伏電池設計

在光伏發(fā)電模塊設計中太陽能電池通過半導體PN結(jié)的光生伏特效應進行工作。光伏電池的發(fā)電效率與光照強度和電池表面溫度有直接關(guān)聯(lián)，當電池表面溫度一定時，光照強度與電流輸出功率成正比關(guān)系。而電池溫度則與輸出功率成反比關(guān)系。為了提升對太陽能的利用效率，需要在光伏電池和等效負載之間并聯(lián)一個DC-DC變換器，通過對負載的抗阻值進行調(diào)整，實現(xiàn)對光伏電池最大功率點的實時跟蹤。在實際控制過程中對于最大功率點的實時跟蹤控制主要包含三種方法，分別是電導增量法、擾動觀察法以及恒壓控制法。其中恒壓控制法主要是通過對最大功率點的電壓值進行研究，將這個電壓值作為最大功率的基準點，并對電壓進行控制，使其保持在同一個運行功率中，但是這種控制方式對于太陽能利用率較低。而電導增量法則是通過控制對光伏電池的輸出P-U曲線的瞬時電導，對其進行控制。擾動觀察法則是按照一定周期，通過對電池的輸出進行擾動，對其功率進行計算。通過對比發(fā)現(xiàn)想要對光伏電池進行合理利用，需要使用電導增量法對其進行控制。

工作人員通過對電導增量法的電路圖進行了模擬，對這種方法的控制效果進行了驗證，通過分析發(fā)現(xiàn)與其他控制方法相比，在溫度和光照強度一定的條件下，通過電導增量法進行控制的發(fā)電功率是其他控制方法的3倍左右，并且這種控制方法調(diào)節(jié)時間較短，不會影響光伏電池的正常運行。

5.2 光伏板安裝

在光伏板安裝過程中需要對光伏板的傾角進行確定，最佳傾角需要工作人員結(jié)合光伏充電樁的經(jīng)緯度進行計算，通過試驗對比可知，當光伏電池朝向不同方向時產(chǎn)生的電能總量也有所不同，因此在實際布置過程中需要通過PVSYST軟件，將充電樁的高度、位置等信息輸入之后，結(jié)合當?shù)毓庹諚l件計算出最佳的傾斜角，以便獲取最大發(fā)電功率。在實際安裝過程中工作人員可以采用鋪設式光伏光熱屋頂?shù)男问綄⒐夥M件平鋪在建筑物中，這些組件不作為建筑物的一部分，其附加在建筑物之上，在使用過程中可以對光伏裝置的角度以及方位進行靈活調(diào)整，進而獲取最大發(fā)電量。同時這種鋪設方式不僅僅局限于建筑屋頂，也可以在墻面等位置進行鋪設，只是不同部位的安裝方式有所差別。

5.3 蓄電池儲能模塊

在太陽能光伏充電樁中蓄電池儲能模塊是保證充電樁穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，其不僅能夠?qū)﹄娔苓M行存儲，還可以對充電樁內(nèi)部系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，使充電樁與電網(wǎng)電壓之間趨于平衡。在蓄電池的選擇中需要使用鉛酸蓄電池，這種電池主要包含正負極極板，其正極是由二氧化鉛組成，負極則是由鉛組成，將水和酸按照一定的比例配置成電解液，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力的有效存儲，這種蓄電池體積較小，并且不會對周邊環(huán)境造成污染，在使用過程中具有較長的使用壽命。目前這種蓄電池的應用技術(shù)比較成熟，在使用和維護過程中都表現(xiàn)出良好的安全性能。同時，常用的鉛酸蓄電池對于運行環(huán)境以及容量和型號都有著不同要求，因此需要進行綜合分析，具體如表1所示。

6 結(jié)語

綜上所述，在“雙碳”背景下注重太陽能光伏充電樁的應用不僅能夠提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還可以降低對傳統(tǒng)能源的依賴，促進我國社會的可持續(xù)發(fā)展。本文通過對光伏充電樁的設計分析，在傳統(tǒng)充電樁設計的基礎上新增了太陽能充電功能，并且為了解決充電樁對電網(wǎng)的諧波污染，設計了并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)，能夠有效提升光伏電樁的穩(wěn)定性。希望通過本文的分析能夠為我國充電樁推廣與應用提供有效借鑒。

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