基于風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立直流微電網(wǎng)的電動(dòng)汽車無線充電示范工程

0引言隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，其靈活便捷的無線充電方式將獲得廣泛應(yīng)用。電動(dòng)汽車的快速增加，將急劇增加電網(wǎng)升級(jí)換代的壓力，其充電的隨機(jī)性，也會(huì)增加電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性。此外快速充電可能會(huì)給電網(wǎng)帶來沖擊。微電網(wǎng)是將可再生分布式電源、負(fù)荷和儲(chǔ)能裝置結(jié)合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)。建設(shè)微電網(wǎng)為電動(dòng)汽車充電可有效解決上述電動(dòng)汽車充電給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的問題。對(duì)獨(dú)立系統(tǒng)，采用直流微電網(wǎng)，由于其能量轉(zhuǎn)換裝置少、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性高而更具優(yōu)勢(shì)，故直流微電網(wǎng)在海島、偏遠(yuǎn)的地區(qū)等獲得更多應(yīng)用。目前，國內(nèi)外在微電網(wǎng)與電動(dòng)汽車充電方面已取得了一些研究成果。分析了分布式可再生能源發(fā)電與電動(dòng)汽車充電裝置在微電網(wǎng)中集成的模式和典型結(jié)構(gòu)，指出在微電網(wǎng)環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)二者協(xié)同增效。計(jì)及電動(dòng)汽車和光伏–儲(chǔ)能的微電網(wǎng)能量管理問題，提出了兼顧光伏出力、電動(dòng)汽車充放電功率、電網(wǎng)電價(jià)時(shí)段劃分及儲(chǔ)能能量狀態(tài)的能量管理策略。表明優(yōu)化調(diào)度電動(dòng)汽車可有效平抑可再生能源發(fā)電出力波動(dòng)，同時(shí)降低系統(tǒng)網(wǎng)損。建立了多目標(biāo)分布式電源優(yōu)化配置模型，為電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)電在配電網(wǎng)的定容選址提供了參考。本文詳細(xì)介紹了依托天津市科技支撐計(jì)劃建設(shè)的風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電示范工程，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃方案、控制方案、監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)和示范工程的建設(shè)與運(yùn)行。1示范工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示范工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，風(fēng)光互補(bǔ)直流微電網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電提供電能。光伏6組串聯(lián)4路并聯(lián)發(fā)電經(jīng)過DC/DC變換器升壓后接到360V直流母線，風(fēng)機(jī)+感應(yīng)電機(jī)經(jīng)AC/DC整流器，再經(jīng)過DC/DC變換器升壓后接到360V直流母線，蓄電池經(jīng)雙向DC/DC變換器升壓后接到360V直流母線，保證功率和電能供需平衡的同時(shí)維持直流母線電壓恒定。電動(dòng)汽車通過高頻逆變器進(jìn)行無線充電，充電功率為6kW，并在直流母線留有負(fù)荷備用端口。考慮為獨(dú)立供電系統(tǒng)，采用不間斷供電系統(tǒng)（UPS）從蓄電池取電，逆變?yōu)?20V市電給監(jiān)控一體機(jī)、照明和二次側(cè)設(shè)備供電。QF1、QF2、QF3、QF4、QF5為普通手動(dòng)斷路器，DKM1、DKM2、DKM3、DKM4、

DKM5為帶電操結(jié)構(gòu)的直流斷路器，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的分合閘操作；各個(gè)DC/DC能與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，在監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)開停機(jī)和能量管理。圖1示范工程拓?fù)鋱D2示范工程規(guī)劃2.1負(fù)荷情況風(fēng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)總負(fù)荷包括：1輛快充電動(dòng)汽車電池容量13kWh，10min充1kWh電，因此充電功率6kW，一天需求電量13kWh。二次側(cè)儀表、監(jiān)控及示范工程照明總功率200W，一天需求電量4.8kWh。2.2電量平衡法配置電源容量按電量平衡計(jì)算，以最大負(fù)荷每天所消耗的電量+系統(tǒng)損耗，并考慮天氣變化對(duì)光伏發(fā)電和風(fēng)電的影響，確定需求總電量為24kWh，需配置光伏最大功率6kWp。因此光伏平均功率4kW，按每天出力6h為基準(zhǔn)，光伏發(fā)電量為24kWh。由于天津示范工程建設(shè)所在地，常年平均風(fēng)速較低，所以僅配置容量0.8kW，且忽略風(fēng)電容量。蓄電池按光伏所發(fā)電量減掉二次監(jiān)控系統(tǒng)耗電量，所以蓄電池為20kWh。2.3功率平衡法配置變換裝置容量由負(fù)荷功率6kW，配置無線充電高頻逆變器容量7kWA；由光伏最大輸出功率，配置光伏側(cè)DC/DC容量6kVA；風(fēng)電AC/DC和DC/DC容量1kVA。由最大充放電功率配置蓄電池側(cè)雙向DC/DC容量10kVA。由負(fù)荷最大功率和系統(tǒng)電壓等級(jí)決定蓄電池最大放電電流，由電源最大發(fā)電功率決定蓄電池最大充電電流。由二次側(cè)供電需求及交流負(fù)荷備用需求確定UPS容量3kVA。2.4拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電壓等級(jí)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)穩(wěn)定性出發(fā)，采用直流微電網(wǎng)。根據(jù)無線充電高頻逆變器的電壓需求和微電網(wǎng)側(cè)各變頻器電壓變換需求，確定直流母線電壓為360V。風(fēng)光互補(bǔ)直流微電網(wǎng)中光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能蓄電池的配置容量見表1。表1

示范工程容量配置Table1?Capacity

of

demonstration

project設(shè)備名稱容量光伏6kWp風(fēng)電0.8kWp蓄電池2V，100Ah，20kWh100節(jié)光伏側(cè)DC/DC180/360V，6kVA蓄電池雙向DC/DC10kVA風(fēng)電DC/DC1kVAUPS3kVA控制柜包括直流斷路器和交流斷路器避雷器220V3示范工程微電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)穩(wěn)定性和供電可靠性出發(fā)，直流微電網(wǎng)采用主從控制，蓄電池側(cè)雙向DC/DC穩(wěn)定直流母線電壓，光伏和風(fēng)電均采用最大功率跟蹤（MPPT）控制。3.1光伏發(fā)電控制示范工程中光伏DC/DC變換器主要作用是實(shí)現(xiàn)光伏的最大功率跟蹤，控制方法為擾動(dòng)觀測(cè)法。其基本原理（見圖2）是：在光伏發(fā)電單元工作時(shí)，檢測(cè)其輸出功率，在工作電壓的基礎(chǔ)上加一正向擾動(dòng)，檢測(cè)其輸出功率并與之前功率相比，若功率増加則表明擾動(dòng)方向正確，最大功率點(diǎn)在運(yùn)行位置的右側(cè)，繼續(xù)向這一方向擾動(dòng)；若輸出功率減小，表明擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，最大功率點(diǎn)在現(xiàn)行運(yùn)行位置的左側(cè)，向反方向擾動(dòng)。通過反復(fù)不斷擾動(dòng)讓系統(tǒng)工作點(diǎn)不斷趨近最大功率點(diǎn)。圖2光伏發(fā)電MPPT控制策略3.2風(fēng)力發(fā)電控制風(fēng)力發(fā)電在DC/DC變換器之前采用小的儲(chǔ)能維持電壓恒定，因此采用恒功率控制。風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)整流后給連接在AC/DC和DC/DC間的直流母線蓄電池充電，蓄電池維持該直流母線電壓為48V，風(fēng)機(jī)DC/DC變流器以8A的電流從蓄電池恒功率取電。3.3蓄電池及其充放電控制在獨(dú)立直流微電網(wǎng)，儲(chǔ)能負(fù)責(zé)系統(tǒng)功率和能量平衡并維持直流母線電壓。同時(shí)蓄電池保證二次系統(tǒng)的不間斷供電。儲(chǔ)能管理系統(tǒng)（battery

management

system，BMS）可以實(shí)時(shí)提供準(zhǔn)確估測(cè)電池組的荷電狀態(tài)（state

of

charge，即SOC），電池溫度，充放電狀態(tài)，充放電電流電壓等。蓄電池充放電控制結(jié)構(gòu)見圖3。圖3蓄電池放電控制器4監(jiān)控系統(tǒng)4.1監(jiān)控系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)采用觸摸屏一體機(jī)，下位機(jī)的信號(hào)釆集采用智能模塊。該系統(tǒng)采用的是一對(duì)多的通信連接形式，即現(xiàn)場(chǎng)多種智能化模塊掛接在RS-485總線上，然后再由RS-232/485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后連接到上位機(jī)。另一種是多種智能儀表連接在同一個(gè)交換機(jī)上，然后通過網(wǎng)線連接到上位機(jī)。遠(yuǎn)程監(jiān)控使用GPRS服務(wù)平臺(tái)。其結(jié)構(gòu)見圖4。圖4監(jiān)控系統(tǒng)底層結(jié)構(gòu)4.2監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)開發(fā)軟件選擇北京亞控公司的KingView6.55組態(tài)軟件。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，上下位機(jī)相互通信，結(jié)構(gòu)化簡見圖5。圖5監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)4.3系統(tǒng)通信方式本系統(tǒng)中所有智能模塊的通信分為2種通信方式，一種是采用Modbus

RTU的通信協(xié)議，另一種是采用Modbus

TCP/IP的通信協(xié)議。2種不同的通信協(xié)議在數(shù)據(jù)幀組成和組態(tài)軟件里設(shè)置都有所不同。但都使用了主從命令模式，即主機(jī)發(fā)送讀或?qū)懨罱o從機(jī)，然后從機(jī)對(duì)主機(jī)做出相關(guān)響應(yīng)，回饋數(shù)據(jù)內(nèi)容或者置位寄存器。5能量管理方案獨(dú)立微電網(wǎng)能量管理方案如下。本系統(tǒng)根據(jù)蓄電池BMS上傳的SOC來管理光伏、風(fēng)機(jī)和負(fù)荷側(cè)變流器的開停機(jī)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，將SOC分為3個(gè)節(jié)點(diǎn)0.95、0.7

和0.2進(jìn)行能量管理。具體管理算法如下：（1）當(dāng)上位機(jī)檢測(cè)到SOC=0.95為了防止蓄電池過充電，分2種情況：1）如果有負(fù)荷用電，并且SOC持續(xù)上升到0.98，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并且下發(fā)指令自動(dòng)對(duì)光伏側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)的DC/DC進(jìn)行停機(jī)。2）如果沒有負(fù)荷用電，監(jiān)控系統(tǒng)立即下發(fā)指令自動(dòng)對(duì)光伏側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)的DC/DC進(jìn)行停機(jī)。（2）當(dāng)光伏和風(fēng)機(jī)側(cè)DC/DC都停機(jī)時(shí)，由于有負(fù)荷和UPS側(cè)用電，SOC會(huì)逐漸下降，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)到SOC=0.7時(shí)，系統(tǒng)下發(fā)指令自動(dòng)對(duì)光伏側(cè)和風(fēng)機(jī)側(cè)的DC/DC進(jìn)行開機(jī)。（3）正常天氣下，系統(tǒng)會(huì)在步驟1和步驟2的情況下重復(fù)循環(huán)。（4）當(dāng)SOC=0.14時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。由于之前已經(jīng)短信通知操作人員系統(tǒng)停止工作，操作人員只需要適時(shí)的重合閘給蓄電池充電。6無線傳能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)6.1電動(dòng)汽車無線充電耦合機(jī)構(gòu)的磁屏蔽設(shè)計(jì)為降低電動(dòng)汽車無線充電耦合機(jī)構(gòu)工作時(shí)對(duì)非工作區(qū)域內(nèi)電磁環(huán)境的影響，并提高耦合效率，對(duì)電動(dòng)汽車無線充電耦合線圈設(shè)計(jì)了一套磁屏蔽結(jié)構(gòu)（見圖6）。該屏蔽結(jié)構(gòu)采用錳鋅軟磁鐵氧體材料，可工作于高頻磁場(chǎng)下，且具有高磁導(dǎo)率。不同于單個(gè)磁屏蔽板的屏蔽結(jié)構(gòu)，該磁屏蔽設(shè)計(jì)采用多個(gè)鐵氧體單元陣列拼接的鋪設(shè)方式，避免了在強(qiáng)磁場(chǎng)條件時(shí)鐵氧體材料發(fā)生飽和而不能達(dá)到屏蔽要求的弊端。與單個(gè)屏蔽體相比，該設(shè)計(jì)具有更高的屏蔽性能，能夠?qū)⒐ぷ鲄^(qū)域意外的磁場(chǎng)衰減到更低的程度。圖6帶磁屏蔽的平面盤式傳能機(jī)構(gòu)6.2

電動(dòng)汽車無線充電緊-強(qiáng)耦合模式分析針對(duì)感應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)近距離、弱偏移，以及諧振耦合式結(jié)構(gòu)易受干擾的問題，兼并耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)兩方面因素，設(shè)計(jì)了緊–強(qiáng)耦合協(xié)同耦合機(jī)構(gòu)（拓?fù)鋱D見圖7）。該機(jī)構(gòu)有助于提高單一接收線圈的負(fù)載品質(zhì)因數(shù)，增強(qiáng)了對(duì)距離偏移的兼容性；相比于中繼線圈，有效減小了耦合機(jī)構(gòu)的體積，節(jié)省了空間，解決了中繼線圈不能改善線圈品質(zhì)因數(shù)的缺點(diǎn)。通過建立無線充電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究其傳輸特性隨品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)的變化規(guī)律?；谟邢拊抡?，分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳輸特性。通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所設(shè)計(jì)耦合機(jī)構(gòu)的可行性。圖7緊-強(qiáng)耦合協(xié)同工作線圈機(jī)構(gòu)電路拓?fù)鋱D7示范工程建設(shè)7.1實(shí)驗(yàn)室建設(shè)為完成示范工程的建設(shè)，前期進(jìn)行了微電網(wǎng)和無線充電的實(shí)驗(yàn)研究，所采用實(shí)驗(yàn)方案見圖8、圖9。圖8微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖9無線傳能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)7.2示范工程建設(shè)依據(jù)實(shí)測(cè)場(chǎng)址風(fēng)光數(shù)據(jù)建設(shè)了風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的示范工程，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的可靠快速充電。示范工程見圖10至圖14。圖10

示范工程圖11電動(dòng)汽車無線充電圖12

示范工程變流柜圖13監(jiān)控系統(tǒng)主界面圖14電動(dòng)汽車無線充電監(jiān)控顯示電動(dòng)汽車充電時(shí)，光伏輸出功率、蓄電池輸出功率、電動(dòng)汽車充電功率、直流母線電壓、UPS端口電壓見圖15至圖19。圖15光伏輸出功率圖16儲(chǔ)能輸出功率圖1