基于风光互补独立直流微电网的电动汽车无线充电示范工程

0引言
随着电动汽车的快速发展，其灵活便捷的无线充电方式将获得广泛应用。

电动汽车的快速增加，将急剧增加电网升级换代的压力，其充电的随机性，也会增加电网运行的不确定性。

此外快速充电可能会给电网带来冲击。

微电网是将可再生分布式电源、负荷和储能装置结合在一起的小型发配电系统。

建设微电网为电动汽车充电可有效解决上述电动汽车充电给电网运行带来的问题。

对独立系统，采用直流微电网，由于其能量转换装置少、结构简单、系统稳定性高而更具优势，故直流微电网在海岛、偏远的地区等获得更多应用。

目前，国内外在微电网与电动汽车充电方面已取得了一些研究成果。

分析了分布式可再生能源发电与电动汽车充电装置在微电网中集成的模式和典型结构，指出在微电网环境下可以实现二者协同增效。

计及电动汽车和光伏–储能的微电网能量管理问题，提出了兼顾光伏出力、电动汽车充放电功率、电网电价时段划分及储能能量状态的能量管理策略。

表明优化调度电动汽车可有效平抑可再生能源发电出力波动，同时降低系统网损。

建立了多目标分布式电源优化配置模型，为电动汽车和可再生能源发电在配电网的定容选址提供了参考。

本文详细介绍了依托天津市科技支撑计划建设的风光互补微电网为电动汽车无线充电示范工程，包括系统结构、规划方案、控制方案、监控系统、能量管理系统和示范工程的建设与运行。

1示范工程系统结构
示范工程系统结构见图1，风光互补直流微电网为电动汽车无线充电提供电能。

光伏6组串联4路并联发电经过DC/DC变换器升压后接到360V直流母线，风机+感应电机经AC/DC整流器，再经过DC/DC变换器升压后接到360V直流母线，蓄电池经双向DC/DC 变换器升压后接到360V直流母线，保证功率和电能供需平衡的同时维持直流母线电压恒定。

电动汽车通过高频逆变器进行无线充电，充电功率为6kW，并在直流母线留有负荷备用端口。

考虑为独立供电系统，采用不间断供电系统（UPS）从蓄电池取电，逆变为220V市电给监控一体机、照明和二次侧设备供电。

QF1、QF2、QF3、QF4、QF5为普通手动断路器，DKM1、DKM2、DKM3、DKM4、 DKM5为带电操结构的直流断路器，能够实现远程监控的分合闸操作；各个DC/DC能与上位机监控系统通信，在监控系统中实现开停机和能量管理。

图1 示范工程拓扑图
2 示范工程规划
2.1 负荷情况
风光储微电网总负荷包括：
1辆快充电动汽车电池容量13kWh，10min充1kWh电，因此充电功率6kW，一天需求电量13kWh。

二次侧仪表、监控及示范工程照明总功率200W，一天需求电量4.8kWh。

2.2 电量平衡法配置电源容量
按电量平衡计算，以最大负荷每天所消耗的电量+系统损耗，并考虑天气变化对光伏发电和风电的影响，确定需求总电量为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为基准，光伏发电量为24kWh。

由于天津示范工程建设所在地，常年平均风速较低，所以仅配置容量0.8kW，且忽略风电容量。

蓄电池按光伏所发电量减掉二次监控系统耗电量，所以蓄电池为20kWh。

2.3 功率平衡法配置变换装置容量
由负荷功率6kW，配置无线充电高频逆变器容量7kWA；由光伏最大输出功率，配置光伏侧DC/DC容量6kVA；风电AC/DC和DC/DC容量1kVA。

由最大充放电功率配置蓄电池侧双向DC/DC容量10kVA。

由负荷最大功率和系统电压等级决定蓄电池最大放电电流，由电源最大发电功率决定蓄电池最大充电电流。

由二次侧供电需求及交流负荷备用需求确定UPS容量3kVA。

2.4 拓扑结构和电压等级设计
3示范工程微电网控制系统设计
从系统稳定性和供电可靠性出发，直流微电网采用主从控制，蓄电池侧双向DC/DC稳定直流母线电压，光伏和风电均采用最大功率跟踪（MPPT）控制。

3.1 光伏发电控制
示范工程中光伏DC/DC变换器主要作用是实现光伏的最大功率跟踪，控制方法为扰动观测法。

其基本原理（见图2）是：在光伏发电单元工作时，检测其输出功率，在工作电压的基础上加一正向扰动，检测其输出功率并与之前功率相比，若功率増加则表明扰动方向正确，最大功率点在运行位置的右侧，继续向这一方向扰动；若输出功率减小，表明扰动方向错误，最大功率点在现行运行位置的左侧，向反方向扰动。

通过反复不断扰动让系统工作点不断趋近最大功率点。

图2 光伏发电MPPT控制策略
3.2 风力发电控制
风力发电在DC/DC变换器之前采用小的储能维持电压恒定，因此采用恒功率控制。

风机发出的电能经整流后给连接在AC/DC和DC/DC间的直流母线蓄电池充电，蓄电池维持该直流母线电压为48V，风机DC/DC变流器以8A的电流从蓄电池恒功率取电。

3.3 蓄电池及其充放电控制
在独立直流微电网，储能负责系统功率和能量平衡并维持直流母线电压。

同时蓄电池保证二次系统的不间断供电。

储能管理系统（battery management system，BMS）可以实时提供准确估测电池组的荷电状态（state of charge，即SOC），电池温度，充放电状态，充放电电流电压等。

蓄电池充放电控制结构见图3。

图3 蓄电池放电控制器
4监控系统
4.1 监控系统底层结构
微电网监控系统上位机采用触摸屏一体机，下位机的信号釆集采用智能模块。

该系统采用的是一对多的通信连接形式，即现场多种智能化模块挂接在RS-485总线上，然后再由RS-232/485转换器转换后连接到上位机。

另一种是多种智能仪表连接在同一个交换机上，然后通过网线连接到上位机。

远程监控使用GPRS服务平台。

其结构见图4。

图4 监控系统底层结构
4.2 监控系统软件结构
微电网监控系统的上位机开发软件选择北京亚控公司的KingView6.55组态软件。

软件采用模块化设计方法，上下位机相互通信，结构化简见图5。

图5 监控系统软件结构
4.3 系统通信方式
本系统中所有智能模块的通信分为2种通信方式，一种是采用Modbus RTU的通信协议，另一种是采用Modbus TCP/IP的通信协议。

2种不同的通信协议在数据帧组成和组态软件里设置都有所不同。

但都使用了主从命令模式，即主机发送读或写命令给从机，然后从机对主机做出相关响应，回馈数据内容或者置位寄存器。

5 能量管理方案
独立微电网能量管理方案如下。

本系统根据蓄电池BMS上传的SOC来管理光伏、风机和负荷侧变流器的开停机。

根据实际运行情况，将SOC分为3个节点0.95、0.7 和0.2进行能量管理。

具体管理算法如下：
（1）当上位机检测到SOC=0.95为了防止蓄电池过充电，分2种情况：
1）如果有负荷用电，并且SOC持续上升到0.98，监控系统发出警报，并且下发指令自动对光伏侧和风机侧的DC/DC进行停机。

2）如果没有负荷用电，监控系统立即下发指令自动对光伏侧和风机侧的DC/DC进行停机。

（2）当光伏和风机侧DC/DC都停机时，由于有负荷和UPS侧用电，SOC会逐渐下降，当监控系统检测到SOC=0.7时，系统下发指令自动对光伏侧和风机侧的DC/DC进行开机。

（3）正常天气下，系统会在步骤1和步骤2的情况下重复循环。

（4）当SOC=0.14时，整个系统停止运行。

由于之前已经短信通知操作人员系统停止工作，操作人员只需要适时的重合闸给蓄电池充电。

6无线传能系统关键技术
6.1 电动汽车无线充电耦合机构的磁屏蔽设计
为降低电动汽车无线充电耦合机构工作时对非工作区域内电磁环境的影响，并提高耦合效率，对电动汽车无线充电耦合线圈设计了一套磁屏蔽结构（见图6）。

该屏蔽结构采用锰锌软磁铁氧体材料，可工作于高频磁场下，且具有高磁导率。

不同于单个磁屏蔽板的屏蔽结构，该磁屏蔽设计采用多个铁氧体单元阵列拼接的铺设方式，避免了在强磁场条件时铁氧体
材料发生饱和而不能达到屏蔽要求的弊端。

与单个屏蔽体相比，该设计具有更高的屏蔽性能，能够将工作区域意外的磁场衰减到更低的程度。

图6 带磁屏蔽的平面盘式传能机构
6.2 电动汽车无线充电紧-强耦合模式分析
针对感应耦合结构近距离、弱偏移，以及谐振耦合式结构易受干扰的问题，兼并耦合系数和品质因数两方面因素，设计了紧–强耦合协同耦合机构（拓扑图见图7）。

该机构有助于提高单一接收线圈的负载品质因数，增强了对距离偏移的兼容性；相比于中继线圈，有效减小了耦合机构的体积，节省了空间，解决了中继线圈不能改善线圈品质因数的缺点。

通过建立无线充电系统的数学模型，研究其传输特性随品质因数和耦合系数的变化规律。

基于有限元仿真，分析了系统的动态传输特性。

通过搭建实验平台对仿真过程进行实验验证，证明了所设计耦合机构的可行性。

图7 紧-强耦合协同工作线圈机构电路拓扑图
7示范工程建设
7.1 实验室建设
为完成示范工程的建设，前期进行了微电网和无线充电的实验研究，所采用实验方案见图8、图9。

图8 微电网实验系统
图9 无线传能实验系统
7.2 示范工程建设
依据实测场址风光数据建设了风光互补微电网为电动汽车无线充电系统的示范工程，实现了电动汽车的可靠快速充电。

示范工程见图10至图14。

图10 示范工程
图11 电动汽车无线充电
图12 示范工程变流柜
图13 监控系统主界面
图14 电动汽车无线充电监控显示
电动汽车充电时，光伏输出功率、蓄电池输出功率、电动汽车充电功率、直流母线电压、UPS端口电压见图15至图19。

图15 光伏输出功率
图16 储能输出功率
图17 电动汽车充电功率
图18 直流母线电压
图19 UPS电压波形
8结语
本文介绍了风光互补微电网为电动汽车无线充电示范工程的建设情况。

包括系统规划、控制、监控、能量管理、工程建设与系统运行。

该系统具有以下特征：
（1）主电网是直流系统，电力变换环节少，电能利用效率高。

（2）控制系统采用主从结构，系统稳定性好。

（3）监控和能量管理系统能完成实时和远程监控，实现了监控和能量管理的自动化。

（4）很好地实现了绿色能源为电动汽车灵活快速充电。