基于風(fēng)光互補(bǔ)的微電網(wǎng)電動車無線充電的研究

蔣義然 保定理工學(xué)院 吳輝 北京三一重能有限公司

引言

電動汽車充電問題是制約電動汽車迅速發(fā)展的關(guān)鍵性問題之一。采用微電網(wǎng)利用新能源為電動汽車供電，不僅可以促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還可緩解目前的環(huán)境污染問題。本文對風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行研究，將電動汽車無線充電并入微電網(wǎng)中，采取獨(dú)立供電方式，采用分層控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)為電動汽車無線充電的目的。

一、風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動汽車無線充電系統(tǒng)及其控制策略研究

為充分研究風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動汽車無線充電系統(tǒng)各部分的原理及運(yùn)行特性建立系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1,對系統(tǒng)的各部分分別進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上設(shè)計控制策略，包括上層中心控制器和底層控制器。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的一次部分主要由(1)光伏發(fā)電單元和蓄電池儲能裝置；（2）永磁風(fēng)力發(fā)電單元；(3)無線充電部分；(4)負(fù)荷和車載電池等組成。

(1)光伏發(fā)電部分包括光伏發(fā)電單元、DC/DC 變換器和蓄電池單元，光伏發(fā)電單元與通過雙向DC/DC 變換器進(jìn)行充放電控制的蓄電池并聯(lián)在直流母線上。

(2)永磁風(fēng)力發(fā)電部分包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、AC/DC 變換器及DC/DC 變換器共同組成，風(fēng)力機(jī)帶動永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電,AC/DC 變換器將永磁發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電整流成直流電,控制DC/DC 變換器輸出的整流電壓，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的MPPT 運(yùn)行。

(3)無線充電部分包括DC/DC 變換器、DC/AC 高頻逆變器、收發(fā)線圈及相應(yīng)調(diào)諧電容。光伏微電網(wǎng)發(fā)出的電能經(jīng)DC/DC 變換器、DC/AC 高頻逆變器逆變?yōu)?0kHz 高頻電壓為無線傳輸系統(tǒng)發(fā)射端供電,諧振式系統(tǒng)將電能高效地傳到接收端為下級負(fù)荷供電。

(4)車載電池系統(tǒng)包括AC/DC 整流器、DC/DC 變換器和車載電池,AC/DC 整流器將20kHz 高頻電壓變換成直流,通過DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)車載電池的充電控制。

二次部分的控制系統(tǒng)主要包括上層中心控制器和底層控制器。上層中心控制器主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行判斷、選擇和底層控制器的選擇及參數(shù)設(shè)置；底層控制器包括蓄電池充放電控制器、永磁風(fēng)力發(fā)電MPPT 控制器、高頻逆變器側(cè)直流母線端電壓控制器和車載電池充電控制器。在上層中心控制器和底層控制器的協(xié)調(diào)工作下,風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)通過無線充電系統(tǒng)為電動汽車充電提供穩(wěn)定、高效的電能。

二、系統(tǒng)仿真模型建立

為驗證所設(shè)計控制策略的合理性與可行性,本文使用Matlab/Simulink 軟件對圖1 所示的風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真。首先在Matlab/Simulik 對系統(tǒng)各部分分別建模,包括：(1)光伏發(fā)電單元；（2）巧永磁風(fēng)力發(fā)電單元；(3)無線充電部分；(4)電動汽車車載電池,并對各部分進(jìn)行控制器設(shè)計,在此基礎(chǔ)上設(shè)計中心控制器,最后對系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真。

(1）光伏發(fā)電仿真模型

對一天光照強(qiáng)度進(jìn)行模擬,設(shè)定溫度為25oC,,根據(jù)德國能源研究所多年的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)為依據(jù),得到不同光照下,光伏對應(yīng)輸出的Pmpp-Umpp 數(shù)據(jù),建立如圖2 所示的仿真模型,光伏單元額定發(fā)電功率為lOOkW。

圖2 光伏發(fā)電仿真模型

(2）風(fēng)力發(fā)電仿真模型

由于本文所選擇風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)容量相對于光伏較小,所以通過對光伏的輸出功率來有效維持整個系統(tǒng)的功率平衡。永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真模型如圖3 所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電仿真模型

(3）無線電能傳輸仿真模型

無線電能傳輸系統(tǒng)根據(jù)車載電池充電要求,將來自直流母線的不穩(wěn)定的電壓通過DC/DC 降壓變換器整合成相應(yīng)穩(wěn)定電壓給發(fā)射端供電，經(jīng)AC/DC 整流器濾波電容C 后為車載電池供電。無線電能傳輸仿真模型如圖4 所示

圖4 無線電能傳輸仿真模型

(4）車載電池仿真模型

車載電池模型如圖5 所示，主要包括車載電池和DC/DC 充電控制器,其中蓄電池由192 節(jié)電池串聯(lián)而成，總?cè)萘繛閘00Ah，額定電壓為384V，并且本文搭建的模型能夠顯示電池的充電狀態(tài)。

圖5 車載電池仿真模型

三、系統(tǒng)仿真分析

對風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)為電動汽車無線充電整體系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析,表明在所設(shè)的分層控制器的控制之下，無論光照、風(fēng)速、電動汽車的接入數(shù)量和功率如何變化，系統(tǒng)均能為電動汽車無線充電和負(fù)荷提供穩(wěn)定、可靠的電能。