基于風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)的研究

張振麗

（蘭州博文科技學(xué)院電信工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730101）

近年來(lái)，我國(guó)在新能源與新型電網(wǎng)方面發(fā)展迅猛 ，但還是存在較多的問(wèn)題。同時(shí)，新能源電動(dòng)汽車的推廣使用有效地踐行了所提倡的低碳綠色出行理念。《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中明確了2025年電動(dòng)汽車至少占比20%的目標(biāo)，作為新型負(fù)載的電動(dòng)汽車正大規(guī)模迅速發(fā)展，在向大電網(wǎng)提出挑戰(zhàn)的同時(shí)，也給新能源發(fā)電的消納帶來(lái)新的機(jī)遇。

自然能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能）資源豐富，且能源利用具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)維便捷以及集成度高的優(yōu)勢(shì)，可為交通用電提供清潔的電量供給。并且清潔電能的轉(zhuǎn)換可以借助站、線路等可用空間進(jìn)行能源化開(kāi)發(fā)，形成以清潔能源為主的陸基供能系統(tǒng)。能源與交通的融合可以在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)新模式和新文明的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮不可替代的作用。

1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

由于環(huán)境因素的變化（例如有光照有風(fēng)、有光照無(wú)風(fēng)、有風(fēng)無(wú)光照以及無(wú)光無(wú)風(fēng)等因素），單純風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電環(huán)境的不確定性將造成系統(tǒng)發(fā)電與用電負(fù)荷的嚴(yán)重不平衡，因此需要對(duì)其發(fā)電系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施與控制才能投入使用。將風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電相結(jié)合并因地制宜，利用兩者在各方面所具有的互補(bǔ)性建立風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)將會(huì)在很大程度上擴(kuò)大新能源的應(yīng)用范圍，在未來(lái)新能源發(fā)電的發(fā)展與應(yīng)用中將占據(jù)重要地位。

根據(jù)環(huán)境因素的變化，將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作模式分為以下4種：1） 有光照有風(fēng)。此時(shí)光伏電池板與風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時(shí)工作，將光能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載提供能量，多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池及超級(jí)電容器中。2） 有光照無(wú)風(fēng)。此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)不工作，只有光伏電池板工作，光伏電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載提供能量，多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池及超級(jí)電容器中。3） 有風(fēng)無(wú)光照。此時(shí)光伏電池板不工作，只有風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，向負(fù)載提供能量，多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池及超級(jí)電容器中。4） 無(wú)光無(wú)風(fēng)。此時(shí)光伏電池板與風(fēng)力發(fā)電機(jī)都不工作，該模式為電池放電模式，即釋放蓄電池及超級(jí)電容器中儲(chǔ)存的電能，向負(fù)載提供能量。

2 風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)

在“雙碳”背景下，加快構(gòu)建以新能源為主題的新型電力系統(tǒng)并踐行低碳綠色出行理念，在該背景下風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)和新能源汽車再度成為熱點(diǎn)話題。采用傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行無(wú)線充電時(shí)，需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，造成電網(wǎng)穩(wěn)定能力下降和電能損耗增加的問(wèn)題，當(dāng)沒(méi)有車輛通過(guò)時(shí)，會(huì)造成電能浪費(fèi)的現(xiàn)象，而且傳統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)出的電能為工頻交流電，要為電動(dòng)汽車充電，就需要先整流，將交流電變?yōu)橹绷麟?，再轉(zhuǎn)換高頻逆變電路。相比傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電為直流電，省去了整流環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)備較少，維護(hù)檢修容易，而且可以提高電能的就地消納能力，有利于構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系。因此，該文提出將風(fēng)光互補(bǔ)與電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)清潔發(fā)電與綠色用電的目標(biāo)。

電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)不存在裸露的電線和接頭，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)與電動(dòng)汽車的非電氣接觸電能傳輸，逐漸成為研究的重要方向，無(wú)線充電分為靜態(tài)無(wú)線充電和動(dòng)態(tài)無(wú)線充電。

靜態(tài)無(wú)線充電是指在汽車停入集中充電區(qū)域后所采取的充電方式，主要適用于停車場(chǎng)、居民小區(qū)以及商場(chǎng)等，其存在充電較頻繁、續(xù)航里程短、電池用量大、需要完善的充電設(shè)施以及成本高等缺點(diǎn)。電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電是指在汽車運(yùn)行過(guò)程中所采取的充電方式，其原理為利用鋪設(shè)在地面以下的供電導(dǎo)軌以高頻85 kHz的交變磁場(chǎng)的形式將電能傳輸給在地面一定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的車輛上（接收端）的電能接收設(shè)備，進(jìn)而給汽車電池充電。動(dòng)態(tài)無(wú)線充電能夠增加電池續(xù)航里程，并延長(zhǎng)電池的使用壽命，從而提升用戶體驗(yàn)度。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、混合儲(chǔ)能、直流母線及電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)4個(gè)部分組成。圖1中，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、混合儲(chǔ)能以及電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)都與直流母線相連。風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電將產(chǎn)生的風(fēng)能和光能都轉(zhuǎn)換為電能，并匯集到直流母線上，多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池及超級(jí)電容器中，直流母線再通過(guò)由LC濾波器構(gòu)成的濾波電路、雙向DC-DC功率變換電路、全橋逆變電路、耦合變壓器以及SS諧振補(bǔ)償電路為電池充電。系統(tǒng)中的混合儲(chǔ)能部分由蓄電池、超級(jí)電容器和DC-DC功率變換電路組成。由于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)受外界影響較大，雖然采用MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制方式可以降低其輸出功率波動(dòng)，但是不能完全消除，因此在系統(tǒng)中加入混合儲(chǔ)能，其目的在于平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、高效的電能，對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的充電功率可以最大限度地保護(hù)電池，延長(zhǎng)其壽命，對(duì)電動(dòng)汽車的推廣使用具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 電路拓?fù)?/h2>

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)其電路拓?fù)鋱D，如圖2所示。系統(tǒng)的直流輸入電壓為，首先，通過(guò)4個(gè)功率MOSFET管所構(gòu)成的全橋逆變電路將工頻直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率為85 kHz的高頻交流電，再通過(guò)耦合變壓器T的原邊與副邊的線圈耦合，利用電磁感應(yīng)原理，將高頻交流電傳送到副邊，在耦合變壓器T的原邊和副邊分別設(shè)置串聯(lián)電容補(bǔ)償電路，使兩邊系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，副邊的電能經(jīng)過(guò)4個(gè)二極管所構(gòu)成的全橋整流電路將高頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過(guò)電容進(jìn)行濾波，最終向負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。

5 仿真分析

根據(jù)圖2在MATLAB/Sinulink平臺(tái)中搭建其仿真模型,如圖3所示，該仿真模型可以實(shí)現(xiàn)傳輸電能的目標(biāo)。在該模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)并進(jìn)行仿真分析就可以得到原邊與副邊電壓、電流波形。設(shè)置的系統(tǒng)仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)仿真模型

將仿真參數(shù)導(dǎo)入其仿真模型中，可以得到原邊與副邊電壓、電流波形，如圖4所示。

圖4 原邊與副邊電壓、電流波形

根據(jù)仿真分析可以得出，當(dāng)輸入電壓為380 V、負(fù)載電阻為30 Ω時(shí)，其副邊電壓大約為370 V，原邊電流為14 A，副邊電流大約為13 A，其原邊電壓與電流的相位相同，副邊電壓與電流的相位相差90°，副邊感應(yīng)的高頻交流電通過(guò)整流二極管轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，向電?dòng)汽車提供穩(wěn)定的電能，且效率能夠穩(wěn)定在90%以上。

6 結(jié)論

該文使風(fēng)光互補(bǔ)與電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)其清潔發(fā)電與綠色用電的目標(biāo)。對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)電路圖，在MATLAB/Simulink平臺(tái)中搭建風(fēng)光互補(bǔ)電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，通過(guò)合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)可以使其效率穩(wěn)定在90%以上，既能為電動(dòng)汽車和常規(guī)負(fù)荷提供高質(zhì)量的電能，又能充分利用光伏、風(fēng)電可再生能源。對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)與電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，為今后更深入地研究該系統(tǒng)提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)。