CN106427640A - 分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化*** - Google Patents

分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，该***包括分布式能源发电***、共振磁耦合无线电能传输***和电动汽车（EV）。分布式能源发电***与共振磁耦合无线电能传输***通过直流微电网的形式构成一个有机的整体***，配以储能***及相关电气设备，通过适当的连接方式集中在一起，进而满足电动汽车充电需求和可再生能源的特性调节，实现电动汽车对可再生能源的就地消纳利用。本发明解决了分布式能源并网产生的诸多问题，避免了大量电动汽车***电网充电对电网结构及运行造成的巨大压力。本发明采用共振磁耦合无线电能传输技术为电动汽车供能，避免了传导充电方式存在的弊端，有助于推进电动汽车的推广。

Description

分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体 化***
技术领域
本发明属于电动汽车无线供电技术领域，尤其涉及一种分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***。
背景技术
与大型可再生能源发电接入于输电网，需要远距离传输不同，可再生分布式发电靠近负载端，能够有效降低输电损耗，具有小而灵活、效率高、投资成本低等优点，是智能电网的重要发展方向之一。但是由于分布式发电受地理位置及天气条件等因素的影响，间歇性较强，输出功率不太稳定且时间上与负荷波动也不一致，造成峰谷差大，对电网的调容、调压能力要求较高。而且目前储能***的容量也有限，不能长时间提供功率以应对分布式发电容量的不足分布式发电需要10%~20%的备用容量。因此，分布式发电在一定程度上受到了限制。
随着电动汽车的大规模发展，由于车主的充电行为往往比较随机，大量电动汽车***电网充电必定会对电网结构及运行造成巨大的压力，影响电网的安全、经济运行，需要对其引导控制。
同时动力电池一直是电动汽车发展的最大制约因素，电动汽车电池充电目前一般采用两种基本方法：接触式充电和感应耦合式充电。目前，电动汽车充电站桩采用的都是传导充电的接触充电模式，车辆处于静止状态，使用充电电缆将电能从供电设备传送至电池组中。这导致充电站存在以下几个缺点：充电时间长；充电线笨重，且需要频繁插拔；充电电流较大尤其是在快速充电模式下电流可达上百安培，在雨天充电或者出现电缆老化时存在着安全隐患；电池组昂贵，且寿命较短；充电桩接口频繁插拔，需要频繁更换，可维护性差。感应充电所存在的一个较大缺点即其传输距离过短，一般工业产品的有效传输距离只有2-3cm，而且需要机械装置将汽车停在合适的位置与充电线圈对准。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***。本发明就近利用分布式能源对电动汽车进行供电，解决了分布式能源并网产生的诸多问题，避免了大量电动汽车***电网充电对电网结构及运行造成巨大的压力，同时采用磁共振耦合无线电能传输技术，避免了传导充电方式存在的弊端，极大地推动电动汽车的发展。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是，包括：
分布式能源发电***：基于光伏或风力或两者结合进行发电；
磁共振耦合无线电能传输***：将分布式能源发电***产生电能传输给电动汽车；
直流微电网：设置在分布式能源发电***、储能***、配电网和磁共振耦合无线电能传输***之间，用于将分布式能源发电***产生的直流电进行DC/AC转换后通过磁共振耦合无线电能传输***输送给电动汽车；
储能***：将电动汽车行驶时，将动能产生的电能通过直流微电网传输至储能***存储，并可以在电动汽车电力匮乏时，通过直流微电网给电动汽车充电。
分布式能源发电***产生的电能供给电动汽车充电还有剩余的情况下，通过直流微电网给储能***储存或者在电网用电高峰时通过DC/AC转换输送给电网；在分布式能源发电***产生的电能不足以给电动汽车充电时，储能***将释放储存的能量进行DC/AC转换后通过共振磁耦合无线电能传输***输送给电动汽车充电，如果还不够则由配电网电能补充；在电网用电量低谷时也可将电网多于电量通过直流微电网给储能***储存。在没有电动汽车充电，或者分布式能源产生的电能多于电动汽车充电所需电能时，多于的电能通过直流微电网给储能***充电，或者输送给电网
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述直流微电网包括直流母线以及连接在直流母线与磁共振耦合无线电能传输***之间若干的DC/AC转换装置；以及连接在直流母线与分布式能源发电***、分布式能源发电***、储能***、配电网之间的若干DC/AC转换装置和若干DC/DC转换装置；所述储能***通过DC/DC转换装置与直流母线连接。
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述分布式能源发电***与所述磁共振耦合无线电能传输***之间通过所述直流母线和所述变流装置相关联。所述分布式能源发电***输出的电能依次经过所述变流装置、所述直流母线、再经过所述变流装置，最后进入所述磁共振耦合无线电能传输***，为电动汽车供电。
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述储能***输出的电能经过所述变流装置进入所述直流母线，然后经过所述变流装置，最后经过所述磁共振耦合无线电能传输***，为电动汽车供电。
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述***给电动汽车供电的优先级别由高至低依次为：分布式能源发电***、储能***以及配电网；当分布式能源发电***和储能***能源都不足以给电动汽车供电时，由配电网通过共振磁耦合无线电能传输***给电动汽车供电。
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述分布式能源发电***进一步包括光伏发电***、风力发电***和风光互补发电***。光伏发电***和风力发电***可以分别单独供电，也可依据风光最佳配比，形成风光互补发电***进行供电。
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述风光互补发电***进一步包括发电环节、变换控制环节、和电能存储环节。
在上述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，所述磁共振耦合无线电能传输***包括依次连接的整流滤波模块、功率振荡模块、跟踪控制模块；用于给电动汽车充电的电磁场发射单元与功率振荡模块连接。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：1、利用可再生能源发电可降低电动汽车对化石燃料的依赖，实现真正意义上的低碳。2、电动汽车与可再生能源通过微电网集成，通过电动汽车充电的可调节特性，能协助解决可再生能源的间歇性问题，降低储能***成本。3、采用直流微网结构，可再生能源与直流母线之间仅需一级电压变换装置，建设成本经济，电力传输效率较高。各种可再生能源之间的同步问题、环流抑制问题能得到更好的解决。直流连接本质上没有谐波因素干扰，因此具有更好的电能质量。4、就近利用分布式能源对电动汽车进行供电，解决了分布式能源并网产生的诸多问题，同时避免了大量电动汽车***电网充电对电网结构及运行造成巨大的压力。5、分布式能源与电动汽车接入配电网，两者进行协调互补，可以更灵活、更方便地调整电网的运行状态。6、在单独利用光伏发电和风力发电的基础上，进一步提出风光互补发电***，克服单纯的风力发电和光伏发电***夏季日照条件好，但是风力较弱，冬季风力较强，但是日照弱的缺点，可满足持续供电的需求，提高了***的经济性和运行可靠性。7、采用磁共振耦合无线供电方式，实现电源到车载电池组的非接触式新型电能接入模式，为电动汽车提供实时的电能供给，克服传统供电方式成本高、可靠性低等问题，提高了电能补给的便捷性和安全性，对电动汽车发展提供有力的支持。
附图说明
图1是本发明的整体功能结构示意图。
图2是风光互补发电***结构示意图。
图3是磁共振耦合无线电能传输***结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。
图1所示为分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***的整体功能结构示意图。分布式能源发电***1包含光伏发电***、风力发电***和风光互补发电***。光伏发电***和风力发电***可以单独进行供电，也可以考虑光伏发电和风力发电之间的互补性，将两者相结合，依据风光最佳配比，形成风光互补发电***进行供电，实现***最大功率的输出。
风力发电机组产生的交流电通过AC/DC变流装置变成直流电，进入直流母线3，然后通过DC/AC变流装置变成交流电为磁共振耦合无线电能传输***2供能，磁共振耦合无线电能传输***2利用磁共振耦合的方式为电动汽车充电。
光伏组件输出的直接是直流电流，经过DC/DC变流装置后进入直流母线3，然后通过DC/AC变流装置变成交流电为磁共振耦合无线电能传输***2供能，利用磁共振耦合的方式为电动汽车充电。
风光互补发电***输出的电流为经过变换的直流电，可直接进入直流母线3，然后通过DC/AC变流装置变成交流电为磁共振耦合无线电能传输***2供能，利用磁共振耦合的方式为电动汽车充电。
储能***输出的电流通过DC/DC变流装置进入直流母线3，然后通过DC/AC变流装置变成交流电为磁共振耦合无线电能传输***2供能，利用磁共振耦合的方式为电动汽车充电。
电动汽车既可作为负荷充电，又可作为电源发电。在分布式发电充足时，可以对电动汽车进行充电储能；而在分布式发电不足时，电动汽车可以回馈电能。电动汽车发出的电能依次经过磁共振耦合无线电能传输***2、AC/DC变流装置，进入直流母线3，可以调节母线电压，协助解决可再生能源的间歇性问题，或进一步通过DC/DC变流装置进入储能***4储能。
通过对交流母线公共连接点PCC端口开关的控制，可以实现微网并网与孤岛运行模式的转换。电动汽车不仅可在微网中充电，也可在某些时段向配电网释放电能，通过优化充放电管理，电动汽车可作为储能***来增强电网接纳间歇性电源的能力。同时，分布式发电***1不仅可以就近为电动汽车充电，也可通过开关控制并入配电网，与电动汽车进行协调互补，可以更灵活、更方便地调整电网的运行状态。
如图2所示，风光互补发电***包含发电环节、变换控制环节、和电能存储环节。发电环节由风力发电机和太阳能光伏组件组成，产生电能。变换控制环节由整流器和变换器组成。电能存储环节由蓄电池组成。风力发电机组产生的三相交流电通过不可控三相整流器变成直流电，经过滤波器后送入DC/DC变换器，最后进入直流母线3。光伏组件输出的直接是直流电流，在电池组输出的直流出口接一个防反二极管以防止反向电压损坏光伏电池板，再经过DC/DC变换器，最后进入直流母线3。其中的DC/DC变换环节是最大功率的控制环节，通过最大功率跟踪MPPT跟踪控制，调节变换器的占空比可以实现最大功率跟踪，实现***最大功率的输出。电能存储环节中蓄电池承担了能量的储存工作，是储能的核心单元，储存的能量可以用来在由于天气原因风光互补***不能供电时作为备用电源提供给负载，在整个***中起着平衡发电***电能输出和荷载部分电能需求的重要作用。
风光互补发电***中控制的核心就是最大功率跟踪MPPT跟踪控制，本质是寻求最优输出值的过程，在不同的气象条件和环境下通过调节***的参数，实现***最大功率的输出，达到能量的最大利用。同时也应当保护蓄电池的安全工作，防止电池因过充过放造成损坏。
如图3所示，磁共振耦合无线电能传输***2，由整流滤波模块、功率振荡模块、跟踪控制模块和电磁场发射单元四个部分组成。直流母线3的直流电经过DC/AC变流装置后变为交流电，进入整流滤波模块。整流滤波模块进一步包括整流模块和滤波模块，整流模块用来将交流电整流为直流电，滤波模块用来消除整流模块输出直流电中高次谐波，从而输出恒定电压直流电。功率震荡模块用来将整流滤波模块输出的恒定电压直流电转换为适应负载频率要求的交变电流，可依照实际需求调整输出交变电流的频率。跟踪控制模块用来定位电动汽车行驶时的位置，并向功率振荡模块发出信号。
跟踪控制模块根据电动汽车位置信息，做出工作决策，并向功率振荡模块发出控制命令，使之与电磁场发射单元连接，实现电动汽车到达充电点时，电磁场发射单元处于工作状态。同时，跟踪控制模块也可依据电动汽车位置信息，向功率振荡模块发出控制命令，使之切断与电磁场发射单元的连接，确保电动汽车离开充电点时，电磁场发射单元处于停止工作状态。
电磁场发射单元中发射线圈埋设于地面下，与地面所在平面平行，用来发射调谐电路产生的交变电磁场。

Claims (8)

1.分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是，包括：
分布式能源发电***（1）：基于光伏或风力或两者结合进行发电；
共振磁耦合无线电能传输***（2）：将分布式能源发电***（1）产生电能传输给电动汽车；
直流微电网：设置在分布式能源发电***（1）和共振磁耦合无线电能传输***（2）之间，用于将分布式能源发电***（1）产生的直流电进行DC/AC转换后通过共振磁耦合无线电能传输***（2）输送给电动汽车；
储能***（4）：将电动汽车行驶时，将动能产生的电能通过直流微电网传输至储能***（4）存储，并可以在电动汽车电力匮乏时，通过直流微电网给电动汽车充电。
2.根据权利要求1所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述直流微电网包括直流母线（3）以及连接在直流母线（3）与共振磁耦合无线电能传输***（2）之间若干的DC/AC转换装置；以及连接在直流母线（3）与分布式能源发电***（1）之间的若干DC/AC转换装置和若干DC/DC转换装置；所述储能***（4）通过DC/DC转换装置与直流母线（3）连接。
3.根据权利要求1所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述分布式能源发电***（1）与所述共振磁耦合无线电能传输***（2）之间通过所述直流母线（3）和所述变流装置（5）相关联；所述分布式能源发电***（1）输出的电能依次经过所述变流装置（5）、所述直流母线（3）、再经过所述变流装置（5），最后进入所述共振磁耦合无线电能传输***（2），为电动汽车供电。
4.根据权利要求1所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述储能***（4）输出的电能经过所述变流装置（5）进入所述直流母线（3），然后经过所述变流装置（5），最后经过所述共振磁耦合无线电能传输***（2），为电动汽车供电。
5.根据权利要求1所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述***给电动汽车供电的优先级别由高至低依次为：分布式能源发电***（1）、储能***（4）以及配电网；当分布式能源发电***（1）和储能***（4）能源都不足以给电动汽车供电时，由配电网通过共振磁耦合无线电能传输***（2）给电动汽车供电。
6.根据权利要求1所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述分布式能源发电***（1）进一步包括光伏发电***、风力发电***和风光互补发电***；光伏发电***和风力发电***可以分别单独供电，也可依据风光最佳配比，形成风光互补发电***进行供电。
7.根据权利要求6所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述风光互补发电***进一步包括发电环节、变换控制环节、和电能存储环节。
8.根据权利要求1所述的分布式能源与基于磁共振耦合技术的电动汽车无线供电一体化***，其特征是：所述共振磁耦合无线电能传输***（2）包括依次连接的整流滤波模块、功率振荡模块、跟踪控制模块；用于给电动汽车充电的电磁场发射单元与功率振荡模块连接。
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