分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統的制作方法

本發明屬于電動汽車無線供電技術領域，尤其涉及一種分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統。

背景技術：

與大型可再生能源發電接入于輸電網，需要遠距離傳輸不同，可再生分布式發電靠近負載端，能夠有效降低輸電損耗，具有小而靈活、效率高、投資成本低等優點，是智能電網的重要發展方向之一。但是由于分布式發電受地理位置及天氣條件等因素的影響，間歇性較強，輸出功率不太穩定且時間上與負荷波動也不一致，造成峰谷差大，對電網的調容、調壓能力要求較高。而且目前儲能系統的容量也有限，不能長時間提供功率以應對分布式發電容量的不足分布式發電需要10%~20%的備用容量。因此，分布式發電在一定程度上受到了限制。

隨著電動汽車的大規模發展，由于車主的充電行為往往比較隨機，大量電動汽車插入電網充電必定會對電網結構及運行造成巨大的壓力，影響電網的安全、經濟運行，需要對其引導控制。

同時動力電池一直是電動汽車發展的最大制約因素，電動汽車電池充電目前一般采用兩種基本方法：接觸式充電和感應耦合式充電。目前，電動汽車充電站樁采用的都是傳導充電的接觸充電模式，車輛處于靜止狀態，使用充電電纜將電能從供電設備傳送至電池組中。這導致充電站存在以下幾個缺點：充電時間長；充電線笨重，且需要頻繁插拔；充電電流較大尤其是在快速充電模式下電流可達上百安培，在雨天充電或者出現電纜老化時存在著安全隱患；電池組昂貴，且壽命較短；充電樁接口頻繁插拔，需要頻繁更換，可維護性差。感應充電所存在的一個較大缺點即其傳輸距離過短，一般工業產品的有效傳輸距離只有2-3cm，而且需要機械裝置將汽車停在合適的位置與充電線圈對準。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明提出了一種分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統。本發明就近利用分布式能源對電動汽車進行供電，解決了分布式能源并網產生的諸多問題，避免了大量電動汽車插入電網充電對電網結構及運行造成巨大的壓力，同時采用磁共振耦合無線電能傳輸技術，避免了傳導充電方式存在的弊端，極大地推動電動汽車的發展。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，其特征是，包括：

分布式能源發電系統：基于光伏或風力或兩者結合進行發電；

磁共振耦合無線電能傳輸系統：將分布式能源發電系統產生電能傳輸給電動汽車；

直流微電網：設置在分布式能源發電系統、儲能系統、配電網和磁共振耦合無線電能傳輸系統之間，用于將分布式能源發電系統產生的直流電進行DC/AC轉換后通過磁共振耦合無線電能傳輸系統輸送給電動汽車；

儲能系統：將電動汽車行駛時，將動能產生的電能通過直流微電網傳輸至儲能系統存儲，并可以在電動汽車電力匱乏時，通過直流微電網給電動汽車充電。

分布式能源發電系統產生的電能供給電動汽車充電還有剩余的情況下，通過直流微電網給儲能系統儲存或者在電網用電高峰時通過DC/AC轉換輸送給電網；在分布式能源發電系統產生的電能不足以給電動汽車充電時，儲能系統將釋放儲存的能量進行DC/AC轉換后通過共振磁耦合無線電能傳輸系統輸送給電動汽車充電，如果還不夠則由配電網電能補充；在電網用電量低谷時也可將電網多于電量通過直流微電網給儲能系統儲存。在沒有電動汽車充電，或者分布式能源產生的電能多于電動汽車充電所需電能時，多于的電能通過直流微電網給儲能系統充電，或者輸送給電網

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述直流微電網包括直流母線以及連接在直流母線與磁共振耦合無線電能傳輸系統之間若干的DC/AC轉換裝置；以及連接在直流母線與分布式能源發電系統、分布式能源發電系統、儲能系統、配電網之間的若干DC/AC轉換裝置和若干DC/DC轉換裝置；所述儲能系統通過DC/DC轉換裝置與直流母線連接。

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述分布式能源發電系統與所述磁共振耦合無線電能傳輸系統之間通過所述直流母線和所述變流裝置相關聯。所述分布式能源發電系統輸出的電能依次經過所述變流裝置、所述直流母線、再經過所述變流裝置，最后進入所述磁共振耦合無線電能傳輸系統，為電動汽車供電。

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述儲能系統輸出的電能經過所述變流裝置進入所述直流母線，然后經過所述變流裝置，最后經過所述磁共振耦合無線電能傳輸系統，為電動汽車供電。

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述系統給電動汽車供電的優先級別由高至低依次為：分布式能源發電系統、儲能系統以及配電網；當分布式能源發電系統和儲能系統能源都不足以給電動汽車供電時，由配電網通過共振磁耦合無線電能傳輸系統給電動汽車供電。

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述分布式能源發電系統進一步包括光伏發電系統、風力發電系統和風光互補發電系統。光伏發電系統和風力發電系統可以分別單獨供電，也可依據風光最佳配比，形成風光互補發電系統進行供電。

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述風光互補發電系統進一步包括發電環節、變換控制環節、和電能存儲環節。

在上述的分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統，所述磁共振耦合無線電能傳輸系統包括依次連接的整流濾波模塊、功率振蕩模塊、跟蹤控制模塊；用于給電動汽車充電的電磁場發射單元與功率振蕩模塊連接。

和現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：1、利用可再生能源發電可降低電動汽車對化石燃料的依賴，實現真正意義上的低碳。2、電動汽車與可再生能源通過微電網集成，通過電動汽車充電的可調節特性，能協助解決可再生能源的間歇性問題，降低儲能系統成本。3、采用直流微網結構，可再生能源與直流母線之間僅需一級電壓變換裝置，建設成本經濟，電力傳輸效率較高。各種可再生能源之間的同步問題、環流抑制問題能得到更好的解決。直流連接本質上沒有諧波因素干擾，因此具有更好的電能質量。4、就近利用分布式能源對電動汽車進行供電，解決了分布式能源并網產生的諸多問題，同時避免了大量電動汽車插入電網充電對電網結構及運行造成巨大的壓力。5、分布式能源與電動汽車接入配電網，兩者進行協調互補，可以更靈活、更方便地調整電網的運行狀態。6、在單獨利用光伏發電和風力發電的基礎上，進一步提出風光互補發電系統，克服單純的風力發電和光伏發電系統夏季日照條件好，但是風力較弱，冬季風力較強，但是日照弱的缺點，可滿足持續供電的需求，提高了系統的經濟性和運行可靠性。7、采用磁共振耦合無線供電方式，實現電源到車載電池組的非接觸式新型電能接入模式，為電動汽車提供實時的電能供給，克服傳統供電方式成本高、可靠性低等問題，提高了電能補給的便捷性和安全性，對電動汽車發展提供有力的支持。

附圖說明

圖1是本發明的整體功能結構示意圖。

圖2是風光互補發電系統結構示意圖。

圖3是磁共振耦合無線電能傳輸系統結構示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明作進一步具體的說明。

圖1所示為分布式能源與基于磁共振耦合技術的電動汽車無線供電一體化系統的整體功能結構示意圖。分布式能源發電系統1包含光伏發電系統、風力發電系統和風光互補發電系統。光伏發電系統和風力發電系統可以單獨進行供電，也可以考慮光伏發電和風力發電之間的互補性，將兩者相結合，依據風光最佳配比，形成風光互補發電系統進行供電，實現系統最大功率的輸出。

風力發電機組產生的交流電通過AC/DC變流裝置變成直流電，進入直流母線3，然后通過DC/AC變流裝置變成交流電為磁共振耦合無線電能傳輸系統2供能，磁共振耦合無線電能傳輸系統2利用磁共振耦合的方式為電動汽車充電。

光伏組件輸出的直接是直流電流，經過DC/DC變流裝置后進入直流母線3，然后通過DC/AC變流裝置變成交流電為磁共振耦合無線電能傳輸系統2供能，利用磁共振耦合的方式為電動汽車充電。

風光互補發電系統輸出的電流為經過變換的直流電，可直接進入直流母線3，然后通過DC/AC變流裝置變成交流電為磁共振耦合無線電能傳輸系統2供能，利用磁共振耦合的方式為電動汽車充電。

儲能系統輸出的電流通過DC/DC變流裝置進入直流母線3，然后通過DC/AC變流裝置變成交流電為磁共振耦合無線電能傳輸系統2供能，利用磁共振耦合的方式為電動汽車充電。

電動汽車既可作為負荷充電，又可作為電源發電。在分布式發電充足時，可以對電動汽車進行充電儲能；而在分布式發電不足時，電動汽車可以回饋電能。電動汽車發出的電能依次經過磁共振耦合無線電能傳輸系統2、AC/DC變流裝置，進入直流母線3，可以調節母線電壓，協助解決可再生能源的間歇性問題，或進一步通過DC/DC變流裝置進入儲能系統4儲能。

通過對交流母線公共連接點PCC端口開關的控制，可以實現微網并網與孤島運行模式的轉換。電動汽車不僅可在微網中充電，也可在某些時段向配電網釋放電能，通過優化充放電管理，電動汽車可作為儲能系統來增強電網接納間歇性電源的能力。同時，分布式發電系統1不僅可以就近為電動汽車充電，也可通過開關控制并入配電網，與電動汽車進行協調互補，可以更靈活、更方便地調整電網的運行狀態。

如圖2所示，風光互補發電系統包含發電環節、變換控制環節、和電能存儲環節。發電環節由風力發電機和太陽能光伏組件組成，產生電能。變換控制環節由整流器和變換器組成。電能存儲環節由蓄電池組成。風力發電機組產生的三相交流電通過不可控三相整流器變成直流電，經過濾波器后送入DC/DC變換器，最后進入直流母線3。光伏組件輸出的直接是直流電流，在電池組輸出的直流出口接一個防反二極管以防止反向電壓損壞光伏電池板，再經過DC/DC變換器，最后進入直流母線3。其中的DC/DC變換環節是最大功率的控制環節，通過最大功率跟蹤MPPT跟蹤控制，調節變換器的占空比可以實現最大功率跟蹤，實現系統最大功率的輸出。電能存儲環節中蓄電池承擔了能量的儲存工作，是儲能的核心單元，儲存的能量可以用來在由于天氣原因風光互補系統不能供電時作為備用電源提供給負載，在整個系統中起著平衡發電系統電能輸出和荷載部分電能需求的重要作用。

風光互補發電系統中控制的核心就是最大功率跟蹤MPPT跟蹤控制，本質是尋求最優輸出值的過程，在不同的氣象條件和環境下通過調節系統的參數，實現系統最大功率的輸出，達到能量的最大利用。同時也應當保護蓄電池的安全工作，防止電池因過充過放造成損壞。

如圖3所示，磁共振耦合無線電能傳輸系統2，由整流濾波模塊、功率振蕩模塊、跟蹤控制模塊和電磁場發射單元四個部分組成。直流母線3的直流電經過DC/AC變流裝置后變為交流電，進入整流濾波模塊。整流濾波模塊進一步包括整流模塊和濾波模塊，整流模塊用來將交流電整流為直流電，濾波模塊用來消除整流模塊輸出直流電中高次諧波，從而輸出恒定電壓直流電。功率震蕩模塊用來將整流濾波模塊輸出的恒定電壓直流電轉換為適應負載頻率要求的交變電流，可依照實際需求調整輸出交變電流的頻率。跟蹤控制模塊用來定位電動汽車行駛時的位置，并向功率振蕩模塊發出信號。

跟蹤控制模塊根據電動汽車位置信息，做出工作決策，并向功率振蕩模塊發出控制命令，使之與電磁場發射單元連接，實現電動汽車到達充電點時，電磁場發射單元處于工作狀態。同時，跟蹤控制模塊也可依據電動汽車位置信息，向功率振蕩模塊發出控制命令，使之切斷與電磁場發射單元的連接，確保電動汽車離開充電點時，電磁場發射單元處于停止工作狀態。

電磁場發射單元中發射線圈埋設于地面下，與地面所在平面平行，用來發射調諧電路產生的交變電磁場。