光伏充电系统及用于光伏充电系统的充电控制方法

一、所属领域

新能源发电、新能源汽车、光储充电站

二、项目介绍

1. 痛点问题

随着能源危机和节能减排的驱使，大力发展电动汽车成为缓解能源危机和环境污染的有效途径，汽车燃油是石油消耗的主体。汽车尾气占全世界总二氧化碳排放量的10%至15%。电动汽车可以减小二氧化碳的排放量，改善大气环境。以光伏电池作为新能源输入的电动汽车充放电站也将具有更大的优势。推动光伏供电的电动汽车充放电站的建设，不仅发展了电动汽车行业，也推动了光伏产业及新能源的发展，同时对于节能减排，改善环境具有双重推动作用。

现有的光伏电动汽车充电站仍以交流母线或直流母线进行光伏电池、电动汽车蓄电池和电网之间的能量变换。现有的能量变换需要通过多级电力电子变换器实现，即需要多级直流-直流变换器，直流交流变换器等，这使得能量变换的效率很低。多级电力电子变换的现有方案效率低，成本高，无法对产业瓶颈形成有效突破。

2. 解决方案

本项目提出了一种高效的新型光伏充电系统，和用于此系统的充电控制方法。

新型光伏充电系统包括：一个或多个高频逆变器，与一个或多个光伏电池组件一一对应连接，以及多端口变换器。高频交流逆变器之间通过高频交流母线连接。多端口变换器包括分别与高频交流母线和直流母线连接的两个端口以及与蓄电池连接的一个端口。多端口变换器用于实现高频交流母线、直流母线与蓄电池之间的能量变换。

用于光伏充电系统的充电控制方法包括：对于一个或多个光伏电池组件中的每一个，采集该光伏电池组件的输出电流和输出电压，对该光伏电池组件进行最大功率跟踪，并输出电压给定值。将电压给定值与该光伏电池组件的输出电压进行比较，并输出光伏电池比较结果；根据比较结果控制与该光伏电池组件相对应的高频逆变器中的开关管的驱动信号相对于多端口变换器中开关管的驱动信号的移相角；将多端口变换器输入蓄电池的输入电流与蓄电池的充电电流曲线进行比较，并输出蓄电池的比较结果，根据此结果利用脉宽调制方式控制多端口变换器中的开关管驱动信号。

3. 竞争优势分析

现有的光伏电动汽车充电站仍以交流母线或直流母线进行光伏电池、电动汽车蓄电池和电网之间的能量变换。现有的能量变换需要通过多级电力电子变换器实现，即需要多级直流-直流变换器，直流交流变换器等，这使得能量变换的效率很低。针对此，一些研究者提出来用直流母线作为媒介交换新能源和电动汽车蓄电池之间的能量，以及提出对多台集成了新能源的电动汽车充电机组成开关矩阵网，优化相邻充电机之间能量的传递路径。但总的来说，现有方案基于多级电力电子变换，存在效率低，成本高的问题，无法对产业瓶颈形成有效突破。

本发明创新地提出了一种高效的光伏充电系统和用于该系统的充电控制方法，能够实现光伏电池到蓄电池，直流母线到蓄电池以及光伏电池到直流母线的单级功率变换，能够实现高效率的光伏充电以及显著降低系统成本。

4. 市场应用前景

项目立足于解决电动汽车光伏充电问题，主要面向充电桩企业，服务商，投资业主提供产品和服务。其中主要产品和服务为：光伏充电系统系统方案，光伏充电系统终端产品，光伏充电系统运行管理系统。

基于《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预测，2030年全国纯电动汽车保有量将达到1亿，全球电动汽车保有量将达到近2亿，光伏充电市场规模将达到千亿以上，市场前景可观。

5. 发展规划

前期已经开发出了“光储充检”示范系统，验证了技术可行性。第一代系统如下所示：

未来拟开展：

1） 技术放大和工程化落地；

2） 验证本技术在示范系统上的可行性，优化细节；

3） 设计开发智能光伏充电系统并实现量产；

4） 提供光伏充电+检测系统解决方案。

三、合作需求

与新能源乘用车/商用车整车厂、房地产企业，充电运营商等企业合作，开展知识成果落地和工程化的工作。

四、团队介绍

团队负责人孙凯，长聘副教授、研究员、博士生导师。现任清华大学电机系主任助理。2016-2020年担任清华大学电机系电力电子与电机系统研究所所长。现担任IEEE电力电子学会亚太地区副主席、IEEE 电力电子学会北京分会主席、IEEE 电力电子学会电力电子化电网系统技术委员会秘书长、中国工业节能与清洁生产协会综合能源系统专业委员会副主任委员兼秘书长、中国电源学会理事、《电气工程学报》副主编。

主要研究方向为新能源发电系统和含新能源车辆供能的多能微电网技术。主持国家自然科学基金5项、国家重点研发计划子课题1项、国家国际科技合作专项1项以及与国内外企业合作课题40余项。取得的主要创新成果包括：

1）基于直流母线电压信息的规模化光伏储能变换器控制关键技术。研制成功一系列光伏/储能变换器新产品，大规模应用于国内外光伏/储能电站和微电网工程，累计装机超过38GW，创造产值49.43亿元，其中近三年直接经济效益达到24.8亿元。

2）基于分布式自律协同的交直流混合微电网能量管理与优化控制技术。研制的微电网能量管理系统及控制器应用于20余个微网工程中，显著提升了新能源发电占比，降低了故障率，保障了系统安全、稳定、高效运行。

五、联系方式

E-mail：ott@tsinghua.edu.cn

成果编号：2021197

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