实验室发展研究方向
太阳能高效利用及储能运行控制重点实验室将依托现有的研究平台，如太阳能高效利用湖北省协同创新中心、湖北省绿色电网智能控制与装备工程技术研究中心、绿色轻工材料湖北省重点实验室、现代制造质量工程湖北省重点实验室、湖北省机电一体化工程技术研究中心、湖北工业大学太阳能研究院等，在高效光伏材料机理研究及制备、新型储能装置及能量管理系统、微网规划与运行控制关键技术、智能配电网中微网接入关键技术等四个研究方向开展工作。
研究方向一：高效光伏材料机理研究及制备
有机太阳能电池因其化合物结构可设计性、材料重量轻、制造成本低等优点，成为研究的热点。本研究方向旨在利用量子点优化、表面等离子体增强等途径解决有机光伏材料吸收系数低、载流子的注入和吸收率低、稳定性差等缺点实现光电转换效率高、稳定性好的有机/无机杂化太阳能电池；同时，研究多结太阳能电池外延、芯片关键技术及其外延工艺优化，实现高质量的高倍聚光InGaN基多结太阳能电池外延结构，以实现最优化的禁带宽度组合，以提高光电转换效率，获得高效率的聚光InGaN基多结三结太阳能电池。
（1）量子点优化有机聚合物太阳能电池研究
聚合物太阳能电池具有制备工艺简单、柔韧、轻质、成本低、材料来源丰富等独特的优势，但其仍存在聚合物吸收光谱较窄、转换效率较低、稳定性较差、富勒烯体系对光电流贡献小等普遍问题。 拟采用无机纳米粒子取代异质界面元件中的富勒烯衍生物，利用无机纳米粒子热稳定性佳的特性以打造出稳定且寿命长的有机-无机杂化太阳能电池。研究量子点中的多光子吸收和多激子激发机制，拓宽电池材料的吸收光谱范围，让可见光区产生吸收互补，以实现对太阳光全光谱的光电转换。
（2）表面等离子体增强有机太阳能电池研究
拟在有机太阳能电池中引入金属纳米颗粒，利用金属颗粒的局域表面等离激元近场增强效应和光汇聚作用，增强器件活性层中有机半导体的光吸收能力。研究在有机光伏器件中金属纳米颗粒局域表面等离激元引起的光场能量再分布作用对载流子输运和复合可能产生的物理影响。通过金属纳米颗粒电磁场模型结构的设计和优化，在有机太阳能电池中充分利用表面等离激元效应的光汇聚作用和光场能量再分布作用，以达到增强器件光电流并提高器件能量转换效率的目的。
（3）Ⅲ-Ⅴ族化合物多结叠层太阳能电池关键技术
通过对禁带宽度的优化选择，实现对太阳光谱不同区域的选择性吸收，可大大提高多结太阳电池的转换效率。研究聚光多结太阳能电池外延、芯片关键技术，以及外延工艺条件对外延层晶体质量、掺杂浓度和界面特性等影响，实现高质量的高倍聚光InGaN基多结太阳能电池外延结构，以实现最优化的禁带宽度组合，从而使转换效率达到最优值。研究电池表面电极图形和减反膜对电池性能的影响，最终获得高效率的聚光InGaN基多结三结太阳能电池。
研究方向二：新型储能装置及能量管理系统
太阳能发电及用电负载具有随机性及波动性，对电能储存的安全性及用电系统稳定性带来影响。本方向旨在研究新型高比能量和较长寿命的储能材料，构建锂离子电池与超级电容的混合储能系统，优化能量管理策略，在满足储能系统安全稳定运行的基础上最大限度的利用太阳能发电，更好地满足负载能量和功率需求，提高基于太阳能发电的微电网孤岛运行和并网运行的安全性和稳定性。
（1）先进储能材料与结构
研究高比能量、高倍率性能的新型锂电负极材料，采用碳包覆、TiO2包覆等方法抑制锂嵌入过程中引起的硅基或磷基材料的体积膨胀效应，提升其循环寿命、电极结构稳定性及倍率性能；采用石墨烯、纳米碳管等开发新型储能型超级电容器，在继承超级电容器高功率密度、高循环寿命及极短充电时间等优点的同时，提高其能量密度；采用不吸水、导热性好并且能亲有机溶剂的涂层技术，对锂离子电池中的陶瓷隔膜进行改性，提高锂离子电池能量密度和增加循环次数。
（2）锂离子电池及超级电容的SOC、SOH高精度在线估算算法
充分考虑极化效应和温度等动态因素的影响，分析SOC（State of Charge，SOC）、SOH（State of Health，SOH）估算算法与储能元件等效模型之间的依赖关系，研究模型精度与系统计算负担之间的关系，建立高精度的等效模型；分析充电过程中各储能器件的电流、电压、环境温度、自放电、循环次数等因素对估算精度的影响，研究高精度的储能系统的SOC、SOH估算算法。
（3）锂离子电池与超级电容混合储能系统能量管理策略
结合分布式发电及微网研究最新结构形式，根据微网运行工况设计锂离子电池和超级电容器混合储能系统结构，构建高效率拓扑结构和较高精度的等效模型；建立太阳能发电不同时段功率模型和满足不同工况下负载能量和功率需求的多目标函数，优化混合储能系统各单元功率和能量管理方法；研究变频脉冲快速充电方法，设计充放电均衡电路及制定快速主动均衡策略，进一步提高混合储能系统充电效率及延长其寿命。
研究方向三：微网规划与运行控制关键技术
微网结构简单，供电容量有限，抗扰动能力弱，运行过程中会出现分布式电源输出功率突变、大负荷的瞬时接入或脱落等瞬态事件，影响到系统运行的稳定性，降低了微网的可靠性。针对微网规划与运行控制中的问题，本方向通过对微网多目标规划算法、优化多逆变器并联控制策略、电能质量的检测及控制、微网工作模式的无缝切换等领域的深入研究，获得微网规划与运行控制的系统理论，提高微网运行的可靠性与安全性。在理论研究的基础上，对电力电子变流器拓扑结构进行优化，改进控制方法，解决光伏发电系统功率变换中效率与电能质量、可靠性之间的矛盾，为微网的构建提供优质的装备。
（1）微网多目标规划与配置
针对目前微网单目标优化配置算法中运行效率低和加权求解盲目性的缺陷，提出包含微网全寿命周期内的总成本现值、负荷容量缺失率和污染物排放等多目标优化设计模型，实现节能减排目标；着力研究混沌优化多目标遗传算法，解决分布式光伏电源多目标规划问题与微网容量多目标配置问题。
（2）多逆变器并联运行及其电能质量控制策略
微网构成的主要设备包括各种变换器，这些变换器都是电力电子设备，影响电能质量的谐波源。变换器的谐振问题及环流抑制问题是并联运行的关键技术问题。本方向在原有的有源电力滤波器、大型有源无功功率补偿器研究的基础上，针对共直流母线并联光伏逆变器，研究谐波交互影响机理，获得电能质量补偿装置的优化配置策略，提高微网系统的电能质量；研究基于零序电压差补偿原理的零序环流控制方法，实现抑制零序环流的目标。
（3）微网离网/并网无缝切换控制技术
基于微网系统离网/并网工作模式切换时的工作特征，提出改进型电压环调节器结构。即在工作模式切换前预先估算并设置调节器的输出需求，以解决切换过程中微网母线电压的震荡和电流冲击等问题，研究适合微网的软件锁相方法，保证各种切换条件下微网母线电压相位的连续性和平顺性，并对储能变流器的控制参数进行了优化设计，提高微网中光伏发电柔性并网系统的标称性能和鲁棒性能，满足快速且无冲击的柔性并网要求，实现微网稳定可靠运行。
（4）光伏电站中压大容量功率变换技术
针对大型光伏电站，以提高功率变换的效率、电能质量和可靠性为目标，重点研究三电平技术与多重化技术相结合的中压大容量功率变换技术，此技术适用于并网电压10kV、容量10MVA以上的光伏电站；借鉴国际上有源电力滤波器的研究方案，针对并网电压35kV的光伏电站，研究混合级联27电平功率变换技术；考虑到并网变流器的多功能化发展趋势，要求以上两种变流器不仅能够实现光伏并网发电的基本功能，还能实现中压配电网电能质量调节器的功能，研究两种变流器相应的运行机理、调制策略以及控制方法。
研究方向四：智能配电网中微网接入关键技术
微网能量具有双向流动、随机性和间歇性等特性，其接入对配电网的优化运行和系统安全影响较大，本研究方向旨在应用优化理论、大数据和信息融合技术，对微网接入的配电网有功无功调度、配用电管理信息化和可视化、含微网的配网故障诊断与安全运行等问题进行建模、优化及集成，以实现配电网安全稳定运行，为智能电网发展提供坚实的技术基础和实施条件。
（1）配电网与微网的有功交换和无功调度优化
针对含微网配电网的双向潮流特性，拓展配电网单端电源供电的基本结构及能源需求、市场信息和运行约束，构建微网购售电优化模型，统筹考虑微网接入电气运行参数、经济运行成本和碳排放效益等多目标的优化问题。考虑随机特性，利用风险计量工具，建立考虑风险的配电公司和微网综合交易模型，研究以微网为载体的分布式可再生能源参与竞争的交易策略问题。利用基于分布式能源作为辅助调压手段的无功补偿规划方法，分析微网接入后对大电网无功补偿规划及其优化的影响，研究含高渗透率微网的大电网无功优化规划方法。
（2）智能配用电大数据分析与监测
针对智能配电网测量点多、运行方式变化快、部分数据时效性和关联性强等特点，研究多级缓存与预取机制优化系统结构，以降低元数据服务器内存消耗和减少平均文件访问时间；利用基于代价的多维属性决策理论设计预取控制方法，以提高小文件的存储和访问性能；借助于地理信息系统独有的空间分析功能和可视化表达优势，以实现电网信息的地图化、运行数据的可视化，从而构建用户界面层、智能电网应用层、GIS服务层、服务器层、数据存储层五层体系结构的信息服务系统。研究并开发集监测、通信、分析和管理于一体的配用电信息实时在线监测系统。
（3）含微网的配网故障诊断与安全运行
建立适用于含微网的配电网故障定位模型，设计适用于含微网的配电网络的分区域处理方法。基于Petri网构建具有分层结构的诊断模型，结合电网元件结构关系嵌套设计模型结构，实现大范围故障诊断。对于主网故障，利用保护协调器将微网中重要负荷尽快与主网隔离。在允许电压短时暂降情形时，采取补偿措施不与主网分离。对于微网故障，将尽可能小范围内故障段隔离。基于转化贝叶斯网络，推理故障状态发生概率。根据故障诊断过程中不同融合方法的差异性，制定信息融合技术选择规则，配置过流保护及测控功能，实现电网故障的快速、准确判断，提升智能配电网的自愈能力。