淺談安科瑞光儲(chǔ)充一體化充電站的控制策略研究

0.引言

通過對(duì)光儲(chǔ)充一體化充電站配置要求的分析，提出一種以光伏系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、VIENNA整流器和直流充電設(shè)施構(gòu)成的光儲(chǔ)充一體化充電站系統(tǒng)。在功率流向關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)工作充電樁數(shù)量提出了一種光儲(chǔ)充一體化充電站的協(xié)調(diào)控制策略。通過MATLAB/Simulink平臺(tái)仿真驗(yàn)證了其可行性和有效性。

近年來，我國新能源產(chǎn)業(yè)與其重要組成部分的新能源汽車飛速發(fā)展，與新能源汽車配套的充電產(chǎn)業(yè)更是迎來了更大的發(fā)展機(jī)遇。光儲(chǔ)充一體化充電站結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)與充電樁技術(shù)，利用可再生能源，同時(shí)還能利用儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)削峰填谷，有效提高光伏利用率和充電站經(jīng)濟(jì)性。光儲(chǔ)充一體化充電站作為充電站的新思路，亟需對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略進(jìn)行分析研究。

目前，電動(dòng)汽車的充電方式主要分為傳導(dǎo)式與無線式充電，其中傳導(dǎo)式充電依據(jù)輸出電流類型又分為直流充電和交流充電;充電站根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的母線傳輸電能的形式及主要子系統(tǒng)交換電能的形式，可以分為直流母線配電和交流母線配電。以直流母線配電形式的含光伏充電站，為了維持較高工作效率，應(yīng)盡量保持DC/DC直流變換器工作在較高能量轉(zhuǎn)換率。在直流微網(wǎng)中，直流母線電壓是系統(tǒng)內(nèi)功率平衡和能量控制平衡的重要指標(biāo)。根據(jù)直流母線電壓變化量和蓄電池狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制各個(gè)變換器，是一種適用典型結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)控制策略。通常在微網(wǎng)系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能，可以解決可靠性不足、能量波動(dòng)和電壓波動(dòng)等問題。引入更多形式儲(chǔ)能后，需要改進(jìn)儲(chǔ)能控制策略，協(xié)調(diào)不同儲(chǔ)能，再根據(jù)直流母線電壓變化量，協(xié)調(diào)控制直流微電網(wǎng)。電動(dòng)汽車的充電需求由于在時(shí)間和空間上都具有靈活性，從充電站的角度，充電站需要采用一定的方法，削峰填谷，均衡充電需求。隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增加，電動(dòng)汽車充電不可避免地對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成負(fù)面影響。充電站為了引導(dǎo)有序充電，可以引入分時(shí)電價(jià)，分散各個(gè)充電站接入位置，提高可再生能源利用率。

本文首先根據(jù)直流母線配電的光儲(chǔ)充一體化充電站系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，提出一種充電站結(jié)構(gòu)。之后，以該結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，根據(jù)工作中充電樁數(shù)量和子系統(tǒng)功率流向，提出針對(duì)光伏Boost變換器、儲(chǔ)能電池雙向DC/DC變換器、電容雙向DC/DC變換器和VIENNA整流器的協(xié)調(diào)控制策略。通過MATLAB/Simulink平臺(tái)仿真驗(yàn)證了協(xié)調(diào)控制策略的可行性和有效性。

1.光儲(chǔ)充一體化充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流母線配電的光儲(chǔ)充一體化充電站系統(tǒng)主要包括供配電系統(tǒng)、直流充電設(shè)施、儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)等。其中，光伏、儲(chǔ)能和直流充電設(shè)施通過直流母線進(jìn)行能量交換，這三個(gè)子系統(tǒng)均使用DC/DC變換器，充電站在并網(wǎng)處使用AC/DC整流器。本文提出的直流配電的光儲(chǔ)充一體化充電站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，并網(wǎng)處AC/DC整流器采用VIENNA整流器。由于VIENNA整流器直流側(cè)采用兩個(gè)等值電容，開關(guān)管的電壓應(yīng)力僅有直流輸出電壓的一半;同時(shí)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了不存在上下橋臂直通的問題，不需要考慮死區(qū)問題，非常適用于并網(wǎng)處ACDC整流器。儲(chǔ)能系統(tǒng)處直流變換器采用雙向DC/DC電路，保證能量雙向流動(dòng)的同時(shí)還要參與維持直流母線電壓的穩(wěn)定。直流母線配電的充電站系統(tǒng)使得充電樁無需常規(guī)直流充電樁的整流單元，只需DC/DC變換器即可為汽車充電。

2.光伏發(fā)電系統(tǒng)DC/DC變換器控制策略

直流母線配電的光儲(chǔ)充一體化充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列和單向DC/DC變換器(BOOST電路)構(gòu)成。

由于光伏發(fā)電功率隨機(jī)波動(dòng)，在直流母線電壓允許范圍內(nèi)，BOOST電路采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。當(dāng)光伏發(fā)電功率過剩，直流母線電壓不斷升高時(shí)，BOOST電路工作模式從MPPT模式切換至恒壓控制模式(CVC)，如圖2所示。

3.VIENNA整流器控制策略

理想的VIENNA整流器直流側(cè)電容大小相同，并且上下電容、電壓相等，即。如圖3所示。

4.儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC變換器控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)在光儲(chǔ)充一體化充電站中有平滑能量波動(dòng)，維持母線電壓等作用。直流母線配電的充電站通常采用非隔離型雙向DC/DC變換器。非隔離型雙向DC/DC變換器成本較低，易于控制，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在光伏充電站運(yùn)行過程中，光伏出力存在大大小小的波動(dòng)，其中一些波動(dòng)會(huì)影響儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC/DC變換器的工作模式(Buck/Boost)，頻繁的波動(dòng)會(huì)使儲(chǔ)能電池在充放電之間反復(fù)切換，對(duì)儲(chǔ)能電池造成損傷。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以加入電容平滑功率波動(dòng)。功率波動(dòng)中的高頻部分通過低通濾波器過濾，而電池儲(chǔ)能承擔(dān)低頻功率波動(dòng)。對(duì)于雙向DC/DC變換器，一般采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制框圖如圖6所示。

5.光伏并網(wǎng)逆變器控制策略

由于光伏并網(wǎng)逆變器不參與光儲(chǔ)充一體化充電站的充電工作，可以根據(jù)需要選擇在逆變器中加入隔離變壓器，以提高充電站發(fā)出電能質(zhì)量。單級(jí)逆變拓?fù)湓谛?、?dòng)態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)上均高于兩級(jí)拓?fù)?。因此，光伏系統(tǒng)可以使用單級(jí)拓?fù)?，?jīng)并網(wǎng)點(diǎn)直接將光伏系統(tǒng)所發(fā)出的閑置能量輸送至電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)逆變器可以使用的一些控制策略比較見表1。

6.光儲(chǔ)充一體化充電站協(xié)調(diào)控制

圖7所示為直流配電的光儲(chǔ)充一體化充電站的控制系統(tǒng)。

基于以上分析，本文提出一種充電站協(xié)調(diào)控制策略。該協(xié)調(diào)控制策略主要依據(jù)工作中充電樁數(shù)量、光伏出力和儲(chǔ)能狀態(tài)，將充電站分為以下六種典型工作模式。

工作中充電樁數(shù)量低時(shí)，此時(shí)僅光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)出力可能滿足充電需求，充電站無需電網(wǎng)提供能量，即模式一～模式三。

模式一：光伏系統(tǒng)發(fā)電功率足夠汽車充電功率，多余能量?jī)?chǔ)存至儲(chǔ)能。此時(shí)系統(tǒng)功率表達(dá)式為

式中，PPV為光伏系統(tǒng)發(fā)出功率；PBAT為儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收功率；PEV為電動(dòng)汽車所需功率。

模式二：光伏系統(tǒng)發(fā)電功率多于汽車充電功率，儲(chǔ)能能夠向汽車充電。此時(shí)功率表達(dá)式為

模式三：光伏系統(tǒng)發(fā)電功率不足，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以補(bǔ)充不足功率。此時(shí)功率表達(dá)式為

當(dāng)光伏系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)不能滿足充電需求時(shí)，充電樁需要電網(wǎng)提供能量，即模式四與模式五。

模式四：光伏系統(tǒng)發(fā)電功率不足，儲(chǔ)能系統(tǒng)不能補(bǔ)充不足功率。此時(shí)功率平衡方程為

式中，PGRID為電網(wǎng)提供功率。模式五：光伏系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，不提供能量，充電站由電網(wǎng)提供能量向電動(dòng)汽車充電。此時(shí)功率平衡方程為

模式六：充電樁處于空閑狀態(tài)，光伏系統(tǒng)發(fā)出功率由逆變器并網(wǎng)向電網(wǎng)輸送。

充電站運(yùn)行時(shí)一般在以上六種模式切換。為了避免儲(chǔ)能電池?fù)p壞，SOC低于20%時(shí)，儲(chǔ)能SOC控制進(jìn)入放電警戒；SOC高于80%時(shí)，儲(chǔ)能SOC控制進(jìn)入充電警戒。充電站工作模式劃分見表2。

7.光儲(chǔ)充一體化充電站的仿真建模及協(xié)調(diào)控制仿真分析

根據(jù)本文所提出光儲(chǔ)充一體化充電站的系統(tǒng)構(gòu)成及其控制策略，在MATLAB\Simulink中搭建光儲(chǔ)充一體化充電站的仿真建模，如圖8所示。充電站仿真建模參數(shù):直流母線電壓設(shè)定為700V;儲(chǔ)能系統(tǒng)采用電壓為200V，容量為200A·h的鉛酸電池。其中充電樁側(cè)DC/DC變換器采用電路如圖9所示，該變化器設(shè)定輸出電壓為350V。

對(duì)充電站的主要工作模式進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖10～12所示。

8.安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

8.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

8.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

8.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

5）應(yīng)客戶端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶提供充電小程序。