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电动汽车充电站的充放电控制策略研究

张 莉,张 松 2018/12/6 9:55:00

0 引言

    随着电动汽车的快速发展,电动汽车充电站的建设和运行方式已成为业内的关注热点[1]。传统的充电站单纯依靠电网进行供电,然而采用电网供电需要燃烧大量的化石燃料,这种模式的充电站不仅会给电网带来巨大的冲击,而且实际的节能减排的效果甚微,因此研究光储式电动汽车充电站具有重要的意义[2-5]

    国内外有很多学者和机构对光储式电动汽车充电站进行研究,文献[6]介绍了光储式电动汽车充电站微网系统的结构和控制方式,实现了充电站微网并网和孤岛模式的切换,但是其储能变换器只采用了电流环控制,使得通过储能单元来稳定直流母线电压的效果不是很好;文献[7]针对于微网系统提出了一种能量管理控制策略,根据光伏系统和蓄电池状态,选择变换器的工作模式,实现光伏和蓄电池两种电源协调工作,但其储能装置需要不停地充放电来保证直流母线的稳定,导致储能元件的寿命缩短;文献[8]根据微网系统运行特点,选取直流母线电压作为储能单元切换开关和充放电电流参考信号标量,实现系统的协调控制,但是并未考虑储能电池的过充过放问题。

    本文介绍了光储式电动汽车充电站的系统构成和工作原理,为了减小了蓄电池充放电的频率,延长蓄电池的使用寿命,提出了一种改进的储能控制策略,并通过实验验证了该方法的有效性。

1 系统的结构和运行方式

1.1 系统的结构

    图1为光储式电动汽车充电站系统,直流母线电压设计为600 V,主要由光伏单元、储能单元、电动汽车充电单元和中心控制单元组成。各单元的作用如下:(1)光伏单元主要由光伏电池板阵列和单向DC/DC变换器组成,单向DC/DC变换器采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制;(2)储能单元主要由蓄电池和双向DC/DC变换器组成,根据系统的不同工作状态控制双向变换器实现充换电站的能量调节;(3)根据充换电站的能量需求,在光伏阵列和储能单元不能为负荷提供足够的能量时,需要控制DC/AC变换器使外部电网向充电站微网系统供电,在光伏发电充足时,控制DC/AC变换器将多余电能送到电网;(4)中心控制单元通过系统整体的控制策略协调系统内各个单元的运行。

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1.2 充换电站的运行方式

    系统的运行模式分为以下几种:

    工作模式1:当光伏电源提供的电能满足充电负载所需或配电网发生故障时,系统独立运行。这时光伏电源提供给充电负载的多余电能将储存在储能单元当中。此时的功率平衡方程为:

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式中,Ppv为光伏发出的功率,Pchuxi_bat为储能单元吸收的功率,Pev_bat为充电机为电池提供的功率。

    工作模式2:当光伏电源提供的电能不满足充电负载所需,且系统独立运行。这时需要储能单元放电来维持功率的平衡。此时的功率平衡方程为:

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式中,Pchufa_bat为储能单元发出的功率。

    工作模式3:当光伏和储能电池共同作用不可以满足需求时,系统并网运行,不足的功率由电网通过并网变流器提供。此时的功率平衡方程为:

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式中,Pgridfa为配电网发出的功率。

    工作模式4:当光伏电源发出的功率可以满足需求并且储能电池已到充电的极限时,系统并网运行,盈余的功率由直流微电网通过并网变流器接入电网。此时的功率平衡方程为:

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式中,Pgridxi为配电网吸收的功率。

2 电动汽车充电站运行控制

    对于光储式电动汽车充电站,直流母线的电压稳定是反映系统功率平衡的重要指标。本系统直流母线电压的稳定需要各个单元的协调控制,其中包括光伏电池的最大功率跟踪的实现,储能单元的充放电控制,直流微网与电网之间能量转换的控制。

2.1 光伏发电最大功率跟踪

    本文采用扰动观察法实现光伏的最大功率点跟踪。其原理是通过扰动光伏板的输出电压,观测功率的变化情况,若扰动后的输出功率大于扰动前,则继续增加扰动,使电压随同方向变化;反之,则施加扰动,使电压往反方向变化,直至找到最大的功率输出点。最大功率跟踪算法流程图如图2所示。

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2.2 储能单元的控制

    储能单元通过双向DC/DC变换器与直流母线相连接,图3所示为双向DC/DC变换器的结构,其中Ubat为储能电池的端电压;L为储能侧电感;Io为变换器到母线之间的电流;Udc为母线侧电压。

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    双向DC/DC变换器具有Buck模式和Boost模式双重功能。当T2管工作,T1管关断时,双向DC/DC变换器处于Boost模式,储能电池处于放电状态,此时以电感电流Ibat和电容电压Udc作为状态变量,采用平均状态方法可以得到状态方程为:

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    同理,当电路工作在Buck状态时,T1管工作,T2管关断,可推出Buck状态下电流环的控制方程为:

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    充电站系统对变换器采用电压电流双环控制,在已有的控制方程基础上加入电压外环,将反馈的实际母线电压与参考值进行比较,所产生的差值作为PI的输出信号,输出信号为电流的参考值。可得到电压电流双环控制框图如图4所示。

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    在系统中直流母线电压的稳定是在一种存在着小范围波动的稳定,这种波动使得储能端双向DC-DC变换器频繁切换工作模式,导致储能电池频繁地充放电来维持直流母线电压的稳定。为了避免这种情况,本文采用分层控制方法进行控制,如图5所示,将直流电压分为三部分,Uh1和Ul1为设定的两个阈值,是储能电池充电和放电的临界值,考虑到直流母线电压不宜过大地波动,Uh1设定为610 V,Ul1设定为590 V。

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2.3 并网单元的控制

    当光伏电源发出的电能不能满足充电站负荷且电池达到放电极限时需要接入电网维持直流母线电压的稳定;当光伏电源输出的电能远超过充电站所需并且电池已经达到充电极限时也需要接入电网,使盈余的电能能够逆变上网。以上两种情况需要实现电网与充电站间能量的双向流动,所以要求并网变流器既可以工作在整流状态也要能工作在逆变状态,图6所示为本文采用的三相PWM双向变流器结构图。

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    图中ea、eb、ec表示网侧的三相电源电压,R为阻尼电阻,L为滤波电感。假设电网是理想化的三相对称电压源,则有:

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式中:ed、eq分别为变流器交流电源电压的d、q分量;id、iq分别是变流器交流侧电流的d、q分量;Ud、Uq分别为变流器交流侧电压的d、q分量;Sd、Sq分别为开关函数的d、q分量。

    对于并网单元控制系统采用电压电流双闭环控制策略,如图7所示。电压外环主要维持直流母线电压的稳定,并且电压的参考值与实际母线电压的差值经过PI控制器输出后级指令电流的参考值;电流内环使得交流侧电流跟踪电压外环输出的指令电流参考值。为了实现无功功率流动为零,令q轴的指令电流参考值为零,从而更好地实现变流器在逆变和整流两种工作状态之间的切换。

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2.4 充电站系统协调控制

    因为储能电池的电量在一定的范围内才能进行正常的充放电,当储能电池荷电状态(State of Charge,SOC)低于20%时,防止电池由于过放导致损坏,储能电池便不再放电,同时接入电网维持直流母线电压的稳定。同理,当储能电池SOC高于80%时,储能电池不再充电,接入电网使得盈余电能能够通过变流器逆变上网,从而达到电网的自动控制。根据上述情况,可以得到系统的协调控制的流程图如图8所示。

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3 实验验证

    搭建了母线电压为25 V的实验平台,光伏电池用直流稳压源代替,储能电池采用12 V,2.6 Ah的锂电池,充电站的负荷由电子负载代替,实验主要针对光照充足和光照不足及两种状态之间的切换进行验证。

    在光照充足的情况下,光伏系统供电充足,此时储能电池工作在充电状态,且直流母线电压稳定在28 V。在60 ms时,负载由150 Ω下降至45 Ω,模拟充电站的负荷变化,此时母线电压有小范围的波动并很快稳定在28 V,充电电流从1.8 A下降至1.4 A,如图9所示。

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    在光照不足的情况下,光伏供电不足,此时储能电池工作在放电状态,且直流母线电压稳定在22 V。在60 ms时,负载由150 Ω下降至45 Ω,此时母线电压有小范围的波动并很快稳定在22 V,放电电流从0.2 A上升至1 A,如图10所示。

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    如图11所示,在60 ms时,系统由光照充足切换到光照不足,用于模拟光伏电源的随机性。从图中可以看出母线电压由28 V迅速跳变到22 V,储能电流也由充电状态转为放电状态。

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4 结论

    本文根据光伏电池输出和储能电池荷电状态,将系统分为四种工作模式,针对这种情况提出了电动汽车充电站系统的控制策略,使得系统内各单元能够协调运行,在不同的模式下均能使系统的直流母线电压稳定和平衡系统功率,保证了系统的稳定运行。

    考虑到储能电池频繁充放电对其使用寿命的影响,采用了母线电压分层控制的方法,根据不同的母线电压层级确定储能电池的工作状态,使得储能单元能够在不同的电压层级下有效运行和平稳切换,实现了对储能单元的保护。

    通过实验验证了本文针对光储式电动汽车充电站充放电控制策略的有效性和准确性。

参考文献

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[4] 程启明,徐聪,程尹曼,等.基于混合储能技术的光储式充电站直流微网系统协调控制[J].高电压技术,2016,42(7):2073-2083.

[5] 陈晓光,徐冰亮,董尔佳,等.光储式电动汽车充电站微网系统研究[J].黑龙江电力,2016,38(2):123-126.

[6] 陈根,程启明,程尹曼,等.光储式电动汽车充电站微网运行及V2G实现研究[J].华东电力,2014,42(6):1168-1174.

[7] 廖志凌,阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报,2009,29(21):46-52.

[8] 姜世公,李琰,王卫.一种微网系统孤岛运行条件下的能量管理策略[J].电工技术学报,2014,29(2):130-135.



作者信息:

张  莉,张  松

(大连理工大学 电气工程学院,辽宁 大连116024)

电动汽车 充电站 储能 分层控制