徐悅 安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0.引言

通過對光儲充一體化充電站配置要求的分析，提出一種以光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、VIENNA整流器和直流充電設施構(gòu)成的光儲充一體化充電站系統(tǒng)。在功率流向關系的基礎上，根據(jù)工作充電樁數(shù)量提出了一種光儲充一體化充電站的協(xié)調(diào)控制策略。通過MATLAB/Simulink平臺仿真驗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)展機遇。光儲充一體化充電站結(jié)合光伏發(fā)電技術、儲能技術與充電樁技術，利用可再生能源，同時還能利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)削峰填谷，有效提高光伏利用率和充電站經(jīng)濟性。光儲充一體化充電站作為充電站的新思路，亟需對其系統(tǒng)構(gòu)成和控制策略進行分析研究。

目前，電動汽車的充電方式主要分為傳導式與無線式充電，其中傳導式充電依據(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。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)中加入儲能，可以解決可靠性不足、能量波動和電壓波動等問題。引入更多形式儲能后，需要改進儲能控制策略，協(xié)調(diào)不同儲能，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)。電動汽車的充電需求由于在時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。隨著電動汽車數(shù)量的增加，電動汽車充電不可避免地對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、可靠性和經(jīng)濟運行造成負面影響。充電站為了引導有序充電，可以引入分時電價，分散各個充電站接入位置，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，提出針對光伏Boost變換器、儲能電池雙向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平臺仿真驗證了協(xié)調(diào)控制策略的可行性和有效性。

1.光儲充一體化充電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流母線配電的光儲充一體化充電站系統(tǒng)主要包括供配電系統(tǒng)、直流充電設施、儲能系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)等。其中，光伏、儲能和直流充電設施通過直流母線進行能量交換，這三個子系統(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)采用兩個等值電容，開關管的電壓應力僅有直流輸出電壓的一半;同時，其結(jié)構(gòu)設計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，保證能量雙向流動的同時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)電功率隨機波動，在直流母線電壓允許范圍內(nèi)，BOOST電路采用電導增量法實現(xiàn)功率點跟蹤(MPPT)。當光伏發(fā)電功率過剩，直流母線電壓不斷升高時，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.儲能系統(tǒng)雙向DC/DC變換器控制策略

儲能系統(tǒng)在光儲充一體化充電站中有平滑能量波動，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。

在光伏充電站運行過程中，光伏出力存在大大小小的波動，其中一些波動會影響儲能系統(tǒng)雙向DC/DC變換器的工作模式(Buck/Boost)，頻繁的波動會使儲能電池在充放電之間反復切換，對儲能電池造成損傷。因此，儲能系統(tǒng)可以加入電容平滑功率波動。功率波動中的高頻部分通過低通濾波器過濾，而電池儲能承擔低頻功率波動。對于雙向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。單級逆變拓撲在效率、動態(tài)響應速度、穩(wěn)定性和可靠性等指標上均高于兩級拓撲。因此，光伏系統(tǒng)可以使用單級拓撲，經(jīng)并網(wǎng)點直接將光伏系統(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，此時僅光伏系統(tǒng)和儲能系統(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，多余能量儲存至儲能。此時系統(tǒng)功率表達式為

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

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

模式三：光伏系統(tǒng)發(fā)電功率不足，儲能系統(tǒng)可以補充不足功率。此時功率表達式為

當光伏系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)不能滿足充電需求時，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，儲能系統(tǒng)不能補充不足功率。此時功率平衡方程為

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)提供能量向電動汽車充電。此時功率平衡方程為

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。

充電站運行時一般在以上六種模式切換。為了避免儲能電池損壞，SOC低于20%時，儲能SOC控制進入放電警戒；SOC高于80%時，儲能SOC控制進入充電警戒。充電站工作模式劃分見表2。

7.光儲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):直流母線電壓設定為700V;儲能系統(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，該變化器設定輸出電壓為350V。

對充電站的主要工作模式進行仿真，仿真結(jié)果如圖10～12所示。

8.安科瑞充電樁收費運營云平臺系統(tǒng)選型方案

8.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術對接入系統(tǒng)的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實時監(jiān)控充電樁運行狀態(tài)，進行充電服務、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；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應用場所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎設施設計。

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)議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進行電能計量和保護。

3）網(wǎng)絡傳輸層：通過4G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應用服務器和數(shù)據(jù)服務器，應用服務器部署數(shù)據(jù)采集服務、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務器部署實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫。

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

小區(qū)充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計分析、基礎數(shù)據(jù)管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

8.4安科瑞充電樁云平臺系統(tǒng)功能

8.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態(tài)、設備使用率、充電次數(shù)、充電時長、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進行統(tǒng)計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

8.4.2實時監(jiān)控

實時監(jiān)視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

8.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結(jié)、注銷等操作，可查看小區(qū)用戶每日的充電交易詳細信息。

8.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發(fā)處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結(jié)果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現(xiàn)場問題。

8.4.5統(tǒng)計分析

通過系統(tǒng)平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統(tǒng)計信息、能耗統(tǒng)計信息等。

8.4.6基礎數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優(yōu)惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結(jié)和解綁。

8.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環(huán)處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數(shù)設置，同時可接收故障推送

8.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

8.5系統(tǒng)硬件配置

9.結(jié)束語

本文根據(jù)直流母線配電的充電站系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成，設計了以光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、VIENNA整流器和直流充電設施構(gòu)成的光儲充一體化充電站，并提出了針對該充電站的協(xié)調(diào)控制策略。該協(xié)調(diào)控制依據(jù)子系統(tǒng)間功率流動關系和工作中充電樁數(shù)量將充電站劃分為六種工作模式，通過對不同工作模式下各子系統(tǒng)的控制，維持充電站整體功率平衡。通過MATLAB\Simulink對該充電站進行仿真建模，并對充電站的主要工作模式進行仿真，證明了提出的協(xié)調(diào)控制策略的可行性。

參考文獻

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作者簡介

徐悅，女，安科瑞電氣股份有限公司。