CN105553057A

CN105553057A - 一种基于电网保护的电动汽车充电站控制系统

Info

Publication number: CN105553057A
Application number: CN201510976719.3A
Authority: CN
Inventors: 石晶; 张立晖; 刘洋; 唐跃进; 任丽; 严思念; 杨张伟; 夏仲; 梁思源
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: CN105553057B

Abstract

本发明设计了一种基于电网保护的电动汽车充电站控制系统。恒功率负荷比例的提高将会导致电网静态电压稳定下的功率极限值下降，即静态电压稳定裕度降低；负荷功率变化率将会对电网频率造成很大的影响。因此在电动汽车大力推广的过程中，大规模接入电动车或修建大型电动汽车充电站，采用快速充电技术(电动汽车负荷渗透率增大)，将会对电网的稳定性(静态稳定性、动态稳定性)造成极大的影响。本发明针对上述影响，提出新型充电站控制系统，能够实时检测电动汽车充电站与配电网的运行状况，协调控制充电负荷的占比以及充电功率变化率的大小，以降低大规模电动汽车接入微电网对配电网的影响，在未来大力推广电动汽车的过程中具有非常好的应用价值。

Description

一种基于电网保护的电动汽车充电站控制系统

技术领域

本发明属于电动汽车充电站控制技术领域，更具体地，涉及一种基于电网保护的电动汽车充电站控制系统。

背景技术

传统电动汽车充电技术，特别是快速充电技术，在充电初期有功功率快速增大，也即当dP/dt很大时，电网的频率会发生很大的波动。并且，随着电动汽车渗透率的提高以及快速充电的普及，以快充为主的恒功率负荷将对电网静态电压稳定性产生较大的负面影响。

因此，随着电动汽车的普及，必须要解决电动汽车充电机dP/dt对电网频率的影响以及恒功率负荷比例增大对电网静态电压稳定性的影响这两个问题。而目前已有的解决方案只有：在电动汽车充电站与电网之间加装充电保护装置。该种方案属于被动式的保护，即电动汽车充电站对电网的影响超过了预先设定值后才启动保护，并没有达到预先降低影响的作用。

目前快速充电已逐步发展成为电动汽车的主要充电方式。快速充电，即以较大的电流(一般为150-400A)对动力电池进行充电，充电时长在20min到1h之间。但是由于快速充电所采取的充电功率较大，会对电网的频率以及静态电压稳定性产生影响：当快速充电功率变化率达到10MW/s时，电网频率波动达到4％；当快速充电功率比例达到电网负荷的50％，将会对电网的静态电压稳定性产生较大负面影响。因此需要结合电网保护制定电动汽车充电机的控制策略。

发明内容

针对现有技术中没有达到预先降低影响的作用，本发明的目的在于解决以上技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于电网保护的电动汽车充电站控制系统，其特征在于，所述控制系统包括充电站的充电机以及控制单元；

所述充电机主电路，依次由LCL滤波电路模块、AC/DC整流/逆变模块和DC/DC直流斩波模块串联组成，当所述充电机工作在放电模式，所述AC/DC整流模块工作在整流状态，维持恒定的中间电压；所述DC/DC直流斩波模块工作在降压斩波状态，保持动力电池端电压和电流的稳定；当所述充电机工作在放电模式时，所述DC/DC直流斩波模块工作在升压斩波状态，输出恒定的中间电压；所述AC/DC整流/逆变模块工作在逆变状态，根据不同的控制模式实现恒定的有功和无功或者恒定的电压频率控制；

所述控制单元，当所述充电站的功率低于或等于所述充电站的安全工作功率，则控制每个所述充电机的功率为额定充电功率；当所述充电站的功率高于所述充电站的安全工作功率，则控制每个所述充电机照以下公式的功率分配策略对动力充电电池进行充电，

P_{i} = \frac{80 % - {SOC}_{i}}{Σ_{j = 1}^{N} (80 % - {SOC}_{j})} * P_{m}

其中，i＝1,2,…,n为待求功率指令的充电机编号；j＝1,2,…,n为处于运行状态的充电机编号；P_i为第i台充电机充电功率指令值；P_m为充电站安全功率值。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于电网保护的电动汽车充电站控制方法，其特征在于：

所述充电站的充电机主电路，依次由LCL滤波电路模块、AC/DC整流/逆变模块和DC/DC直流斩波模块串联组成，当所述充电机工作在放电模式，所述AC/DC整流模块工作在整流状态，维持恒定的中间电压；所述DC/DC直流斩波模块工作在降压斩波状态，保持动力电池端电压和电流的稳定；当所述充电机工作在放电模式时，所述DC/DC直流斩波模块工作在升压斩波状态，输出恒定的中间电压；所述AC/DC整流/逆变模块工作在逆变状态，根据不同的控制模式实现恒定的有功和无功或者恒定的电压频率控制；

所述方法包括以下步骤：

(1)根据所述充电站内充电机数目以及额定充电功率，计算得到该充电站的最大充电功率；

(2)检测所述充电站内待充电动汽车动力电池的电池剩余电量百分比SOC值；

(3)根据所检测的SOC值，计算每一台所述充电机在所述充电站当前运行状况下的充电功率值；

(4)根据所述充电站运行时微电网及配电网的功率负荷状态确定安全功率系数α；

如果充电站内待充汽车的数目n≤α*N，N为充电站内充电机数目，则所述充电机根据额定功率对动力电池进行充电；反之，则所述充电机按照以下公式的功率分配策略对动力充电电池进行充电，

P_{i} = \frac{80 % - {SOC}_{i}}{Σ_{j = 1}^{n} (80 % - {SOC}_{j})} * P_{m} .

优选地，安全功率系数α的大小取决于电动汽车充电站的总充电功率P_M：当P_M≤10MW时，安全功率系数α取0.8；当P_M＞10MW时，安全功率系数α取0.7。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下技术有益效果：

本发明中，通过功率检测及能量管理中心对充电站内各充电机的工作状态以及配电网的负荷状态进行实时检测，根据检测所得信息，制定符合电网保护要求的电动汽车充电站(机)控制策略。既在最大程度上满足了充电站的功率需求，又提高了配电网的安全性和稳定性。

附图说明

图1为充电机电路图；

图2为充电站内能量分配及逆变器控制策略流程图；

图3为20台充电机充电功率曲线图；

图4为采用所设计的控制策略后20台充电机充电功率曲线图；

图5为单台额定功率为80kW，额定电流为200A的充电机功率变化率曲线图；

图6为采用分段充电功率与分段充电电流后单台充电机功率变化率曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明主要是对dP/dt以及恒功率负荷进行实时监测，进而对充电机的充电方式(充电功率、充电控制策略等)进行选择，降低充电站的功率变化率，从而减小大规模电动汽车充电对电网的影响。

充电机主电路如图1所示，依次由LCL滤波电路模块1、AC/DC整流/逆变模块2和DC/DC直流斩波模块3串联组成，当充电机工作在放电模式，AC/DC整流模块2工作在整流状态，维持恒定的中间电压；DC/DC直流斩波模块3工作在Buck(降压斩波)状态，保持动力电池端电压和电流的稳定。当充电机工作在放电模式时，DC/DC直流斩波模块3工作在Boost(升压斩波)状态，输出恒定的中间电压；AC/DC整流/逆变模块2工作在逆变状态，根据不同的控制模式实现恒定的有功和无功或者恒定的电压频率控制。除此之外，为了减小谐波污染，主电路还增加了LCL滤波器模块1。

充电站内能量分配及充电机控制策略流程图如图2所示。其大致机理为：

(1)根据充电站内充电机数目以及额定充电功率等信息，计算得到该充电站的总充电功率P_M

P_M＝N*P_n(1)

其中，N为充电站内充电机数目；P_n为充电机的额定功率。

根据充电站运行时微电网及配电网的功率负荷状态确定安全功率系数α，并且确定充电站安全功率值P_m

P_m＝α*P_max(2)

(2)若充电站内待充汽车的数目n≤α*N，则不采用下述的功率分配策略，充电机根据额定功率对动力电池进行充电。

(3)检测充电站内待充电动汽车动力电池的电池剩余电量百分比SOC(StateofCharge)值。根据所检测的SOC值，计算每一台充电机在充电站当前运行状况下的充电功率值。

功率分配策略中，各充电机的充电功率

P_{i} = \frac{80 % - {SOC}_{i}}{Σ_{j = 1}^{N} (80 % - {SOC}_{j})} * P_{m} - - - (3)

(4)若按照功率分配策略计算所得功率值超过充电机额定功率，将充电功率指令限定在额定功率值。

实例：

以含有20台充电机，充电功率为80kW，充电电流为200A的电动汽车充电站为实施例对本发明加以介绍(其功率曲线如图3所示)，设计要求安全系数达到0.8。该充电站的最大充电功率P_max由式(1)计算。

P_max＝20×80＝1600kW＝1.6MW

由公式(2)计算得到阈值功率P_m

P_m＝0.8×P_max＝1.28MW

假定在充电站内充电的20台电动汽车的动力电池SOC值为下表1所示，并且设定其充电的上限值为80％。

表120台电动汽车SOC统计表

则对于动力电池SOC值为20％的电动汽车，其充电功率

P_{1} = \frac{60 %}{60 % \times 10 + 50 % \times 3 + 40 % \times 2 + 30 % \times 2 + 20 % \times 2 + 10 % \times 1} \times 1.28 \times 1000 = 81.7 k W

又因为计算所得功率指令值P₁大于额定功率，为保证充电机正常工作，将该功率指令值限定在额定功率，也即P₁＝80kW。

同理可以求得SOC值为30％、40％、50％、60％、70％的电动汽车所对应的充电功率值：

P_{2} = \frac{50 %}{60 % \times 10 + 50 % \times 3 + 40 % \times 2 + 30 % \times 2 + 20 % \times 2 + 10 % \times 1} \times 1.28 \times 1000 = 68.1 k W

P_{3} = \frac{40 %}{60 % \times 10 + 50 % \times 3 + 40 % \times 2 + 30 % \times 2 + 20 % \times 2 + 10 % \times 1} \times 1.28 \times 1000 = 54.5 k W

P_{4} = \frac{30 %}{60 % \times 10 + 50 % \times 3 + 40 % \times 2 + 30 % \times 2 + 20 % \times 2 + 10 % \times 1} \times 1.28 \times 1000 = 40.9 k W

P_{5} = \frac{20 %}{60 % \times 10 + 50 % \times 3 + 40 % \times 2 + 30 % \times 2 + 20 % \times 2 + 10 % \times 1} \times 1.28 \times 1000 = 27.2 k W

P_{6} = \frac{10 %}{60 % \times 10 + 50 % \times 3 + 40 % \times 2 + 30 % \times 2 + 20 % \times 2 + 10 % \times 1} \times 1.28 \times 1000 = 13.6 k W

因此可以计算得到充电机功率总和：

P_m1＝80.0×10+68.1×3+54.5×2+40.9×2+27.2×2+13.6×1＝1.263MW

采用上述控制策略，仿真得到功率曲线如图4所示满足P_m1≤P_m的要求，也即能降低充电站总功率对配电网静态电压稳定性的影响。

目前所采用的充电机，其最大功率变化率一般出现在启动后的0-1s内(单台充电机功率变化率曲线如图5)，因此在本发明控制系统的控制策略中，考虑采用分段功率及分段电流充电策略，即在充电机刚开始运行的时段内，逐步增大充电功率与充电电流，以达到降低功率变化率dP/dt的目的。经研究，对于绝大多数充电机，启动阶段采用如下表所示的充电机充电功率及充电电流控制策略，能够有效的降低功率变化率dP/dt。

表2启动阶段充电机充电功率及充电电流控制策略

由图6可知,采用上述充电功率及充电电流控制策略可以极大程度上的降低单台充电机启动时功率变化率。并且在电动汽车充电站控制管理系统中，实时检测站内充电机的启动状态，将其启动时间相互错开1s以上，以防止功率变化率叠加对配电网的影响。

本次发明所提出的基于电网保护的电动汽车充电站控制系统，能够协调控制充电负荷的占比以及充电功率变化率的大小，以降低在大规模电动汽车接入微电网时对配电网的影响，在未来大力推广电动汽车的过程中具有非常好的应用价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于电网保护的电动汽车充电站控制系统，其特征在于，所述控制系统包括充电站的充电机以及控制单元；

所述充电机的主电路，由依次串联连接的LCL滤波电路模块、AC/DC整流/逆变模块和DC/DC直流斩波模块串联组成，当所述充电机工作在放电模式，所述AC/DC整流/逆变模块工作在整流状态，维持恒定的中间电压；所述DC/DC直流斩波模块工作在降压斩波状态，保持动力电池端电压和电流的稳定；当所述充电机工作在放电模式时，所述DC/DC直流斩波模块工作在升压斩波状态，输出恒定的中间电压；所述AC/DC整流/逆变模块工作在逆变状态，根据不同的控制模式实现恒定的有功和无功或者恒定的电压频率控制；

P_{i} = \frac{80 % - {SOC}_{i}}{Σ_{j = 1}^{N} (80 % - {SOC}_{j})} * P_{m}

2.一种基于电网保护的电动汽车充电站控制方法，其特征在于：所述充电站的充电机主电路，依次由LCL滤波电路模块、AC/DC整流/逆变模块和DC/DC直流斩波模块串联组成，当所述充电机工作在放电模式，所述AC/DC整流模块工作在整流状态，维持恒定的中间电压；所述DC/DC直流斩波模块工作在降压斩波状态，保持动力电池端电压和电流的稳定；当所述充电机工作在放电模式时，所述DC/DC直流斩波模块工作在升压斩波状态，输出恒定的中间电压；所述AC/DC整流/逆变模块工作在逆变状态，根据不同的控制模式实现恒定的有功和无功或者恒定的电压频率控制；

所述方法包括以下步骤：

P_{i} = \frac{80 % - {SOC}_{i}}{Σ_{j = 1}^{n} (80 % - {SOC}_{j})} * P_{m} .

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，安全功率系数α的大小取决于电动汽车充电站的总充电功率P_M：当P_M≤10MW时，安全功率系数α取0.8；当P_M＞10MW时，安全功率系数α取0.7。