CN103337897A

CN103337897A - 电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法

Info

Publication number: CN103337897A
Application number: CN201310228704XA
Authority: CN
Inventors: 姜光学; 曾嘉志; 陈敏; 杨小飞
Original assignee: Chengdu Power Bureau; State Grid Corp of China SGCC
Current assignee: Chengdu Power Bureau; State Grid Corp of China SGCC
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-10-02

Abstract

本发明公开了一种电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法，包括为电动汽车充电的步骤和为储能缓冲系统低功率慢速充电的步骤。为电动汽车充电的步骤包括：配电网注入电流以设定的斜率增加、储能缓冲系统补偿充电过程中的功率差额、配电网注入电流增大到满足充电电流以后储能缓冲系统转入备用状态等。为储能缓冲系统低功率慢速充电步骤包括：充电电流的控制步骤、设定最大充电电流以及判定充电结束的步骤。本发明具有以下优点：1.在充电功率快速变化的情况下，储能缓冲系统能够平滑直流侧母线的注入功率；2.可有效减轻快速充电给电网带来的冲击，减缓电网的压力，无需对变电站进行大规模的扩容；3.缩短电动汽车的充电时间。

Description

电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车智能充电站的控制技术领域，尤其是电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法。

背景技术

随着国民经济的发展，优质、可靠、稳定的电力供应己成为电能用户的普遍需求。电动汽车充电站近年得到高速发展，但是大规模电动汽车充电负荷的接入将对配电网电能质量、网络损耗、设备利用率等方面产生显著的影响。对于现有的配电网络，即使在配电网原始负荷的非峰荷时段也不能完全承担电动汽车充电负荷，典型配电系统可接收的电动汽车渗透率为20%。

车辆到电网(V2G)技术是提高电动汽车接入电网比例的有效手段，利用智能充电站实现电动汽车与电网间的电能和监测信息的双向流动，且具有典型的智能电网互动和兼容特性。为了解决电动汽车的快速脉冲充电需求与电网功率变化率限值之间的矛盾，可在智能充电站中加入储能缓冲系统，以减缓电动汽车快速充电对电网产生的冲击。研究和开发电动汽车智能充电站中储能缓冲系统的控制方法，对于降低电动汽车充电对配电网的不利影响具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提出一种电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法，以减缓快速充电对配电网的冲击，同时缩短电动汽车的充电时间，平滑快速充电引起的峰谷差。

本发明的技术方案如下：一种电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：智能充电站通过直流侧母线开始以恒定电压v_dc为电动汽车充电，充电负荷电流为i_l，配电网注入直流侧母线的电流i_d从0开始以设定的斜率R₁增加；

步骤二：储能缓冲系统补偿充电过程中的功率差额，注入直流侧母线的电流i_es=i_l-i_d；

步骤三：当配电网注入直流侧母线的电流i_d增大到i_d=i_l，储能缓冲系统转入备用状态，i_es=0；

步骤四：电动汽车充电完成，i_l=0；

步骤五：储能缓冲系统进入低功率慢速充电状态，以充电电流i_ch为储能缓冲系统充电，i_ch=ΔE_es/k，ΔE_es为储能缓冲系统的能量增量，k为常数；

步骤六：设定最大充电电流为I_esm，判断|i_ch|是否大于I_esm，如果是则i_ch=-I_esm，否则以i_ch=ΔE_es/k继续为储能缓冲系统充电；

步骤七：判断|i_ch|是否等于0.05*I_esm，如果是则充电结束，否则返回到步骤五。

典型的储能缓冲系统的电动汽车智能充电站结构如图1所示。变电站经变压器T1和单向AC/DC整流装置后连接到直流侧母线，注入电流i_d；直流充电机也连接到直流侧母线，充电负荷电流为i_l；储能缓冲系统经双向DC/DC变换器后连接到直流侧母线，注入电流i_es，以平滑快速充电引起的负荷剧烈波动，缩短配电网有功功率变化率限制下电动汽车的充电时间。

上述技术方案中，电动汽车接入智能充电站开始充电时，充电负荷阶跃上升。由于配电网注入电流i_d仅按设定的斜率R₁逐渐增加，此时，配电网不能满足充电负荷的功率需求，需由储能缓冲系统补偿充电中的功率差额。储能缓冲系统注入电流i_es等于充电负荷电流i_l与配电网注入电流i_d的差值。当配电网能够单独满足负荷的功率需求时，储能缓冲系统则转入备用状态。当电动汽车充电完成后，储能缓冲系统则进入低功率慢速充电状态，为下一次脉冲充电储备电能。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：1.在充电功率快速变化的情况下，储能缓冲系统能够平滑直流侧母线的注入功率；2.可有效减轻快速充电给电网带来的冲击，减缓电网的压力，无需对变电站进行大规模的扩容；3.缩短电动汽车的充电时间。

附图说明

下面结合附图进一步说明储能缓冲系统的控制方法。

图1是典型的储能缓冲系统的电动汽车智能充电站结构示意图。

图2是储能缓冲系统的控制方法流程图。

图3是电动汽车充电负荷电流i_l的曲线图。

图4是配电网注入直流侧母线电流i_d的曲线图。

图5是储能缓冲系统注入直流侧母线电流i_es的曲线图。

图6是储能缓冲系统的能量增量ΔE_es的曲线图。

具体实施方式

如图2-图6所示，储能缓冲系统的控制方法按以下步骤实施：

步骤一：智能充电站通过直流侧母线从t₁时刻开始以恒定电压v_dc为电动汽车充电，充电负荷电流i_l=i_ll，配电网注入直流侧母线的电流i_d从0开始以设定的斜率R₁增加。

步骤二：储能缓冲系统补偿充电过程中的功率差额，注入直流侧母线的电流i_es=i_l-i_d。

步骤三：t₂时刻，配电网注入直流侧母线的电流i_d增大到i_d=i_l1，储能缓冲系统转入备用状态，i_es=0。

步骤四：t₃时刻，电动汽车充电完成，i_l=0；

上述步骤中，充电负荷电流i_l在t₁时刻阶跃上升，由于配电网注入电流i_d仅按设定的斜率R₁增加，配电网不能满足电动汽车充电负荷的功率需求，需由储能缓冲系统补偿充电中的功率差额，储能缓冲系统注入直流侧母线电流i_es=i_l-i_d。在t₂时刻，配电网能够单独满足负荷的功率需求，储能缓冲系统则转入备用状态。在t₃时刻电动汽车完成充电，配电网注入电流按设定斜率R₂减小(R₂>>R₁)，储能缓冲系统吸收多余的能量。

储能缓冲系统在放电期间的能量增量可由式(1)计算，

Δ E_{es} (t) = - \frac{v_{dc}}{2} i_{l 1} (t_{2} - t_{1}) = - \frac{v_{dc} i_{l 1}^{2}}{2 R_{1}} - - - (1)

式中，ΔE_es(t)为储能系统的能量增量，i_l1为电动汽车充电负荷电流，v_dc为智能充电站直流侧母线电压，R₁=i_l1/(t₂-t₁)为设定的配电网注入电流变化率。所选择的储能缓冲系统的能量必须大于或等于其最大能量增量值ΔE_es(t₂)。

在t₂～t₄阶段储能缓冲系统处于备用状态，忽略电动汽车充电结束后储能缓冲系统吸收的多余能量，则储能缓冲系统的能量保持不变，满足ΔE_es(t2)≈ΔE_es(t4)。

此后，储能缓冲系统进入低功率慢速充电状态：

步骤五：以充电电流i_ch为储能缓冲系统充电，i_ch=ΔE_es/k，ΔE_es为储能缓冲系统的能量增量，k为常数。

上述步骤中，充电电流i_ch由如下方式确定：(1)储能缓冲系统充电过程中，假设充电电流与储能缓冲系统的能量增量的绝对值成正比，即充电电流i_ch=|ΔE_es|/k。其中，i_ch为储能缓冲系统充电电流，ΔE_es为储能缓冲系统的能量增量，k为常数。(2)设定最大充电电流I_esm；当i_ch大于I_esm时，充电电流恒为I_esm；当i_ch小于I_esm时，充电电流则与储能缓冲系统的能量增量成正比，即i_ch=ΔE_es/k。

在t₄～t₅阶段，若-ΔE_es(t₂)>v_dcI_esmT_r时，充电电流i_es恒为I_esm；若-ΔE_es(t₄)≤v_dcI_esmT_r时，充电电流i_es则线性下降，此时无恒流充电阶段Δt₅₄=0且有ΔE_es(t₅)=ΔE_es(t₄)。

Δ t_{54} = \{\begin{matrix} \frac{- v_{dc} I_{esm} T_{r} - Δ E_{es} (t_{4})}{v_{dc} I_{esm}} = \frac{i_{l 1}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} - T_{r} & , & \frac{i_{l 1}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} > T_{r} \\ 0 & , & 0 < \frac{i_{l 1}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} \leq T_{r} \end{matrix} - - - (2)

式（2）中，i_l1为电动汽车充电电流，I_esm为设定的储能缓冲系统最大充电电流。T_r为根据设定的储能缓冲系统释放的能量限值|ΔE_esm|得到的时间常数，即T_r=|ΔE_esm|/v_dcI_esm。

在t=t₅时刻ΔE_es(t₅)=-v_dcI_esmT_r，储能缓冲系统充电电流开始衰减，充电电流i_ch与储能缓冲系统的能量增量的绝对值-ΔE_es成正比即i_ch=(-ΔE_es)/k，其中k=-v_dcT_r，则线性充电电流满足式(3)

\begin{matrix} i_{ch} (t) = \frac{Δ E_{es} (t)}{v_{dc} T_{r}} = \frac{Δ E_{es} (t_{5}) - v_{dc} {&Integral;}_{t_{5}}^{t} i_{ch} (t) dt}{v_{dc} T_{r}} \\ = \frac{Δ E_{es} (t_{5})}{v_{dc} T_{r}} - \frac{1}{T_{r}} {&Integral;}_{t_{5}}^{t} i_{ch} (t) dt = - I_{esm} - \frac{1}{T_{r}} {&Integral;}_{t_{5}}^{t} i_{ch} (t) dt \end{matrix} - - - (3)

求解式(3)的一阶线性微分方程，可得线性充电过程中充电电流为，

i_{ch} (t) = \{\begin{matrix} - I_{esm} e^{\frac{(t_{5} - t)}{T_{r}}} & , & \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} > T_{r} \\ - \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} T_{r}} e^{\frac{(t_{5} - t)}{T_{r}}} & , & 0 < \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} \leq T_{r} \end{matrix} - - - (4)

式（4）中，t₅为恒流充电结束时刻，t为线性充电过程中任意时刻值。

在t₆时刻，i_ch=-0.05I_esm时储能系统充电完成，由式(4)可得线性充电时间为，

Δ t_{65} = \{\begin{matrix} 3 T_{r} & , & \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} > T_{r} \\ (\ln \frac{10 {i_{1}}^{2}}{R_{1} I_{esm} T_{r}}) T_{r} & , & 0 < \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} \leq T_{r} \end{matrix} - - - (5)

根据式(2)和(4)可计算储能系统的总充电时间Δt_ch如下，

Δ t_{ch} = \{\begin{matrix} \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} + 2 T_{r} & , & \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} > T_{r} \\ (\ln \frac{10 {i_{1}}^{2}}{R_{1} I_{esm} T_{r}}) T_{r} & , & \frac{T_{r}}{20} < \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} \leq T_{r} \\ 0 & , & 0 < \frac{{i_{l 1}}^{2}}{2 R_{1} I_{esm}} \leq \frac{T_{r}}{20} \end{matrix} - - - (6)

。

Claims

1.一种电动汽车智能充电站储能缓冲系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤四：电动汽车充电完成，i_l=0；

步骤五：以充电电流i_ch为储能缓冲系统充电，i_ch=ΔE_es/k，ΔE_es为储能缓冲系统的能量增量，k为常数；

步骤七：判断|i_ch|是否等于0.05I_esm，如果是则充电结束，否则返回到步骤五。