CN103414231B - 配电网故障下电动汽车换电站v2g运行的主动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电力系统控制技术领域中的一种配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法。包括：当配电网发生故障且换电站放电运行时，控制换电站中各充放电机，使放电电流由流向配电网变为流向未放电电池；当配电网线路类型为架空线路时，换电站根据其所在最小配电区域在设定时间内是否回到正常运行状态选择对应的控制方法；当配电网线路类型为电缆线路时，换电站在其所在最小配电区域回到正常运行状态后切换回正常运行时的控制方法；当配电网发生故障且换电站充电运行时，断开换电站与配电网的连接，使换电站停运；在配电网中故障消除后，换电站重新并网运行。本发明减小了换电站对架空线路和电缆线路配电网馈线自动化的影响。

Description

配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，尤其涉及一种配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法。

背景技术

V2G是Vehicle-to-grid（电动汽车与电网间交互）的简称，它描述了这样一个系统：当混合电动车或是纯电动车不在运行的时候，通过联接到电网的电动马达将能量输给电网；反过来，当电动车的电池需要充电时，电流可以从电网中提取出来给到电池。

随着对电动汽车越来越广泛的关注和深入的研究，电动汽车换电站作为一种主要的充电基础设施也备受关注。考虑到电网实际运行情况和可再生能源系统对电力系统的影响，可以将V2G技术应用到换电站中。当电网负荷过高时，在保证换电服务的基础上由换电站高价向电网售电；而当电网负荷低时，换电站存储电网过剩的发电量给电池充电。因此，换电站的V2G运行方式不仅可以获得额外的收益，为电网提供调峰、无功补偿等辅助服务，还可以增加电网稳定性和可靠性，降低电力系统运营成本。

虽然换电站中充放电机的主要结构是逆变器，每台充放电机提供的短路电流有限，但是当换电站中充放电机较多，容量较大时，在配电网发生短路故障的情况下且在换电站放电过程中，换电站提供的短路电流也较大，有可能会对保护系统产生较大影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法，用于解决配电网发生短路故障时换电站对配电网产生的不利影响。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：判断配电网是否发生故障，如果配电网发生故障，则执行步骤2；否则，继续执行步骤1；

步骤2：判断电动汽车换电站是否放电运行，如果电动汽车换电站放电运行，则执行步骤3；否则，执行步骤7；

步骤3：控制电动汽车换电站中各充放电机，使放电电流由流向配电网变为流向未放电电池；

步骤4：判断配电网线路类型是否为架空线路，如果配电网线路类型为架空线路，执行步骤5；否则，跳到步骤9；

步骤5：判断在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态；若回到正常运行状态，则执行步骤6；否则，跳到步骤7；

步骤6：电动汽车换电站切换回正常运行时的控制方法，然后返回步骤1；

步骤7：断开电动汽车换电站与配电网的连接，使电动汽车换电站停运；

步骤8：配电网中故障消除后，电动汽车换电站重新并网运行，然后返回步骤1；

步骤9：判断电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态；如果回到正常运行状态，则执行步骤6；否则，继续执行步骤9。

所述判断配电网是否发生故障具体为：当电动汽车换电站并网点电压大于等于0.88倍标么值时，配电网没有发生故障；否则，配电网发生故障。

所述步骤3具体为，确定放电的充放电机的控制方式，并根据放电的充放电机流出逆变器的电流控制充电的充放电机流入逆变器的电流；

所述确定放电的充放电机的控制方式是，当电动汽车换电站满足条件时，将放电的充放电机切换为电流控制方式；否则，使放电的充放电机保持PQ控制方式；其中，r为电池的充电倍率，a为电动汽车换电站的放电的充放电机数量，n为电动汽车换电站的充放电机总数量；

所述电流控制方式为控制放电的充放电机的d轴和q轴电流，使其分别满足 ${i_{d2}}^{*}=\frac{n-a}{a}\·i_{\mathrm{dch}}$ 和 ${i_{q2}}^{*}=\frac{n-a}{a}\·i_{\mathrm{qch}};$

i_d2 ^*为放电的充放电机的d轴电流；

i_dch为充电的充放电机的d轴电流；

i_q2 ^*为放电的充放电机的q轴电流；

i_qch为充电的充放电机的q轴电流；

所述PQ控制方式为控制放电的充放电机的有功功率和无功功率，使放电的充放电机的有功功率和无功功率的值分别为配电网下达的运行指令中设定的有功功率和无功功率的值；

所述根据放电的充放电机流出逆变器的电流控制充电的充放电机流入逆变器的电流是，根据公式计算充电的充放电机流入逆变器的电流，i_a,b,c ^*分别为充电的充放电机流入逆变器的a相、b相和c相指令电流，i_ja,b,c分别为第j台放电的充放电机流出逆变器的a相、b相和c相电流。

所述判断在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态具体是，当设定时间内电动汽车换电站并网点电压大于等于0.88倍标么值时，则设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域回到正常运行状态。

所述设定时间为t₀=t_tri1+t_re+t_tri2+t_ju+t_r+t_add；其中，t_tri1为重合器第一次跳闸的时间，t_re为重合器第一次跳闸后重合闸的时间，t_tri2为重合器第二次跳闸的时间，t_ju为判断故障区域时间与隔离故障区域时间之和，t_r为恢复非故障区域供电的时间，t_add为设定的裕量时间。

本发明提供的方法，无需投入额外设备，也无需限制换电站的容量，只需协调控制换电站中各充放电机，从而有效减小了换电站对架空线路和电缆线路配电网馈线自动化的影响。

附图说明

图1是配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法流程图；

图2是电动汽车换电站结构及其主动控制方法原理图；

图3是放电的充放电机控制方法图；

图4是充电的充放电机控制方法图；

图5是重合器安-秒特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法流程图，如图1所示，本发明提供的方法包括：

步骤1：判断配电网是否发生故障，如果配电网发生故障，则执行步骤2；否则，继续执行步骤1。

配电网是否发生故障根据换电站并网点电压水平V判断，当V<0.88p.u.时，即当电动汽车换电站并网点电压小于0.88倍标么值时，配电网发生故障。而当电动汽车换电站并网点电压大于等于0.88倍标么值时，配电网未发生故障。

步骤2：判断电动汽车换电站是否放电运行，如果电动汽车换电站放电运行，则执行步骤3；否则，执行步骤7。

根据电动汽车换电站运行状态监控系统或者模块可直接判定电动汽车换电站是否放电运行。

步骤3：控制电动汽车换电站中各充放电机，使放电电流由流向配电网变为流向未放电电池。

图2是电动汽车换电站结构及其主动控制方法原理图。换电站正常放电运行时，只有电池SOC（State Of Charge，荷电状态）满足条件的才允许放电，考虑到换电的工作原理，必有一部分电池充电时间较短而不满足放电条件，因此换电站中只有一部分电池在放电；当V<0.88p.u.时，协调控制换电站中各充放电机，使得放电的电池给剩余的电池充电，即放电电流由流向配电网变为流向未放电的电池，有效地减小换电站向故障点提供的电流。

（1）放电的充放电机控制方法：

图3是放电的充放电机控制方法图。正常放电运行时，换电站中放电的充放电机采用PQ控制方式，按照指令P^*和Q^*发出有功和无功。其中逆变器在dq坐标系下的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_d+{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_q+u_d-S_d{u}_{\mathrm{dc}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{Ri}}_q-{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_d+u_q-S_q{u}_{\mathrm{dc}}\end{array}\right.$

上式中，i_d和i_q分别为流入逆变器的d轴和q轴的电流，u_d和u_q分别为逆变器的d轴和q轴的电压，R和L分别为配电网侧的电阻和电感，ω₁为同步角速度，u_dc为逆变器直流侧电压，S_d和S_q分别为逆变器d轴和q轴的三相桥臂开关函数，可令u_dr=S_du_dc，u_qr=S_qu_dc。为寻找一种能解除d轴和q轴的间电流耦合和消除电网电压扰动的控制方法，可以将上式改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=-{u_{\mathrm{dr}}}^{\&prime;}+{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{dr}}+u_d\\ u_{\mathrm{qr}}=-{u_{\mathrm{qr}}}^{\&prime;}-{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{qr}}+u_q\end{array}\right.$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{dr}}}^{\&prime;}=L\frac{{\mathrm{di}}_d}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_d\\ {u_{\mathrm{qr}}}^{\&prime;}=L\frac{{\mathrm{di}}_q}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_q\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{dr}}={\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_q\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{\mathrm{qr}}={\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_d\end{array}\right.$

为简化控制算法，采用电网电压定向矢量控制技术，将d轴定向于电网电压矢量方向上，则u_d=u_s，u_q=0，其中u_s为相电压幅值。因此

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=-{u_{\mathrm{dr}}}^{\&prime;}+{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_q+u_s\\ u_{\mathrm{qr}}=-{u_{\mathrm{qr}}}^{\&prime;}-{\mathrm{\&omega;}}_1{\mathrm{Li}}_d\end{array}\right.$

逆变器从电网吸收的功率为：

$\left\{\begin{array}{c}P=u_d{i}_d+u_q{i}_q=u_s{i}_d\\ Q=u_q{i}_d-u_d{i}_q=-u_s{i}_q\end{array}\right.$

当V<0.88p.u.时，控制放电的电池给其他电池充电，如果放电的充放电机数量较多且放电功率指令较大，可能造成充电的充放电机给电池充电的电流过大，从而降低电池的使用寿命。为防止这种情况的发生，可以根据需要设置电池的充电倍率r，当每台充电的充放电机充电电流i_ch大于r对应的充电电流i_r时，放电的充放电机切换为电流控制方式，直接控制放电电流，保证充电电流不大于i_r。

假设换电站中共有n台充放电机，其中a台充放电机放电，且放电状态相同，则故障后充电的充放电机数量为n-a。为保证充电电池的寿命不受损害，i_ch按放电电流最大，即达到2倍额定电流的情况计算，计算公式如下：

$i_{\mathrm{ch}}=\frac{a\&CenterDot;{2i}_{\mathrm{dr}}}{n-a}$

上式中，i_dr为每台放电的充放电机额定放电相电流，按下式计算：

$i_{\mathrm{dr}}=\frac{P_r}{3U_r}$

其中，P_r为每台充放电机的额定功率，U_r为额定相电压。

在电池的充电倍率为r时，可近似地认为充电的充放电机充电功率为rP_r，因此i_r可按下式计算：

$i_r=\frac{{\mathrm{rP}}_r}{{3U}_r}$

根据上述各式，与i_ch>i_r对应的条件为：

因此在充电倍率设定后，可用上式快速判断出配电线路故障后放电的充放电机是否需要切换到电流控制方法。如果i_ch>i_r，则放电的充放电机切换为电流控制方式；否则，放电的充放电机维持PQ控制方式不变。

电流控制方式就是控制放电的充放电机的d轴和q轴电流，使其分别满足和其中，i_d2 ^*为放电的充放电机的d轴电流，i_dch为充电的充放电机的d轴电流，i_q2 ^*为放电的充放电机的q轴电流，i_qch为充电的充放电机的q轴电流。

由于在这种情况下，功率只在电动汽车换电站内部流动，因此不需要无功功率，即q轴电流为0。因此，i_qch=0，则i_q2 ^*=0。而根据电动汽车换电站的结构，充放电机侧电压等级为0.38kV（380V），即线电压有效值是0.38kV，则相电压幅值 $U_s=0.38\&times;\sqrt{2}/\sqrt{3}=0.31\mathrm{kV}.$

另外，PQ控制方式为控制放电的充放电机的有功功率和无功功率，使放电的充放电机的有功功率和无功功率的值分别为配电网下达的运行指令中设定的有功功率和无功功率的值。

（2）充电的充放电机控制方法。

图4是充电的充放电机控制方法图。充电的充放电机控制方法根据放电的充放电机流出逆变器的电流控制充电的充放电机流入逆变器的电流。

充电的充放电机采用三角波比较方式的电流跟踪控制方法。当V<0.88p.u.时，由流入逆变器的指令电流i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*与流入逆变器的实际电流i_a、i_b、i_c求出偏差电流，经过PI后通过与三相三角波发生电路产生的载波比较驱动IGBT工作，其中三相指令电流按下式计算：

${i_{a,b,c}}^{*}=\frac{\underset{j=1}{\overset{a}{\mathrm{\&Sigma;}}}{i}_{\mathrm{ja},b,c}}{n-a}$

式中，i_a,b,c ^*分别为充电的充放电机流入逆变器的a相、b相和c相指令电流，i_ja,b,c分别为第j台放电的充放电机流出逆变器的a相、b相和c相电流。

步骤4：判断配电网线路类型是否为架空线路，如果配电网线路类型为架空线路，执行步骤5；否则，跳到步骤9。

由于配电网线路类型分为架空线路和电缆线路，不同线路类型配电网故障类型与故障处理过程不同，需要分别考虑。

步骤5：判断在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态；若回到正常运行状态，则执行步骤6；否则，跳到步骤7。

如果一个区域的所有端点都是开关且没有内点或所有内点都是T接点，则称该区域为最小配电区域。“电动汽车换电站所在最小配电区域”即指含有电动汽车换电站的最小配电区域，可以根据配电网拓扑结构确定。

对于架空线路，短路故障包括瞬时性故障和永久性故障。如果配电线路发生瞬时性故障或换电站所在最小配电区域之外发生了永久性故障，换电站所在最小配电区域能够在较短时间内恢复供电；如果换电站所在最小配电区域发生了永久性故障，只有故障消除后才能恢复供电。

设定时间用来判断换电站所在最小配电区域是否发生了永久性故障，因此它与重合器第一次和第二次分闸时间、重合闸时间、判断隔离故障区域及恢复供电时间有关。

图5为一组重合器安-秒特性曲线图，令设定时间t₀=t_tri1+t_re+t_tri2+t_ju+t_r+t_add。其中，t_tri1为重合器第一次跳闸的时间，按快速跳闸安-秒曲线的最大跳闸时间取为0.2s。t_re为重合器第一次跳闸后重合闸的时间，一般取0.5s。t_tri2为重合器第二次跳闸的时间，按慢速跳闸安-秒特性曲线的最大跳闸时间取为2s。t_ju为判断故障区域时间与隔离故障区域时间之和，取1min。t_r为恢复非故障区域供电的时间，取3min。t_add为设定的裕量时间，取30-60s。因此设定时间t₀可取为5min。如果在5min内换电站并网点电压V>=0.88p.u.，则立即执行步骤6；否则，跳到步骤7。

上述重合器是配电网中的一种自具控制（即本身具备故障电流检测和操作顺序控制与执行功能，无需提供附加继电保护和操作装置）及保护功能的开关设备，它能够自动检测通过重合器主回路的电流，故障时按反时限保护自动开断故障电流，并依照预定的延时和顺序进行多次地重合。

上述“非故障区域”指配电网中故障区域之外的区域。配电网中发生永久性故障时，重合器2次跳闸，此时整个配电网都是断电的，然后判断并隔离故障区域，再恢复非故障区域的供电。

步骤6：电动汽车换电站切换回正常运行时的控制方法，然后返回步骤1。

在配电网故发生故障时，如果在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域回到正常运行状态，则说明配电网发生了瞬时性故障或者该最小配电区域以外发生了永久性故障且已隔离并恢复了非故障区域的供电，换电站切换回正常放电运行时的控制方法。即采用PQ控制方式控制放电的充放电机的有功功率和无功功率，使放电的充放电机的有功功率和无功功率的值分别为配电网下达的运行指令中设定的有功功率和无功功率的值。

步骤7：断开电动汽车换电站与配电网的连接，使电动汽车换电站停运。

如果电动汽车换电站充电运行，则在配电网故发生故障后无法继续充电，换电站需停运；如果电动汽车换电站放电运行且配电网故障发生后在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域没有回到正常运行状态，说明该最小配电区域发生了永久性故障，短时间内无法恢复供电，此时换电站也需停运。

步骤8：配电网中故障消除后，电动汽车换电站重新并网运行，然后返回步骤1。

步骤9：判断电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态；如果回到正常运行状态，则执行步骤6；否则，继续执行步骤9。

换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态根据换电站并网点电压水平V判断，当V>=0.88p.u.时，换电站所在最小配电区域回到正常运行状态，执行步骤6；否则，换电站所在最小配电区域未回到正常运行状态，返回步骤9。

本发明可以适用于各种含有电动汽车换电站的配电网馈线自动化系统中，包括而不局限于基于FTU的馈线自动化、基于重合器的馈线自动化、重合器-熔断器配合的馈线自动化等结构。另外，本发明提出的主动控制方法，不需额外的投资，也不会因为保护系统的要求而限制换电站的容量，思路清晰，控制方法简便易行，可以有效减小换电站对架空线路和电缆线路配电网馈线自动化的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种配电网故障下电动汽车换电站V2G运行的主动控制方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：判断配电网是否发生故障，如果配电网发生故障，则执行步骤2；否则，继续执行步骤1；

步骤2：判断电动汽车换电站是否放电运行，如果电动汽车换电站放电运行，则执行步骤3；否则，执行步骤7；

步骤3：控制电动汽车换电站中各充放电机，使放电电流由流向配电网变为流向未放电电池，具体为，确定放电的充放电机的控制方式，并根据放电的充放电机流出逆变器的电流控制充电的充放电机流入逆变器的电流；

所述确定放电的充放电机的控制方式是，当电动汽车换电站满足条件时，将放电的充放电机切换为电流控制方式；否则，使放电的充放电机保持PQ控制方式；其中，r为电池的充电倍率，a为电动汽车换电站的放电的充放电机数量，n为电动汽车换电站的充放电机总数量；

所述电流控制方式为控制放电的充放电机的d轴和q轴电流，使其分别满足 ${i_{d2}}^{*}=\frac{n-a}{a}\&CenterDot;i_{\mathrm{dch}}$ 和 ${i_{q2}}^{*}=\frac{n-a}{a}\&CenterDot;i_{\mathrm{qch}};$

i_d2 ^*为放电的充放电机的d轴电流；

i_dch为充电的充放电机的d轴电流；

i_q2 ^*为放电的充放电机的q轴电流；

i_qch为充电的充放电机的q轴电流；

所述PQ控制方式为控制放电的充放电机的有功功率和无功功率，使放电的充放电机的有功功率和无功功率的值分别为配电网下达的运行指令中设定的有功功率和无功功率的值；

所述根据放电的充放电机流出逆变器的电流控制充电的充放电机流入逆变器的电流是，根据公式计算充电的充放电机流入逆变器的电流，i_a,b,c ^*分别为充电的充放电机流入逆变器的a相、b相和c相电流，i_ja,b,c分别为第j台放电的充放电机流出逆变器的a相、b相和c相电流；

步骤4：判断配电网线路类型是否为架空线路，如果配电网线路类型为架空线路，执行步骤5；否则，跳到步骤9；

步骤5：判断在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态；若回到正常运行状态，则执行步骤6；否则，跳到步骤7；

步骤6：电动汽车换电站切换回正常运行时的控制方法，然后返回步骤1；

步骤7：断开电动汽车换电站与配电网的连接，使电动汽车换电站停运；

步骤8：配电网中故障消除后，电动汽车换电站重新并网运行，然后返回步骤1；

步骤9：判断电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态；如果回到正常运行状态，则执行步骤6；否则，继续执行步骤9。

2.根据权利要求1所述的主动控制方法，其特征是所述判断配电网是否发生故障具体为：当电动汽车换电站并网点电压大于等于0.88倍标么值时，配电网没有发生故障；否则，配电网发生故障。

3.根据权利要求1或2所述的主动控制方法，其特征是所述判断在设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域是否回到正常运行状态具体是，当设定时间内电动汽车换电站并网点电压大于等于0.88倍标么值时，则设定时间内电动汽车换电站所在最小配电区域回到正常运行状态。

4.根据权利要求3所述的主动控制方法，其特征是所述设定时间为t₀＝t_tri1+t_re+t_tr2i+t_ju+t_r+t；其中，t_tri1为重合器第一次跳闸的时间，t_re为重合器第一次跳闸后重合闸的时间，t_tri2为重合器第二次跳闸的时间，t_ju为判断故障区域时间与隔离故障区域时间之和，t_r为恢复非故障区域供电的时间，t_add为设定的裕量时间。