CN103560505B - 电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其根据电网故障时限特性，智能地选取三种具体的控制方法。短时同步控制方法，可确保在第一个周波内接入点相位与电网相位之差小于θ_ε，且在余下若干周波内的任意时刻一体化站系统电压角速度与电网电压角速度之差小于，相位之差小于θ_ε；长时优化控制方法，可采用优化的切除负荷顺序，尽可能维持运行；孤岛运行控制方法，能够利用梯次储能系统的电能，为电池充换系统供电，与主网电压信息保持虚拟同步，仅在物理层面脱离主网自治运行，通过确定负荷切除顺序，使一体化站孤岛运行于最优状态，在电网恢复后实现与电网的无缝连接，大大提高一体化站及电网的灵活性和可靠性。

Description

电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法

技术领域

本发明涉及一种离网控制方法，尤其涉及一种用于电动汽车充放储一体化电站的新型离网虚连接控制方法。

背景技术

电动汽车被认为是汽车产业发展的重要方向之一，但其大规模推广应用仍受到电池成本、配套充电设施建设等因素的制约。目前，电动汽车尤其是民用轿车的行业标准较不成熟，仅仅满足电动汽车研发、试验的需要，各厂家使用的电池组差异较大，现阶段还不具备全面推行换电池电站的条件。公交车辆是当前乃至今后一段时间应用电动汽车技术的主流，我国电动汽车及充电设施的推广与建设主要集中在公交用车、公务用车等示范运营方面。国内研究人员提出了兼具充电、换电池、储能、退役电池再利用功能于一体的电动汽车智能充放储一体化电站，相比于传统的单一功能充电站、换电站或储能站，能够显著节约土地资源、降低电池使用成本，获得了广泛认可，被认为是推动电动汽车发展的有力保证。

研究人员围绕一体化电站开展了一系列科研，但是对于深层次的控制方法，还未见相关研究。尤其是当充放储一体化电站接入点发生瞬时性或永久性故障时，一体化电站作为可控电源应该如何运行，更未有探讨。

现有的针对带储能系统配电网控制的研究均是基于并网运行和孤岛运行两种运行状态展开的，在电网故障后即刻转入孤岛运行状态，然而外部电网故障类型多种多样，一概转入孤岛运行状态过于绝对和死板，例如当发生瞬时性故障时，外部电网在极短的时间内即可恢复正常，而按照常规控制策略，充放储一体化电站进入孤岛运行状态，会带来甩负荷、重新同期等复杂后果（且重新同期并网需要很长时间），降低了系统的可靠性。这说明现有的并网控制方法仅仅采用并网状态和孤岛状态过于简单和非智能，不能实现对一体化电站的灵活、快速、智能的控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种新型充放储一体化电站在与电网脱离时的虚连接控制方法，该控制方法全面考虑了多种故障、精确地以故障时限特性为依据采取灵活、智能的控制策略，充分发挥了一体化电站作为储能系统的设备优势和技术优势，可大大提高运行可靠性。

虚连接也称逻辑连接（Logic Connection），虚连接控制方法是指：当外部电网出现包括故障、检修或电能质量达不到要求在内的情况下，充放储一体化电站转入虚连接状态——一体化电站与外部电物理上是断开连接，但两者的连结节点信息相符；

虚连接状态分为短时同步、长时优化和孤岛运行三种状态。

A.短时同步

一体化站获取外部电网的电压相位信号作为本站的同步信号，一体化站以该同步信号保持运行某一预先设定的时间——在140ms内保持主网侧与一体化站连接节点电压信息的高度一致。

B.长时优化

当一体化站与外部电网断开时间超过设定时间后，通过低频减载来控制自身保持良好运行状态。预先将微电网设置呈放射状，具有一条负荷母线和多条馈线，母线通过主隔离设备与外部电网连接；多条馈线分别可设置为不可中断的负荷供电、可中断负荷供电、多源供电；

C.孤岛运行

当一体化站与外部电网断开时间超过设定时间后，可中断负荷供电快速切断与外部电网的连接。

根据本发明提供的一种电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，在电力系统发生瞬时性或永久性故障时，一体化电站主动切断与外部电网的物理连接，转入的离网虚连接状态，具体地，包括如下步骤：

步骤1：若外部电网发生故障，则进入短时同步的虚连接状态；

步骤2：判断外部电网故障是否为瞬时性故障，若为瞬时性故障，则无缝并网，否则进入步骤3继续执行；

步骤3：判断外部电网故障时间是否达到预设时间，若达到预设时间，则进入步骤4继续执行，否则返回步骤1；

步骤4：进入长时优化的虚连接状态；

步骤5：若一体化站与外部电网断开时间超过设定时间，则进入孤岛运行的虚连接状态。

优选地，当处于所述短时同步的虚连接状态时，一体化站获取外部电网的电压相位信号作为本站的同步信号，一体化站以该同步信号保持运行一预先设定的短时同步时间，在该短时同步时间内保持外部电网侧与一体化站接入点电压信息的高度一致。

优选地，所述短时同步的虚连接状态，具体为：

根据瞬时性故障与重合闸时限、以及一体化站的变频设备与电力电子设备对电压的要求，定义短时同步时间为多个周波周期，通过如下公式确保在第一个周波内一体化站接入点相位与外部电网相位之差小于θ_ε，且在余下的n个周波内的任意时刻一体化站系统电压角速度与外部电网电压角速度之差小于相位之差小于θ_ε：

将Δt＝20ms代入式(1)，并计算余下n个周波的应有：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&theta;}\left(0\right)-20\mathrm{ms}\&times;[{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}\left(t\right)]<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&epsiv;}},& 0\mathrm{ms}<t<20\mathrm{ms}\\ {\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}\left(t\right)<{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{\&epsiv;}},& 20\mathrm{ms}<t<20(n+1)\mathrm{ms}\\ \mathrm{\&theta;}\left(t\right)-{\&Integral;}_{20\mathrm{ms}}^{20(n+1)\mathrm{ms}}[{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}\left(t\right)]\&times;\mathrm{tdt}<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&epsiv;}},& 20\mathrm{ms}<t<20(n+1)\mathrm{ms}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，为系统电压矢量的角速度，为一体化电站输出电压矢量的角速度，为虚连接状态下系统电压与一体化电站电压角速度之差。θ_ε为人为设定的相位差允许值，为人为设定的角速度差，θ(t)为系统电压与一体化电站电压矢量的相角差。

优选地，当处于所述长时优化的虚连接状态时，一体化站通过低频减载来控制自身保持良好运行状态，其中，在一体化站中，预先将的微电网设置呈放射状，具有一条负荷母线和多条馈线，负荷母线通过主隔离设备与外部电网连接。

优选地，多条馈线分别设置为不可中断的负荷供电、可中断负荷供电、多源供电。

优选地，所述长时优化的虚连接状态，具体为：

一体化站首先通过潮流计算和频率控制要求得出需要切除的负荷量，然后根据动态的负荷优先级信息和/或预先设定的负荷切除顺序做出切负荷动作；采用具有记忆回路的锁相环设置在外部电网侧，来获取外部电网侧实时电压相位信息，通过寄存器实时记录并刷新一个周期的相位数据信息。

优选地，预先设定的负荷切除顺序为：首先切除用于提高一体化站运营舒适度的负荷，然后切除提供一体化站基本运营需求的负荷，再切除决定一体化站关键运营的负荷。

优选地，所述的通过潮流计算和频率控制要求得出需要切除的负荷量，具体步骤为：

1）计算站内负荷总量；

2）通过一体化电站调度系统，确定离网状态下一体化电站可用于离网运行的电池数量及电池能量状态；

3）制定离网运行的放电计划；

4）确定功率缺口，得出需要切除的负荷量；

所述的动态的负荷优先级信息的获取的具体步骤为：

1）主控系统计算机、变流装置控制回路为关键负荷；

2）除关键负荷外，用于实现一体化电站基础运营功能的控制、机械装置为运营负荷；

3）除关键负荷和运营负荷外，用以提高舒适度和美观性的负荷。

优选地，当处于所述孤岛运行的虚连接状态时，一体化站快速切断与外部电网的连接，中断负荷供电。

优选地，一体化站采用站内梯次储能系统的后备电力，对站内负载进行支持。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用虚连接技术，与主网电压信息保持虚拟同步，仅在物理层面脱离主网自治运行。通过对离网状态下的虚连接控制，确定负荷切除顺序，使一体化站孤岛运行于最优状态，在电网恢复后实现与电网的无缝连接，大大提高一体化站及电网的灵活性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中充放储一体化电站的结构示意图；

图2为本发明中一体化电站与电网连接的原理图；

图3为本发明中充放储一体化电站与电网连接的示意图；

图4为本发明中一体化电站与电网连接点的电压相位；

图5为本发明提出的控制方法的流程图；

图6为本发明提出的控制方法中孤岛运行状态时等效的一体化电站原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请参阅图1，图1示出充放储一体化电站的结构示意图，充放储一体化站由调度中心、多用途变流装置、电池充换系统和梯次电池储能系统等四部分组成。

请参阅图2，图2示出一体化电站电池更换系统与电网连接的原理图，高压侧由10kV母线双路电源进线供电，通过2台1600kVA的配电变压器经0.4kV母线桥给一体化电站供电。

请参阅图3，上述充放储一体化电站接入电网的方式，网侧电压向量记为站侧电压向量记为

请参阅图4，描述了当一体化电站进入离网状态时，上述两个电压向量的关系。图中为系统电压矢量的角速度，为一体化电站输出电压矢量的角速度，虚连接状态下系统电压与一体化电站电压角速度之差。θ(t)为系统电压与一体化电站电压矢量的相角差。当电网与一体化站正常运行时，电网电压与一体化站接入点电压保持同步，即而当电网发生故障导致充放储一体化电站离网进入孤岛运行状态时，电网电压与一体化站接入点电压的相角将会出现θ(t)的偏差，且电网角速度与一体化站孤岛运行角速度也会有所不同。

采用本发明提出的虚连接控制方法对一体化站孤岛运行角速度进行合理有效的控制，使得θ(t)趋向于0且趋向于即可达到一体化站和外部电网的无缝连接，其推导公式如下：

对于任意的θ(0)，设定一个极小的追赶角度θ_ε以及同步时间Δt，求解使得：

$\mathrm{\&theta;}\left(0\right)-\mathrm{\&Delta;t}\&times;[{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sp}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sp}}\left(t\right)]<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}---\left(1\right)$

通常应设定Δt在电网电压一个周波以内，且在θ(t)→0的前提下，调整使得：

${\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sp}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sp}}\left(t\right)<{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{\&epsiv;}}---\left(2\right)$

其中为重新合闸时允许角速度差的最大值。

采用虚连接控制技术，对于电网发生的瞬时性故障与永久性故障，智能地做出不同的控制决策，决策流程请参阅图5。

A.短时同步

根据瞬时性故障与重合闸时限，考虑到变频设备与电力电子设备对电压的要求，将短时定义为140ms，即7个周波。短时虚连接状态运行目标为保持主网侧与一体化站侧连接节点信息的高度一致，其关键在于精确获取主网电压向量。这种情况下，将Δt＝20ms代入式(1)，并计算余下6个周波的应有：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&theta;}\left(0\right)-20\mathrm{ms}\&times;[{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}\left(t\right)]<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&epsiv;}},\\ 0\mathrm{ms}<t<20\mathrm{ms}\\ {\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}\left(t\right)<\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}},\\ 20\mathrm{ms}<t<140\mathrm{ms}\\ \mathrm{\&theta;}\left(t\right)-{\&Integral;}_{20\mathrm{ms}}^{140\mathrm{ms}}[{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}^{\&prime;}\left(t\right)+\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}\left(t\right)-{\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&omega;}}}_{\mathrm{sP}}\left(t\right)]\&times;\mathrm{tdt}<{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{\&epsiv;}},\\ 20\mathrm{ms}<t<140\mathrm{ms}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，为电压矢量的角速度，为系统电压矢量的角速度，为一体化电站输出电压矢量的角速度，虚连接状态下系统电压与一体化电站电压角速度之差。

公式可确保在第一个周波内接入点相位与电网相位之差小于θ_ε，且在余下六个周波内的任意时刻一体化站系统电压角速度与电网电压角速度之差小于相位之差小于θ_ε。

B.长时优化

一体化站与主网也可能长时间断开，为保持要重新连接时的虚连接状态，需要长时间使一体化站自身保证一个良好的运行状态，其关键在于潮流计算与优化控制。

一体化站的储能部分仅在短时同步时用于功率快速补偿，不长时间输出功率，在长时优化时，直接参与频率控制，采取代理分布式控制，通过依据剩余容量和潮流计算结果协调控制。首先通过潮流计算和频率控制要求得出需要切除的负荷量，然后根据动态的负荷优先级信息做出切负荷动作。采用具有记忆回路的锁相环设置在外部电网侧，来获取主网侧实时电压相位信息，通过寄存器实时记录并刷新一个周期的相位数据信息。根据一体化站工程建设规划可设定如表1所示的切除负荷顺序。

表1切除负荷顺序

（Table.1Priority of Load Shedding）

C.孤岛状态下，一体化站完全失去电网供电，仅靠接入系统的光伏发电系统（建设规模30kW）和站内UPS远远不能维持整车充电系统、电池快换系统、以及分控中心的正常工作，必须采用站内梯次储能系统的后备电力，对站内负载进行支持。

请参阅图6，为本发明中虚连接控制方法的孤岛运行状态下，利用梯次储能系统的电能，对电池充换站进行备用充电的原理图，左边为梯次站的电池组，与其相连接的为进行恒压控制的Buck_boost1变换器，用来维持电容电压的稳定，右边为充换站的电池组，与其相连接的为进行恒流控制的Buck_boost2变换器，实现对电池的恒流充电。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其特征在于，在电力系统发生瞬时性或永久性故障时，一体化电站主动切断与外部电网的物理连接，转入的离网虚连接状态，具体地，包括如下步骤：

步骤1：若外部电网发生故障，则进入短时同步的虚连接状态；

步骤2：判断外部电网故障是否为瞬时性故障，若为瞬时性故障，则无缝并网，否则进入步骤3继续执行；

步骤3：判断外部电网故障时间是否达到预设时间，若达到预设时间，则进入步骤4继续执行，否则返回步骤1；

步骤4：进入长时优化的虚连接状态；

步骤5：若一体化站与外部电网断开时间超过设定时间，则进入孤岛运行的虚连接状态；

当处于所述长时优化的虚连接状态时，一体化站通过低频减载来控制自身保持良好运行状态，其中，在一体化站中，预先将的微电网设置呈放射状，具有一条负荷母线和多条馈线，负荷母线通过主隔离设备与外部电网连接；

多条馈线分别设置为不可中断的负荷供电、可中断负荷供电、多源供电；

所述长时优化的虚连接状态，具体为：

一体化站首先通过潮流计算和频率控制要求得出需要切除的负荷量，然后根据动态的负荷优先级信息和/或预先设定的负荷切除顺序做出切负荷动作；采用具有记忆回路的锁相环设置在外部电网侧，来获取外部电网侧实时电压相位信息，通过寄存器实时记录并刷新一个周期的相位数据信息；

预先设定的负荷切除顺序为：首先切除用于提高一体化站运营舒适度的负荷，然后切除提供一体化站基本运营需求的负荷，再切除决定一体化站关键运营的负荷。

2.根据权利要求1所述的电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其特征在于，当处于所述短时同步的虚连接状态时，一体化站获取外部电网的电压相位信号作为本站的同步信号，一体化站以该同步信号保持运行一预先设定的短时同步时间，在该短时同步时间内保持外部电网侧与一体化站接入点电压信息的高度一致。

3.根据权利要求2所述的电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其特征在于，所述短时同步的虚连接状态，具体为：

根据瞬时性故障与重合闸时限、以及一体化站的变频设备与电力电子设备对电压的要求，定义短时同步时间为多个周波周期，通过如下公式确保在第一个周波内一体化站接入点相位与外部电网相位之差小于θ_ε，且在余下的n个周波内的任意时刻一体化站系统电压角速度与外部电网电压角速度之差小于相位之差小于θ_ε：

将Δt＝20ms代入式(1)，并计算余下n个周波的应有：

其中，为系统电压矢量的角速度，为一体化电站输出电压矢量的角速度， 为虚连接状态下系统电压与一体化电站电压角速度之差，θ_ε为人为设定的相位差允许值，为人为设定的角速度差，θ(t)为系统电压与一体化电站电压矢量的相角差。

4.根据权利要求1所述的电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其特征在于，

所述的通过潮流计算和频率控制要求得出需要切除的负荷量，具体步骤为：

1)计算站内负荷总量；

2)通过一体化电站调度系统，确定离网状态下一体化电站可用于离网运行的电池数量及电池能量状态；

3)制定离网运行的放电计划；

4)确定功率缺口，得出需要切除的负荷量；

所述的动态的负荷优先级信息的获取的具体步骤为：

1)主控系统计算机、变流装置控制回路为关键负荷；

2)除关键负荷外，用于实现一体化电站基础运营功能的控制、机械装置为运营负荷；

3)除关键负荷和运营负荷外，用以提高舒适度和美观性的负荷。

5.根据权利要求1所述的电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其特征在于，当处于所述孤岛运行的虚连接状态时，一体化站快速切断与外部电网的连接，中断负荷供电。

6.根据权利要求5所述的电动汽车充放储一体化电站的离网虚连接控制方法，其特征在于，一体化站采用站内梯次储能系统的后备电力，对站内负载进行支持。