CN104241720A - 一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，实现了直流快速充电站运行模式的灵活切换，对微网系统并网及离网运行方式下的不同需求提供支持。在为电动汽车提供充电服务的同时，使电动汽车发挥动力电池的储能作用及快速响应特性，实现微网系统的优化及稳定运行，提高了直流快速充电站的增值服务价值。本发明充分发挥了直流快速充电站的作用，提高了资源利用效率，具有灵活、可靠、自动化程度高的特点，对微网系统的优化和稳定运行提供了支持。

Description

一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法

技术领域

本发明涉及一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法。

背景技术

交流充电、直流充电和电池更换是电动汽车能量补给的几种主要形式。电动汽车直流快速充电站是为电动汽车提供快速充电服务的站点，电动汽车在充电站内进行集中充电，相当于直流快速充电站将分散的充电负荷进行聚集，更有利于电网对电动汽车充电负荷进行管理，同时更有利于配电网络的规划建设。

发展分布式电源已列入了国家“十二五”发展规划。目前，我国可再生能源发电以大规模、远距离集中接入为主要形式，对电网的输电容量、调峰/调频能力提出了较高的要求。分布式可再生能源发电通过配电网并网，深入负荷中心，并可实现本地自治管理，相比于集中式接入，更有利于电网的优化运行。微网是分布式电源应用的高级模式，其可采用并网或离网方式运行。当微网中的电源以风力/光伏发电为主时，其出力的不确定性和波动性将使微网运行出现稳定性、电能质量等问题。

电动汽车直流快速充电站有一定数量的电动汽车充电，电动汽车可以等效成电池，因此具备一定的储能能力。电动汽车直流快速充电站通过中低压配电网并网，可为微网的运行控制提供支撑。直流快速充电站可对站内电动汽车内电池的充放电进行动态调节，参与微网系统的有功、无功控制。直流快速充电站与为微网的结合，不仅对微网的运行控制有重要意义，还可以更大程度的发挥直流快速充电站的作用，促进电动汽车产业的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，使电动汽车直流快速充电站在满足电动汽车充电需求的同时，对微网系统的稳定和优化运行进行支持。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，包括如下步骤：

(1)微网系统处于并网状态时，直流快速充电站监控系统预测下一时段的服务车辆数量N并采集每个电动汽车电池箱的荷电状态；

(2)根据服务车辆数量的预测数据N及各电动汽车电池箱荷电状态，从高到低对各电池箱进行排序，排序在前N个的电动汽车电池箱按照设定的常规充电模式保留充电，其余N’个电动汽车电池箱参与调控；

(3)根据N’个参与调控的电动汽车电池箱的剩余电量，对直流快速充电站整体的充放电容量进行估算，将估算得到的正向功率P₊及其持续时间T₊、反向功率P_-及其持续时间T_-发送至微网能量管理系统；

(4)微网能量管理系统根据系统内其他设备和用户的状态和运行目标，向直流快速充电站监控系统下达直流快速充电站有功功率调度命令P_BES以及无功功率调度命令Q_BES；

(5)直流快速充电站监控系统按照分配算法计算各参与调控的充电机的有功功率指令P_i和无功功率指令Q_i，并下达至对应的充电机进行充电。

服务车辆数量的预测数据N的计算公式为：N＝λ(t_i)ΔT，λ(t_i)为t_i时刻车辆的密度。

直流快速充电站整体的充放电容量估算公式如下：

$P_{+}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}(1-{\mathrm{SOC}}_j)}{\text{1-min}({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2......\mathrm{SO}{C}_{N^{,}})}{S}_r$

$P_{-}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_j}{\text{max}({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2......\mathrm{SO}{C}_{N^{,}})}{S}_r$

$T_{+}\frac{Q[1-\min ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2......{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})]}{S_r}$

$T_{-}=\frac{Q*\max ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})}{S_r}$

其中，S_r为充电机的视在功率，Q为单个电池箱容量，SOC_j为第j个电动汽车电池箱荷电状态,SOC_N'为第N’个电动汽车电池箱荷电状态。

直流快速充电站监控系统按照如下规则向各参与调控的充电机下达指令进行充电：

若P_BES＞0，有功功率指令 $P_i=\frac{(1-{\mathrm{SOC}}_i)}{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}(1-{\mathrm{SOC}}_j)}{P}_{\mathrm{BES}},1\≤i\≤N^{,};$

若P_BES＜0，有功功率指令为

无功功率指令 $Q_i=\frac{\sqrt{{S_r}^2-{P_i}^2}}{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{S_r}^2-{P_j}^2}}{Q}_{\mathrm{BES}},1\≤i\≤N^{,}.$

其中，SOC_i为第i个电动汽车电池箱荷电状态。

所述微网能量管理系统与直流快速充电站监控系统进行双向通讯，对直流快速充电站与微网的能量交换进行管理。

所述微网能量管理系统对微网内的各个设备或者用户进行管理，并接受电网管理系统的调度管理，同时对并网开关进行远程控制，向其发出并网/离网指令。

所述直流快速充电站监控系统包括：

车辆到达率预测模块，用于对下一时段的服务车辆数量N进行预测，并将预测数据发送至可控容量估算模块；

可控容量估算模块，根据预测数据及充电设备监控模块发送的各电动汽车电池箱荷电状态，从高到低对各电动汽车电池箱进行排序，排序在前N个的电动汽车电池箱按照设定的常规充电模式保留充电，其余N’个电动汽车电池箱参与调控，可控容量预估算块根据N’个参与调控电池箱的剩余电量，对直流快速充电站整体的充放电容量进行估算，将估算得到的正向功率P₊及其持续时间T₊、反向功率P_-及其持续时间T_-发送至微网能量管理系统；

协调分配模块，用于接收微网能量管理系统下达的直流快速充电站有功功率调度命令P_BES以及无功功率调度命令Q_BES；

充电设备监控模块，用于将各充电机的有功功率指令P_k和下达至各充电机。

所述直流快速充电站设定的常规充电模式是指直流快速充电站对电动汽车即时进行充电，直至电动汽车充满电量。

当微网系统离网运行时，直流快速充电站作为主电源向微网系统供电，维持系统电压和频率稳定，充电机采用下垂控制对系统频率f、电压V进行自动响应。

本发明的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法实现了直流快速充电站运行模式的灵活切换，对微网系统并网及离网运行方式下的不同需求提供支持。在为电动汽车提供充电服务的同时，使电动汽车发挥动力电池的储能作用及快速响应特性，实现微网系统的优化及稳定运行，提高了直流快速充电站的增值服务价值。本发明充分发挥了直流快速充电站的作用，提高了资源利用效率，具有灵活、可靠、自动化程度高的特点，对微网系统的优化和稳定运行提供了支持。

微网能量管理系统对微网系统内的各个设备或者用户进行管理，并接受电网管理系统的调度管理，且微网能量管理系统对并网开关进行远程控制，向并网开关发出并网/离网指令，微网能量管理系统与直流快速充电站监控系统进行双向通讯，对直流快速充电站与微网的能量交换进行管理。

附图说明

图1为本发明电动汽车直流快速充电站监控系统功能模块示意图；

图2为本发明微网中的电动汽车直流快速充电站管理系统的结构示意图；

图3为本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图1所示，本发明的直流快速充电站监控系统的功能模块包括：充电设备监控模块、车辆到达率预测模块、可控容量估算模块和协调分配模块；本发明微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，包括如下步骤：

(1)直流快速充电站监控系统预测下一时段的服务车辆数量N并采集每个电动汽车电池箱的荷电状态SOC_j，其中，N＝λ(t_i)ΔT，λ(t_i)为t_i时刻车辆的密度。

(2)根据服务车辆数量的预测数据N及充电站中当前各电动汽车电池箱荷电状态，从高到低对各电池箱进行排序，排序在前N个的电动汽车电池箱按照设定的常规充电模式保留充电，其余N’个电动汽车电池箱参与调控。

(3)根据N’个参与调控的电动汽车电池箱的剩余电量，对直流快速充电站整体的充放电容量进行估算，将估算得到的正向功率P₊及其持续时间T₊、反向功率P_-及其持续时间T_-发送至微网能量管理系统。

可控容量的估算公式如下：

$P_{+}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}(1-{\mathrm{SOC}}_j)}{\text{1-min}({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2......\mathrm{SO}{C}_{N^{,}})}{S}_r$

$P_{-}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_j}{\text{max}({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2......\mathrm{SO}{C}_{N^{,}})}{S}_r$

$T_{+}\frac{Q[1-\min ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2......{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})]}{S_r}$

$T_{-}=\frac{Q*\max ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})}{S_r}$

其中，S_r为充电机的视在功率，Q为单个电池箱容量，SOC_j为第j个电动汽车电池箱荷电状态,SOC_N'为第N’个电动汽车电池箱荷电状态。

(4)微网能量管理系统根据系统内其他设备和用户的状态和运行目标，向直流快速充电站监控系统下达直流快速充电站有功功率调度命令P_BES以及无功功率调度命令Q_BES。

(5)直流快速充电站监控系统按照设定的分配算法计算各参与调控的充电机的有功功率指令P_i和无功功率指令Q_i，并下达至对应的充电机进行充电。

本实施例设定的分配算法如下：

若P_BES＞0，有功功率指令 $P_i=\frac{(1-{\mathrm{SOC}}_i)}{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}(1-{\mathrm{SOC}}_j)}{P}_{\mathrm{BES}},1\≤i\≤N^{,};$

若P_BES＜0，有功功率指令为

无功功率指令 $Q_i=\frac{\sqrt{{S_r}^2-{P_i}^2}}{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{S_r}^2-{P_j}^2}}{Q}_{\mathrm{BES}},1\≤i\≤N^{,}.$

其中，SOC_i为第i个电动汽车电池箱荷电状态。

如图2所示，本发明的微网中的电动汽车直流快速充电站管理系统包括电网管理系统、微网能量管理系统、直流快速充电站监控系统，微网能量管理系统对微网系统内的各个设备或者用户进行管理，并接受电网管理系统的调度管理，且微网能量管理系统对并网开关进行远程控制，向并网开关发出并网/离网指令，微网能量管理系统与直流快速充电站监控系统进行双向通讯，对直流快速充电站与微网的能量交换进行管理。

当直流快速充电站随微网系统运行状态进入不同运行模式时，直流快速充电站中的充电机进入相应工作模式，直流快速充电站监控系统将启动相应功能模块。

直流快速充电站的充电运行模式包括有三种：1)不控模式：直流快速充电站对电动汽车即时进行充电，直至电动汽车充满电量；2)辅助模式：直流快速充电站按照微网能量管理系统下达的有功功率和无功功率指令对直流快速充电站内的电动汽车进行充放电控制；3)应急模式：直流快速充电站作为主电源向微网系统供电，维持系统电压和频率稳定。

充电机的工作模式包括有三种：1)被动模式：充电机在电动汽车上电池能量管理系统(BMS)的控制下进行工作；2)主动模式：各充电机按照有功/无功指令值P_k、Q_k进行调制；3)自适应模式：充电机采用下垂控制对系统频率f、电压V进行自动响应。

如图3所示，当微网系统离网运行时，直流快速充电站进入应急模式；当微网系统并网运行时，若微网系统向直流快速充电站下达功率控制命令，此时直流快速充电站进入辅助模式，否则按照不控模式运行。

在不控模式下，微网系统处于并网状态，直流快速充电站监控系统中充电设备监控模块处于启动状态，各充电机处于被动模式，即充电机在电动汽车电池箱的电池能量管理系统(BMS)的控制下进行工作，充电功率仅受到充电机容量的限制；在辅助模式下，微网系统处于并网状态，直流快速充电站监控系统充电设备监控模块、车辆到达率预测模块、可控容量估算模块、协调分配模块均启动，被保留充电电动汽车电池箱对应工位的充电机处于被动模式，其余参与调控电动汽车电池箱对应工位的充电机启动主动模式；在应急模式下，仅启动充电设备监控模块，各充电机工作于自适应模式，即充电机采用下垂控制对系统频率、电压进行动态响应，此时微网系统处于离网状态，直流快速充电站监控系统充电设备监控模块处于启动状态，站内各充电机启动自适应模式。

以图1为例进行说明，直流快速充电站101包含一定数量的电动汽车，每一辆电动汽车通过双向充电机接入微网系统低压母线，分布式电源102、负荷103及其他设备(用户)104也并入该母线。微网能量管理系统20对系统内的各个设备或者用户进行管理，并接受电网管理系统30的调度管理。微网能量管理系统20与直流快速充电站监控系统10进行双向通讯，对直流快速充电站的充放电进行管理。微网能量管理系统20对并网开关111进行远程控制，向其发出并网/离网指令。

直流快速充电站监控系统10在辅助模式下，启动充电设备监控模块、车辆到达率预测模块、可控容量估算模块、协调分配模块。车辆到达率预测模块将下一时段的服务车辆数量λ(t_i)ΔT发送至可控容量估算模块。所述可控容量预估算块根据预测数据及充电设备监控模块发送的各电池箱荷电状态SOC_k，从高到低对各电动汽车电池箱进行排序，排序在前λ(t_i)ΔT的电动汽车电池箱按照常规充电模式保留充电，其余N’个电动汽车电池箱参与调控。所述可控容量估算模块根据N’个参与调控电动汽车电池箱的剩余电量，对直流快速充电站整体的充放电容量进行计算，将计算得到的正向功率P₊及其持续时间T₊、反向功率P_-及其持续时间T_-发送至微网能量管理系统。微网能量管理系统根据电系统内其他设备和用户的状态和运行目标，向协调分配模块04下达直流快速充电站有功功率调度命令P_BES以及无功功率调度命令Q_BES。协调分配模块按照分配算法计算各充电机有功功率指令P_k和无功功率指令Q_k，并通过充电设备监控模块下达至各充电机。此时，各充电机工作于主动模式，即各充电机按照监控系统有功/无功指令值P_k、Q_k进行输出调制。

以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)微网系统处于并网状态时，直流快速充电站监控系统预测下一时段的服务车辆数量N并采集每个电动汽车电池箱的荷电状态；

(2)根据服务车辆数量的预测数据N及各电动汽车电池箱荷电状态，从高到低对各电池箱进行排序，排序在前N个的电动汽车电池箱按照设定的常规充电模式保留充电，其余N’个电动汽车电池箱参与调控；

(3)根据N’个参与调控的电动汽车电池箱的剩余电量，对直流快速充电站整体的充放电容量进行估算，将估算得到的正向功率P₊及其持续时间T₊、反向功率P_-及其持续时间T_-发送至微网能量管理系统；

(4)微网能量管理系统根据系统内其他设备和用户的状态和运行目标，向直流快速充电站监控系统下达直流快速充电站有功功率调度命令P_BES以及无功功率调度命令Q_BES；

(5)直流快速充电站监控系统按照分配算法计算各参与调控的充电机的有功功率指令P_i和无功功率指令Q_i，并下达至对应的充电机进行充电。

2.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于：服务车辆数量的预测数据N的计算公式为：N＝λ(t_i)ΔT，λ(t_i)为t_i时刻车辆的密度。

3.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于：直流快速充电站整体的充放电容量估算公式如下：

$P_{+}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}(1-{\mathrm{SOC}}_j)}{1-\min ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})}{S}_r$

$P_{-}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N^{,}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SOC}}_j}{\max ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})}{S}_r$

$T_{+}=\frac{Q[1-\min ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})]}{S_r}$

$T_{-}=\frac{Q*\max ({\mathrm{SOC}}_1,{\mathrm{SOC}}_2\·\·\·\·\·\·{\mathrm{SOC}}_{N^{,}})}{S_r}$

其中，S_r为充电机的视在功率，Q为单个电池箱容量，SOC_j为第j个电动汽车电池箱荷电状态,为第N’个电动汽车电池箱荷电状态。

4.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于，直流快速充电站监控系统按照如下规则向各参与调控的充电机下达指令进行充电：

若P_BES＞0，有功功率指令1≤i≤N’；

若P_BES＜0，有功功率指令为1≤i≤N’；

无功功率指令1≤i≤N’；

其中，SOC_i为第i个电动汽车电池箱荷电状态。

5.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于：所述微网能量管理系统与直流快速充电站监控系统进行双向通讯，对直流快速充电站与微网的能量交换进行管理。

6.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于：所述微网能量管理系统对微网内的各个设备或者用户进行管理，并接受电网管理系统的调度管理，同时对并网开关进行远程控制，向其发出并网/离网指令。

7.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于，所述直流快速充电站监控系统包括：

车辆到达率预测模块，用于对下一时段的服务车辆数量N进行预测，并将预测数据发送至可控容量估算模块；

可控容量估算模块，根据预测数据及充电设备监控模块发送的各电动汽车电池箱荷电状态，从高到低对各电动汽车电池箱进行排序，排序在前N个的电动汽车电池箱按照设定的常规充电模式保留充电，其余N’个电动汽车电池箱参与调控，可控容量预估算块根据N’个参与调控电池箱的剩余电量，对直流快速充电站整体的充放电容量进行估算，将估算得到的正向功率P₊及其持续时间T₊、反向功率P_-及其持续时间T_-发送至微网能量管理系统；

协调分配模块，用于接收微网能量管理系统下达的直流快速充电站有功功率调度命令P_BES以及无功功率调度命令Q_BES；

充电设备监控模块，用于将各充电机的有功功率指令P_k和下达至各充电机。

8.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于：所述直流快速充电站设定的常规充电模式是指直流快速充电站对电动汽车即时进行充电，直至电动汽车充满电量。

9.根据权利要求1所述的微网中的电动汽车直流快速充电站充电控制方法，其特征在于：当微网系统离网运行时，直流快速充电站作为主电源向微网系统供电，维持系统电压和频率稳定，充电机采用下垂控制对系统频率f、电压V进行自动响应。