CN104600807B - 基于交直流双母线的电动车充电站系统 - Google Patents

Abstract

一种基于交直流双母线的电动车充电站系统，该系统采用了交流和直流双母线、母线连接若干子系统、子系统内模块化、双数据交互通道的系统框架，具备完整的电动车充电站系统功能。该系统以双向变流器为系统核心，双向变流器的交流侧连接交流母线、直流侧连接直流母线，能量通过双向变流器在交直流母线之间双向流动。直流母线上连接储能子系统、光伏子系统、风电子系统和若干直流充电机子系统，交流母线上连接市电接入子系统、有源电力滤波器APF接入子系统、柴油发电机接入子系统和若干交流充电机子系统。交流充电机子系统和直流充电机子系统的数量及容量可以根据实际需要灵活选择。本发明，配置灵活、供电可靠性高，使电动车充电站负荷与新能源发电相互结合，实现系统可持续稳定运行。

Description

基于交直流双母线的电动车充电站系统

技术领域

本发明属于电动车充电站、新能源发电接入和可靠性供电领域，系统具备电动车充电站完整功能，实现市电、柴油发电机、光伏、风电等多种能源交直流混合接入，可适用于DC250V-DC750V全系列电动车快速充电、AC220V慢速充电和DC30V-DC90V电动车电池换电站中独立电池组充电，并可用于新能源发电的多余电量并网。

背景技术

一方面，大量电动车同时进行快速充电会对配电网造成很大的负荷冲击，从而导致配电网潮流波动过大，难以维持稳定运行；同时，在很多偏远地区由于利用率低、建设成本高、电力输送困难等原因，常规电动车充电站网络很难延伸到这些地区，限制了电动车的使用范围。另一方面，光伏、风电等资源在偏远地区极其丰富，但由于新能源发电的间歇性、不稳定、不可控等特点，限制了此类资源的的充分利用。采用交直流双母线、配以双向变流器、在直流母线上设置储能子系统的办法，可以统一解决以上两方面问题；在并网运行情况下，既可以平抑大量电动车同时充电对配电网造成的负荷冲击，又可以平抑新能源发电的波动性；在离网运行情况下，利用新能源发电、柴油发电机、储能相配合，实现对偏远地区的电动车充电站供电。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种基于交直流双母线的电动车充电站系统，用于平抑大量电动车同时充电对配电网造成的冲击和新能源并网发电的波动性问题；通过新能源发电、柴油发电机、储能相配合的方法，解决偏远地区的电动车充电站供电问题。

本发明的具体实现方案如下：

一种基于交直流双母线的电动车充电站系统，包括交流母线以及交流母线连接子系统、直流母线和直流母线连接的子系统、双向变流器；其特征在于：

双向变流器的交流侧连接交流母线，双向变流器的直流侧连接直流母线，能量通过双向变流器在交流母线和直流母线之间双向流动；

直流母线上连接的子系统包括储能子系统、光伏子系统、风电子系统和若干直流充电机子系统，将光伏、风电作为直流母线的直接输入电源，直流充电机直接从直流母线获取能量为电动车充电；

交流母线上连接的子系统包括市电接入子系统、有源电力滤波器APF接入子系统、柴油发电机接入子系统和若干交流充电机子系统，将市电、柴油发电机作为交流母线的直接输入电源，交流充电机直接从交流母线获取能量为电动车充电。

本发明还可以进一步优选采用以下技术方案：

交流充电机子系统和直流充电机子系统的数量可以根据实际需要灵活选择。

直流母线上连接的子系统，以及交流母线上连接的子系统均采用模块化设计，子系统可包含若干个模块，根据实际使用需要，灵活选择配置模块的数量及容量。功能模块主要由模块控制器和模块主电路组成，可独立实现电流、电压变化等基本功能。同一子系统中的功能模块完全相同，不同各子系统中的功能模块不同。

所述电动车充电站系统还包括系统主控制器、子系统控制器和模块控制器；子系统控制器与模块控制器之间设有独立信号交互通道；系统主控制器与子系统控制器之间设有独立信号交互通道，与交换机数据通道并行。

所述电动车充电站系统还设有数据交换机，数据交换机连接系统主控制器、各子系统控制器、计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器，并实现所连接设备间的数据交互。

所述系统主控制器负责整个电动车充电站系统的总体控制、工作模式切换和各子系统的功能协调等功能，方便充电站的多种能源接入、并网运行、离网运行、并离网切换、负荷优化管理，实现充电站的系统调配、监控和保护功能；各子系统控制器负责实现具体子系统内的信息收集、接收系统主控制器指令、生成子系统内部指令并下发给子系统内的模块控制器和继电保护等基本功能；各模块控制器负责实现各子系统中具体模块的基本功能。

系统主控制器与各子系统控制器进行数据交互，并可直接对各子系统中的快速开关下发分闸指令，也可将各子系统控制器采集并上传的各子系统的信息数据上传给交换机。

子系统控制器与子系统中的若干功能模块进行数据交互，对子系统内部母线进行数据采样、对快速开关进行分合闸控制，实现对子系统继电保护功能，也可将子系统数据上传给系统主控制器和交换机，并接收主控制器下发的控制调配信号。

模块控制器对模块内部进行数据采样，对模块进行实时控制，并将信号上传给子系统控制器。

所述系统主控制器通过各子系统控制器获取各子系统运行参数信息，并设有与各子系统中的快速开关进行信号交互的独立信号通道。子系统的内部母线设有采样传感器、快速开关设有信号反馈节点，子系统控制器根据系统主控制器的参数给定和在子系统内采集到的模拟量、开关状态量对子系统进行控制和保护，实现子系统的基本功能。模块内设有采样传感器、开关器件设有信号反馈节点，模块控制器根据子系统控制器的参数给定和在模块内采集到的模拟量、开关量对模块进行实时控制，实现模块的基本功能。

所述双向变流器由系统主控制器直接控制，根据不同系统状态实施不同系统调配策略，协调能量流向，保持系统稳定运行，并设有并离网两种控制模式。并网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和大于直流母线负荷需要时，优先对储能子系统充电；储能子系统无需充电时，双向变流器再将直流能量逆变到交流母线，供给交流负荷或馈入电网。并网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和小于直流母线负荷需要时，对市电冲击不超过阈值时，双向变流器将交流母线能量整流供给直流母线；对市电冲击超过阈值时，在双向变流器将交流母线能量整流供给直流母线的同时，储能子系统将储能元件中的能量释放到直流母线，抑制系统对市电冲击。离网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和大于直流母线负荷需要时，优先对储能子系统充电；储能子系统无需充电时，限制柴油发电机出力，双向变流器再将直流能量逆变到交流母线，为交流负荷供电；交流母线无负荷要求或负荷要求较小，系统主控制器下发指令限制光伏和风力发电功率。离网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和小于直流母线负荷需要时，优先使用储能子系统能量；储能子系统不能满足要求时，调整柴油发电机出力，双向变流器再将交流母线能量整流供给直流母线。

所述储能子系统包括若干储能元件组、若干储能双向模块、一条储能子系统内部母线、一个储能子系统快速开关和一个储能子系统控制器；每个储能双向模块一端与储能元件连接，另一端与储能子系统内部母线连接，储能子系统内部母线通过储能子系统快速开关与系统直流母线连接。

按照电路组成，每个储能双向模块包含手动开关、储能元件侧软启动开关组、升降压双向电路单元和母线侧软启动开关组；所述储能双向模块的手动开关一端与储能元件连接，另一端与储能元件侧软启动开关组连接；储能元件侧软启动开关组另一侧依次连接升降压双向电路单元和母线侧软启动开关组；母线侧软启动开关组另一端与储能子系统内部母线连接；在储能元件侧软启动开关组与升降压双向电路单元之间、内部母线侧设有电压电流传感器。

按照电路功能，每个储能双向模块独立完成电压变换和能量双向流动的基本功能；所述模块由三路具有独立功能、驱动脉冲交错控制的升降压双向变换电路组成，每个储能双向模块提供三路储能元件组接口，可以独立连接三个储能元件组，也可以三路并联后连接一个储能元件组；储能元件组配有储能元件管理单元。

所述光伏子系统包括若干光伏组串、若干光伏输入模块、一条光伏子系统内部母线、一个光伏子系统快速开关和一个光伏子系统控制器；每个光伏输入模块一端与光伏组串连接，另一端与光伏子系统内部母线连接，光伏子系统内部母线通过光伏子系统快速开关与系统直流母线连接。

按照电路组成，每个光伏输入模块包括手动开关、软启动开关组和升压电路单元；所述模块的手动开关一端与光伏组串连接，另一端与软启动开关组连接；软启动开关组另一端连接升压电路单元，升压电路单元的另一侧与光伏子系统内部母线连接；在软启动开关组与升压电路单元之间、内部母线侧设有电压电流传感器。

按照电路功能，每个光伏输入模块对所连接的一个光伏组串进行最大功率跟踪(MPPT)控制或限制输出功率控制；多个光伏输入模块同时工作时，通过光伏子系统控制器的调度协调，实现驱动脉冲交错控制。

所述风电子系统包括若干风机、若干风电输入模块、一条风电子系统内部直流母线、一个风电子系统快速开关和一个风电子系统控制器；每个风电输入模块一端与风机连接，另一端与风电子系统内部母线连接，风电子系统内部母线通过风电子系统快速开关与系统直流母线连接。

每个风电输入模块包括手动开关、不控整流桥、软启动开关组和升压电路单元；所述模块的手动开关一端与风机连接，另一端与不控整流桥交流端连接；不控整流桥直流端与软启动开关组连接，软启动开关组的另一端连接升压电路单元，升压电路单元的另一侧与风电子系统内部母线连接；在软启动开关组与升压电路单元之间、内部母线侧设有电压电流传感器。

所述直流充电机子系统包括若干直流充电模块、一条直流充电机子系统内部母线、一个直流充电机子系统快速开关和一个直流充电机子系统控制器；直流充电模块一端作为系统的直流充电接口，另一端与直流充电机子系统内部母线连接，直流充电机子系统内部母线通过直流充电机子系统快速开关与系统直流母线连接，所述直流充电机子系统控制器与子系统内直流充电模块控制器进行数据交互、对子系统内部母线数据进行采样并上传至系统主控制器，接收主控制器下发指令，生成并下发指令给子系统内部模块控制器，实现子系统的基本功能。

按照电路组成，每个直流充电模块包括手动开关、软启动开关组和降压电路单元；所述模块的手动开关一端与模块所在子系统的内部母线连接，另一端与软启动开关组连接；软启动开关组另一端连接降压电路单元，降压电路单元的另一端作为直流充电接口；在软启动开关组与降压电路单元之间、直流接口侧设有电压电流传感器。

按照电路功能，每个直流充电模块可以单独完成电压变换的基本功能；所述模块由三路具有独立功能、驱动脉冲独立控制的直流降压变换电路组成，每个直流充电模块提供三路直流充电接口，可同时独立为三台电动车充电，也可三路并联后为一台电动车充电；直流充电接口设有通讯接口，实现直流充电模块控制器与电动车自带的车载BMS通讯。

所述市电接入子系统包括一个市电接入子系统快速开关、一个隔离变压器、一个高压断路器、一个市电接入子系统控制器；市电接入子系统快速开关一端与系统交流母线连接，另一端与隔离变压器低压侧连接，隔离变压器高压侧与高压断路器连接，高压断路器另一端与电网连接；市电接入子系统控制器根据系统主控制器指令，结合市电接入子系统内部的模拟量和开关状态量，控制快速开关的分合闸，实现系统并网状态与离网状态间的相互切换操作。

所述电动车充电站系统，各子系统的快速开关设有子系统控制器分合闸控制接口、系统主控制器远程分合闸控制接口、分合闸状态信号反馈；各快速开关直接接受子系统控制器和系统主控制器的分合闸控制信号，并将分合闸状态信号反馈给子系统控制和系统主控制器。

所述储能双向模块中的升降压双向电路单元、光伏输入模块中的升压电路单元、风电输入模块中的升压电路单元和直流充电模块中的降压电路单元均集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的电路单元接收控制系统的驱动及控制指令，同时将电路单元中的器件状态参数反馈给控制系统。

所述电动车充电站系统还包括站内控制系统电源模块，站内控制系统电源模块分别与直流母线和交流母线相连，通过交直流混合接入实现从交流和直流母线同时取电。

所述的一种基于交直流双母线的电动车充电站系统，系统中的快速开关为磁控型快速开关或静态开关，分闸或合闸动作时间小于10mS；风机为永磁直驱型风机；储能元件配置的储能元件管理单元对储能元件组进行智能监控和管理。

本发明具有以下有益的技术效果：本发明提出一种基于交直流双母线的电动车充电站系统，配置灵活、供电可靠性高，使电动车充电站负荷与新能源发电相互结合，实现系统可持续稳定运行，并实现下述功能：

(1)多种能源混合接入，新能源发电就地消纳，多余电量并网。本发明将光伏、风电、市电、柴油发电机的混合接入系统，就地消纳新能源发电，并可将新能源多余电量并网，降低输配电成本。

(2)交流母线和直流母线互为备用，供电可靠性高。本发明采用交流和直流双母线架构，能量通过双向变流器在交流母线和直流母线双向流动，实现两条母线的互为备用，提高系统供电可靠性。

(3)交直流变换环节少，系统控制、调配策略简单，易于实现。本发明将光伏、风电作为直流电源直接在直流母线接入系统，直流充电负荷直接挂接在直流母线，避开交直流变换环节，简化了系统控制和调配策略。

(4)创新的子系统设计、模块化设计，系统组合灵活多样。本发明采用的子系统设计、模块化设计，可根据具体使用需要，灵活选择子系统、子系统内模块的数量及容量，再对子系统、子系统模块进行简单配置即可实现系统功能。

(5)系统的控制电源在系统内部获取，无需系统外部提供独立控制电源。本发明的控制电源在系统内部自取，控制电源供电装置通过交直流混合接入实现从交流和直流母线同时取电，供电可靠性高。

(6)控制系统逻辑层次清晰，自动化程度高。本发明采用三级控制器的控制系统分层逻辑，方便系统的全自动化运行，且便于故障排查和系统维护。

附图说明

图1系统电力主接线示意图；

图2系统数据通道连接示意图；

图3系统主控制器功能架构及接口示意图；

图4子系统控制器功能架构及接口示意图；

图5储能子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图6储能子系统中储能双向模块主电路拓扑示意图；

图7光伏子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图8光伏子系统中光伏输入模块主电路拓扑示意图；

图9风电子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图10风电子系统中风电输入模块主电路拓扑示意图；

图11直流充电机子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图12直流充电机子系统中直流充电模块主电路拓扑示意图；

图13市电接入子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图14有源电力滤波器APF接入子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图15柴油发电机接入子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图16交流充电机子系统组成部分及主电路拓扑示意图；

图17实施例典型应用1系统组成部分和电力主接线示意图；

图18实施例典型应用2系统组成部分和电力主接线示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明进一步详细描述。

实施例基于交直流双母线的电动车充电站系统用于平抑大量电动车同时充电对配电网造成的冲击和新能源并网发电的波动性问题。

具体如图1所示，为基于交直流双母线的电动车充电站系统电力主接线示意图；系统以双向变流器为系统核心，双向变流器的交流侧连接交流母线、直流侧连接直流母线，能量通过双向变流器在交流母线和直流母线之间双向流动。直流母线上连接储能子系统、光伏子系统、风电子系统和若干直流充电机子系统，将光伏、风电作为直流母线的直接输入电源，直流充电机直接从直流母线获取能量为电动车充电。交流母线上连接市电接入子系统、有源电力滤波器APF接入子系统、柴油发电机接入子系统和若干交流充电机子系统，将市电、柴油发电机作为交流母线的直接输入电源，交流充电机直接从交流母线获取能量为电动车充电。交流充电机子系统和直流充电机子系统的数量可以根据实际需要灵活选择。子系统均采用模块化设计，子系统可包含若干个模块，根据实际使用需要，灵活选择配置模块的数量及容量。系统的控制电源在系统内部自取，控制电源供电装置通过交直流混合接入实现从交流和直流母线同时取电。

双向变流器由系统主控制器直接控制，根据不同系统状态实施不同系统调配策略，协调能量流向，保持系统稳定运行，并设有并离网两种控制模式。并网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和大于直流母线负荷需要时，优先对储能子系统充电；储能子系统无需充电时，双向变流器再将直流能量逆变到交流母线，供给交流负荷或馈入电网。并网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和小于直流母线负荷需要时，对市电冲击不超过阈值时，双向变流器将交流母线能量整流供给直流母线；对市电冲击超过阈值时，在双向变流器将交流母线能量整流供给直流母线的同时，储能子系统将储能元件中的能量释放到直流母线，抑制系统对市电冲击。离网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和大于直流母线负荷需要时，优先对储能子系统充电；储能子系统无需充电时，限制柴油发电机出力，双向变流器再将直流能量逆变到交流母线，为交流负荷供电；交流母线无负荷要求或负荷要求较小，系统主控制器下发指令限制光伏和风力发电功率。离网情况下，光伏子系统和风力子系统发电量之和小于直流母线负荷需要时，优先使用储能子系统能量；储能子系统不能满足要求时，调整柴油发电机出力，双向变流器再将交流母线能量整流供给直流母线。

具体如图2所示，为基于交直流双母线的电动车充电站系统数据通道连接示意图；系统设有双数据交互通道，其中一条数据交互通道以交换机为核心，数据交换机连接系统主控制器、各子系统控制器、计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器，并实现所连接设备间的数据交互；另一条数据交互通道以系统主控制器为核心，实现系统主控制器与各子系统控制器的直接连接，与交换机数据通道并行。另外，各模块控制器与其所在子系统的子系统控制器之间存在独立数据交互通道。

具体如图3所示，为基于交直流双母线的电动车充电站系统的系统主控制器功能架构及接口示意图；系统主控制器设有能够进行预设规则计算与逻辑判别的内核、存储单元、时钟等功能组件，设有与各子系统控制器信号交互的数据采集和控制调度接口、用于直接控制子系统快速开关的信号交互接口、双向变流器直接控制接口、以及连接交换机的通讯接口。系统主控制器负责系统的总体控制、工作模式切换和各子系统的功能协调等功能，方便充电站的多种能源接入、并网运行、离网运行、并离网切换、负荷优化管理，实现充电站的系统调配、监控和保护功能。

具体如图4所示，为基于交直流双母线的电动车充电站系统的子系统控制器功能架构及接口示意图；子系统控制器设有能够进行预设规则计算与逻辑判别的内核、存储单元、时钟等功能组件，设有与子系统内模块进行信号交互的接口、子系统内模拟量采集接口、子系统内快速开关控制接口、与系统主控制器信号交互的数据采集和控制调度接口、以及连接交换机的通讯接口。各子系统控制器负责实现具体子系统内的信息收集、系统指令下发和继电保护等基本功能；各模块控制器负责实现具体模块的基本功能。

具体如图5所示，为基于交直流双母线的电动车充电站储能子系统组成部分及主电路拓扑示意图；储能子系统包括若干储能元件组、若干储能双向模块、一条储能子系统内部母线、一个储能子系统快速开关K101和一个储能子系统控制器；每个储能双向模块一端与储能元件连接，另一端与储能子系统内部母线连接，储能子系统内部母线通过储能子系统快速开关与系统直流母线连接；快速开关K101两侧分别设有电压电流采样传感器CPT101和CPT102。

具体如图6所示，为基于交直流双母线的电动车充电站储能子系统中储能双向模块主电路拓扑示意图；每个储能双向模块包含手动开关SW11、储能元件侧软启动开关组K11、升降压双向电路单元IGBT11和母线侧软启动开关组K12；所述模块的手动开关SW11一端与储能元件连接，另一端与储能元件侧软启动开关组K11连接；储能元件侧软启动开关组K11另一侧依次连接升降压双向电路单元IGBT11和母线侧软启动开关组K12；母线侧软启动开关组K12另一端与储能子系统内部母线连接；在储能元件侧软启动开关组与升降压双向电路单元之间设有电压电流传感器CPT11,内部母线侧设有电压电流传感器CPT12。

升降压电路单元IGBT11中集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的电路单元。

按照电路功能，每个储能双向模块独立完成电压变换和能量双向流动的基本功能；所述模块由三路具有独立功能、驱动脉冲交错控制的升降压变换电路组成，每个储能双向模块提供三路储能元件组接口，可以独立连接三个储能元件组，也可以三路并联后连接一个储能元件组；储能元件组配有储能元件管理系统。

具体如图7所示，为基于交直流双母线的电动车充电站光伏子系统组成部分及主电路拓扑示意图；光伏子系统包括若干光伏组串、若干光伏输入模块、一条光伏子系统内部母线、一个光伏子系统快速开关K201和一个光伏子系统控制器；每个光伏输入模块一端与光伏组串连接，另一端与光伏子系统内部母线连接，光伏子系统内部母线通过光伏子系统快速开关与系统直流母线连接；快速开关K201两侧分别设有电压电流采样传感器CPT201和CPT202。

具体如图8所示，为基于交直流双母线的电动车充电站光伏子系统中光伏输入模块主电路拓扑示意图；每个光伏输入模块包括手动开关SW21、软启动开关组K21和升压电路单元IGBT21；所述模块的手动开关SW21一端与光伏组串连接，另一端与软启动开关组K21连接；软启动开关组K21另一端连接升压电路单元IGBT21，升压电路单元IGBT21的另一侧与光伏子系统内部母线连接；在软启动开关组与升压电路单元之间设有电压电流传感器CPT21,内部母线侧设有电压电流传感器CPT22。

升压电路单元IGBT21中集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的电路单元

按照电路功能，每个光伏输入模块对所连接的一个光伏组串进行最大功率跟踪(MPPT)控制或限制输出功率控制；多个光伏输入模块同时工作时，通过光伏子系统控制器的调度协调，实现驱动脉冲交错控制。

具体如图9所示，为基于交直流双母线的电动车充电站风电子系统组成部分及主电路拓扑示意图；风电子系统包括若干风机、若干风电输入模块、一条风电子系统内部直流母线、一个风电子系统快速开关K301和一个风电子系统控制器；每个风电输入模块一端与风机连接，另一端与风电子系统内部母线连接，风电子系统内部母线通过风电子系统快速开关与系统直流母线连接；快速开关K301两侧分别设有电压电流采样传感器CPT301和CPT302。

具体如图10所示，为基于交直流双母线的电动车充电站风电子系统中风电输入模块主电路拓扑示意图；每个风电输入模块包括手动开关SW31、不控整流桥D31、软启动开关组K31和升压电路单元IGBT31；所述模块的手动开关SW31一端与风机连接，另一端与不控整流桥D31交流端连接；不控整流桥D31直流端与软启动开关组K31连接，软启动开关组K31的另一端连接升压电路单元IGBT31，升压电路单元IGBT31的另一侧与风电子系统内部母线连接；在软启动开关组与升压电路单元之间设有电压电流传感器CPT31,内部母线侧设有电压电流传感器CPT32。

升压电路单元IGBT31中集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的电路单元

具体如图11所示，为基于交直流双母线的电动车充电站直流充电机子系统组成部分及主电路拓扑示意图；直流充电机子系统包括若干直流充电模块、一条直流充电机子系统内部母线、一个直流充电机子系统快速开关K401和一个直流充电机子系统控制器；直流充电模块一端作为系统的直流充电接口，另一端与直流充电机子系统内部母线连接，直流充电机子系统内部母线通过直流充电机子系统快速开关与系统直流母线连接；快速开关K401两侧分别设有电压电流采样传感器CPT401和CPT402。

具体如图12所示，为基于交直流双母线的电动车充电站直流充电机子系统中直流充电模块主电路拓扑示意图；每个直流充电模块包括手动开关SW41、软启动开关组K41和降压电路单元IGBT41；所述模块的手动开关SW41一端与模块所在子系统的内部母线连接，另一端与软启动开关组K41连接；软启动开关组K41另一端连接降压电路单元IGBT41，降压电路单元IGBT41的另一端作为直流充电接口；在软启动开关组与降压电路单元之间设有电压电流传感器CPT41,直流接口侧设有电压电流传感器CPT42。

降压电路单元IGBT41中集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT或金属氧化层半导体场效晶体管MOSFET、配套适配电路、驱动信号处理电路、自身保护电路等，作为独立的电路单元

按照电路功能，每个直流充电模块可以单独完成电压变换的基本功能；所述模块由三路具有独立功能、驱动脉冲独立控制的降压变换电路组成，每个直流充电模块提供三路直流充电接口，可同时独立为三台电动车充电，也可三路并联后为一台电动车充电；直流充电接口设有通讯接口，实现直流充电模块控制器与电动车自带的车载BMS通讯。

具体如图13所示，为基于交直流双母线的电动车充电站市电接入子系统组成部分及主电路拓扑示意图；市电接入子系统包括一个市电接入子系统快速开关K501、一个隔离变压器T501、一个高压断路器K502、一个市电接入子系统控制器；市电接入子系统快速开关K501一端与系统交流母线连接，另一端与隔离变压器T501低压侧连接，隔离变压器T501高压侧与高压断路器K502连接，高压断路器K502另一端与电网连接；快速开关K501两侧分别设有电压电流采样传感器CPT501和CPT502，高压断路器K502两侧分别设有电压电流采样传感器CPT503和CPT504。由于市电接入子系统内没有模块及模块控制器，故市电接入子系统控制器不设置与子系统内模块进行信号交互的接口；市电接入子系统控制器根据系统主控制器指令，结合市电接入子系统内部的模拟量和开关状态量，控制快速开关的分合闸，实现系统并网状态与离网状态间的相互切换操作。

具体如图14所示，为基于交直流双母线的电动车充电站有源电力滤波器APF接入子系统组成部分及主电路拓扑示意图；APF接入子系统包括一个APF接入子系统快速开关K601、一套APF装置和一个APF接入子系统控制器；APF接入子系统快速开关K601一端与系统交流母线连接，另一端与APF装置输出侧连接；快速开关K601两侧分别设有电压电流采样传感器CPT601和CPT602。由于APF接入子系统内没有模块及模块控制器，故APF接入子系统控制器不设置与子系统内模块进行信号交互的接口；APF接入子系统控制器根据系统主控制器指令，结合APF接入子系统内部的模拟量和开关状态量，实现对交流母线的滤波和无功补偿。APF接入子系统中的电压电流传感器CPT601的安装点，设置在市电接入子系统与交流母线连接处，保证CPT601的检测点与市电接入子系统中的CPT501检测点一致。

具体如图15所示，为基于交直流双母线的电动车充电站柴油发电机接入子系统组成部分及主电路拓扑示意图；柴油发电机接入子系统包括一个柴油发电机接入子系统快速开关K701、一套柴油发电机及控制装置和一个柴油发电机接入子系统控制器；柴油发电机接入子系统快速开关K701一端与系统交流母线连接，另一端与柴油发电机装置输出侧连接；快速开关K701两侧分别设有电压电流采样传感器CPT701和CPT702。由于柴油发电机接入子系统内没有模块及模块控制器，故柴油发电机接入子系统控制器不设置与子系统内模块进行信号交互的接口；柴油发电机接入子系统控制器根据系统主控制器指令，结合柴油发电机接入子系统内部的模拟量和开关状态量，实现离网状态下对系统进行能量补偿。

具体如图16所示，为基于交直流双母线的电动车充电站交流充电机子系统组成部分及主电路拓扑示意图；交流充电机子系统包括若干交流充电模块、一条交流充电机子系统内部母线、一个交流充电机子系统快速开关K801和一个交流充电机子系统控制器；每个交流充电模块一端作为系统的交流充电接口，另一端与交流充电机子系统内部母线连接，交流充电机子系统内部母线通过交流充电机子系统快速开关K801与系统交流母线连接；快速开关K801两侧分别设有电压电流采样传感器CPT801和CPT802。

综上所述，实施例的基于交直流双母线的电动车充电站系统的具体应用实现流程如下：

1、根据实际需求情况进行设计选型，选择子系统的种类、数量和容量，选择各子系统中模块的数量和容量。

2、组装所选择的各子系统模块。将各模块所需的对应模块控制器、手动开关、软启动开关组、电路单元、电压电流传感器等组件进行组装，连接模块内部的电气一次、电气二次、通讯等线路。

3、组装所选择的各子系统。将各子系统所需的子系统控制器、各子系统对应模块、内部母线、快速开关、变压器、断路器、储能元件组、光伏组串等组件进行组装，连接子系统内部的电气一次、电气二次、通讯等线路。

4、组装电力主系统。将系统所需的系统主控制器、各子系统、系统直流母线、系统交流母线、双向变流器等组件进行拼装，连接系统内部的电气一次、电气二次、通讯等线路。

5、组装计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器、交换机等硬件设备。

6、组装交换机数据交互系统。将交换机与系统主控制器、各子系统控制器、计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器等设备进行电气二次线路和通讯线路连接。

7、在控制界面输入对应运行控制策略，闭合电力主系统、各子系统、各模块中的手动开关。

8、启动自检；如有故障信号返回，排除故障或屏蔽相应子系统或模块后再次启动自检；如果无故障信号返回，启动全自动运行模式，系统正常运行。

实施例的基于交直流双母线的电动车充电站系统典型应用如下：

实施例典型应用1：

光伏、风电、柴油发电机交直流混合接入，作为偏远地区离网型电动车充电站。系统组成部分和电力主接线示意图，如图17所示。电力主系统包括一台500KW双向变流器、一个414.72kwh储能子系统、一个110kw光伏子系统、一个400KW风电子系统、一个提供9路直流充电接口总功率300KW直流充电子系统、一个提供3路直流充电接口总功率600kw直流充电子系统、一个300KW柴油发电机接入子系统、一个提供10路交流充电接口总功率70kw交流充电子系统、一个提供10路直流充电接口总功率150KW交流充电子系统。

系统采用500KW双向变流器，系统直流母线额定电压DC750V，系统交流母线额定电压AC400V。

储能子系统中设置6个储能元件组和配套的6个储能双向模块。以磷酸铁锂电池作为基本储能元件；设置6个储能元件组，即为设置6个磷酸铁锂电池串；每节电池标称容量100Ah，每节电池标称电压3.2V；每个电池串设置216节电池串联，电池串标称电压691.2V，折合69.12kWh；6个电池串总容量为414.72kWh；电池串中每相邻的24节电池配置1个BMS，每个电池串共配置9个BMS，此9个BMS构成一个储能元件组的储能元件管理单元，与对应的储能双向模块进行信号交互。每个储能双向模块额定功率86KW,储能元件侧电压范围DC450V-DC835V，直流母线侧额定电压与系统直流母线额定电压一致为DC750V。

光伏子系统中设置20个光伏组串和配套的20个光伏输入模块。采用250W多晶硅太阳能板作为基本发电单元，22块太阳能板串联构成一个光伏组串；每块太阳能板最佳工作电压DC30V，每个光伏组串最佳工作电压DC660V；每个光伏组串额定功率5.5kW,20个光伏组串额定总功率110kW。每个光伏输入模块额定功率6kW，输入端MPPT追踪电压范围DC250V-DC750V,直流母线侧额定电压与系统直流母线额定电压一致为DC750V。

风电子系统中设置4台风机和配套的4个风电输入模块。风机额定功率100kW，4台风机额定总功率400kW。每个风电输入模块额定功率100kW，输入端电压范围AC180V-AC530V,直流母线侧额定电压与系统直流母线额定电压一致为DC750V。

系统设置直流充电机子系统A和直流充电机子系统B，子系统A输出电压DC150V-DC450V，主要用于小型私人电动车快速充电；子系统B输出电压DC250V-DC750V，主要用于大型电动大巴车快速充电。子系统A中设置100kW直流充电模块3个，每个模块提供3个直流充电接口，即子系统A共提供9个直流充电接口，每个充电接口对应功率33.3kW；子系统B中设置200kW直流充电模块3个，每个模块提供1个直流充电接口，即子系统B共提供3个直流充电接口，每个充电接口对应功率200kw。

柴油发电机接入子系统中设置一套300KW柴油发电机，输出电压AC400V。

系统设置交流充电机子系统C和交流充电机子系统D，主要用于小型私人电动车慢速充电；子系统C中设置7kW交流充电模块10个，每个模块提供1个交流充电接口，即子系统C共提供10路7kW交流充电接口；子系统D中设置15kW交流充电模块10个，每个模块提供1个交流充电接口，即子系统D共提供10个15kW交流充电接口。

系统中设置计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器、交换机等硬件设备，通过协调系统中各子系统，实现完整离网型电动车充电站功能。

实施例典型应用2：

光伏、风电、市电交直流混合接入，作为并网型电动车充电站和新能源发电接入系统。系统组成部分和电力主接线示意图，如图18所示。电力主系统包括一台1000KW双向变流器、一个414.72kwh储能子系统、一个1001kw光伏子系统、一个100KW风电子系统、一个提供18路直流充电接口总功率600KW直流充电子系统、一个提供3路直流充电接口总功率600kw直流充电子系统、一个提供45路直流充电接口总功率1500kw直流充电子系统、一个1500kw交流接入子系统、一套600A的APF接入子系统、一个提供10路交流充电接口总功率70kw交流充电子系统、一个提供10路直流充电接口总功率150KW交流充电子系统。

系统采用1000KW双向变流器，系统直流母线额定电压DC750V，系统交流母线额定电压AC400V。

储能子系统中设置6个储能元件组和配套的6个储能双向模块。以磷酸铁锂电池作为储能元件，设置6个储能元件组，即为设置6个磷酸铁锂电池串；每节电池标称容量100Ah，每节电池标称电压3.2V；每个电池串设置216节电池串联，电池串标称电压691.2V，折合69.12kWh；6个电池串总容量为414.72kWh；电池串中每相邻的24节电池配置1个BMS，每个电池串共配置9个BMS，此9个BMS构成一个储能元件组的储能元件管理单元，与对应的储能双向模块进行信号交互。每个储能双向模块额定功率86KW,储能元件侧电压范围DC450V-DC835V，直流母线侧额定电压与系统直流母线额定电压一致为DC750V。

光伏子系统中设置182个光伏组串和配套的182个光伏输入模块。采用250W多晶硅太阳能板作为基本发电单元，22块太阳能板串联构成一个光伏组串；每块太阳能板最佳工作电压DC30V，每个光伏组串最佳工作电压DC660V；每个光伏组串额定功率5.5kW,182个光伏组串额定总功率1001kW。每个光伏输入模块额定功率6kW，输入端MPPT追踪电压范围DC250V-DC750V,直流母线侧额定电压与系统直流母线额定电压一致为DC750V。

风电子系统中设置10台风机和配套的10个风电输入模块。风机额定功率10kW，10台风机额定总功率100kW。每个风电输入模块额定功率10kW，输入端电压范围AC180V-AC530V,直流母线侧额定电压与系统直流母线额定电压一致为DC750V。

系统设置直流充电机子系统A、直流充电机子系统B和直流充电机子系统C，子系统A输出电压DC150V-DC450V，主要用于小型私人电动车快速充电；子系统B输出电压DC250V-DC750V，主要用于大型电动大巴车快速充电；子系统C输出电压DC30V-DC90V，主要用于电动车换电站中独立电池组充电。子系统A中设置100kW直流充电模块6个，每个模块提供3个直流充电接口，即子系统A共提供18个直流充电接口，每个充电接口对应功率33.3kW；子系统B中设置200kW直流充电模块3个，每个模块提供1个直流充电接口，即子系统B总提供3个直流充电接口，每个充电接口对应功率200kw；子系统C中设置100kW直流充电模块15个，每个模块提供3个直流充电接口，即子系统C共提供45个直流充电接口，每个充电接口对应功率33.3kW。

柴油发电机接入子系统中设置一套额定600A的APF接入子系统。

系统设置交流充电机子系统D和交流充电机子系统E，主要用于小型私人电动车慢速充电；子系统D中设置7kW交流充电模块10个，每个模块提供1个交流充电接口，即子系统D提供10路7kW交流充电接口；子系统E中设置15kW交流充电模块10个，每个模块提供1个交流充电接口，即子系统E提供10个15kW交流充电接口。

系统中设置计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器、交换机等硬件设备，通过协调系统中各子系统，实现完整并网型电动车充电站功能，同时也可实现新能源发电的多余电量并网功能。

以上实施例典型应用中的基于交直流双母线的电动车充电站系统设置了故障保护，具体如下：

1、各模块硬件保护包括各模块中电路单元的IGBT或MOSFET故障保护和开关故障保护。当模块控制器检测到模块故障后，封锁对应模块的驱动脉冲、跳对应模块开关，故障模块退出运行，发出声光报警信号，将故障信号上传给所在子系统控制器，子系统控制器将故障信号上传给系统主控制器和交换机，最终在监控站的人机交互界面上显示故障信息，非故障模块正常运行。

2、各子系统硬件保护包括采样传感器异常和快速开关故障保护。当子系统控制器检测到子系统故障后，跳对应子系统快速开关，发生故障的子系统退出运行，发出声光报警信号，将故障信号上传给所在系统主控制器和交换机，最终在监控站的人机交互界面上显示故障信息，非故障子系统正常运行。

3、各模块软件保护包括过压保护、过流保护、过温保护、采样传感器故障保护、预充电保护、模块通讯故障；各模块软件保护动作定值人工或自适应设置，当模块控制器检测到故障后，封锁对应模块驱动脉冲、跳对应模块开关，发出声光报警信号，将故障信号上传给所在子系统控制器，子系统控制器将故障信号上传给系统主控制器和交换机，最终在监控站的人机交互界面上显示故障信息，非故障模块正常运行。

4、各子系统软件保护包括过压保护、过流保护、采样传感器故障保护、通讯故障；各子系统软件保护动作定值人工或自适应设置，当子系统控制器检测到故障后，跳对应子系统快速开关，发生故障的子系统退出运行，发出声光报警信号，将故障信号上传给所在系统主控制器和交换机，最终在监控站的人机交互界面上显示故障信息，非故障子系统正常运行。

以上实施例典型应用中的基于交直流双母线的电动车充电站系统在运行过程当中会有出现四种工作模式，具体如下：

1、自检模式，手动开关闭合、控制策略预设完成、基于交直流双母线的电动车充电站系统启动，系统进行上电自检；若系统状态正常，则在监控站人机交互界面上显示是否启动，等待下一步操作；若存在系统故障，在人机交互界面显示故障信息，禁止启动，等待人工故障排除；若发现具体模块或子系统故障，在人机交互界面上将故障模块或子系统屏蔽，或人工排除模块故障后再次启动自检。

2、运行模式，为基于交直流双母线的电动车充电站系统上电后，系统自检正常，系统进入全自动运行模式。

3、故障模式，为系统基于交直流双母线的电动车充电站系统上电后，系统自检不通过，或运行过程中出现硬件故障或软件故障，导致系统无法完成预先设置的控制策略，系统进入故障模式。

4、停机模式，在发生紧急故障保护动作或人为进行系统“急停”操作时，基于交直流双母线的电动车充电站系统进入停机状态。

Claims (10)

1.一种基于交直流双母线的电动车充电站系统，包括交流母线以及交流母线连接子系统、直流母线和直流母线连接的子系统、双向变流器；其特征在于：

双向变流器的交流侧连接交流母线，双向变流器的直流侧连接直流母线，能量通过双向变流器在交流母线和直流母线之间双向流动；

直流母线上连接的子系统包括储能子系统、光伏子系统、风电子系统和若干直流充电机子系统，将光伏、风电作为直流母线的直接输入电源，直流充电机直接从直流母线获取能量为电动车充电；

交流母线上连接的子系统包括市电接入子系统、有源电力滤波器APF接入子系统、柴油发电机接入子系统和若干交流充电机子系统，将市电、柴油发电机作为交流母线的直接输入电源，交流充电机直接从交流母线获取能量为电动车充电；

所述的基于交直流双母线的电动车充电站系统还包括系统主控制器、子系统控制器和模块控制器；子系统控制器与模块控制器之间设有独立信号交互通道；系统主控制器与子系统控制器之间设有独立信号交互通道，与交换机数据通道并行。

2.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

交流充电机子系统和直流充电机子系统的数量根据实际需要灵活选择。

3.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

直流母线上连接的子系统，以及交流母线上连接的子系统均采用模块化设计，子系统包含若干个功能模块，根据实际使用需要，灵活选择配置功能模块的数量及容量；

功能模块主要由模块控制器和模块主电路组成，可独立实现电流、电压变化基本功能，同一子系统中的功能模块完全相同，不同各子系统中的功能模块不同。

4.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

所述电动车充电站系统还设有数据交换机，数据交换机连接系统主控制器、各子系统控制器、计费工作站、安防工作站、视频监控工作站、数据服务器，并实现所连接设备间的数据交互。

5.根据权利要求1或4所述的电动车充电站系统，其特征在于：

所述系统主控制器负责整个电动车充电站系统的总体控制、工作模式切换和各子系统的功能协调功能，方便充电站的多种能源接入、并网运行、离网运行、并离网切换、负荷优化管理，实现充电站的系统调配、监控和保护功能；各子系统控制器负责实现具体子系统内的信息收集、接收系统主控制器指令、生成子系统内部指令并下发给子系统内的模块控制器和继电保护基本功能；各模块控制器负责实现各子系统中具体功能模块的基本功能；

系统主控制器与各子系统控制器进行数据交互，并可直接对各子系统中的快速开关下发分闸指令，也可将各子系统控制器采集并上传的各子系统的信息数据上传给交换机；

子系统控制器对子系统内部母线进行数据采样、对快速开关进行分合闸控制，实现对子系统继电保护功能，也可将采集的子系统信息数据上传给系统主控制器和交换机，并接收主控制器下发的控制调配信号；

模块控制器对功能模块内部进行数据采样，对功能模块进行实时控制，并将采样数据上传给子系统控制器。

6.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

系统主控制器通过各子系统控制器获取各子系统运行参数信息，并设有与各子系统中的快速开关进行信号交互的独立信号通道，子系统的内部母线设有采样传感器、快速开关设有信号反馈节点，子系统控制器根据系统主控制器的参数给定和在子系统内采集到的模拟量、开关状态量对子系统进行控制和保护，实现子系统的基本功能；模块内设有采样传感器、开关器件设有信号反馈节点，模块控制器根据子系统控制器的参数给定和在模块内采集到的模拟量、开关量对模块进行实时控制，实现模块的基本功能。

7.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

电动车充电站系统还包括系统主控制器，双向变流器由系统主控制器直接控制，根据不同系统状态实施不同系统调配策略，协调能量流向，保持系统稳定运行，并设有并离网两种控制模式。

8.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

所述储能子系统包括若干储能元件组、若干储能双向模块、一条储能子系统内部母线、一个储能子系统快速开关和一个储能子系统控制器；每个储能双向模块一端与储能元件连接，另一端与储能子系统内部母线连接，储能子系统内部母线通过储能子系统快速开关与系统直流母线连接。

9.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

所述直流充电机子系统包括若干直流充电模块、一条直流充电机子系统内部母线、一个直流充电机子系统快速开关和一个直流充电机子系统控制器；直流充电模块一端作为系统的直流电动车充电站充电接口，另一端与直流充电机子系统内部母线连接，直流充电机子系统内部母线通过直流充电机子系统快速开关与系统直流母线连接，所述直流充电机子系统控制器与子系统内直流充电模块控制器进行数据交互、对子系统内部母线数据进行采样并上传至系统主控制器，接收主控制器发出的指令，生成并下发指令给子系统内部模块控制器，实现子系统的基本功能。

10.根据权利要求1所述的电动车充电站系统，其特征在于：

所述电动车充电站系统还包括站内控制系统电源模块，站内控制系统电源模块分别与直流母线和交流母线相连，通过交直流混合接入实现从交流和直流母线同时取电。