CN106099962A - 一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统，包括串联变流器、并联变流器、直流储能系统，所述串联变流器、所述并联变流器分别与所述直流储能系统相连接，所述串联变流器经过滤波电感、电容、耦合变压器串联接在电网电源侧，所述并联变流器经过滤波电感、电容并联接入电网中，所述直流储能系统通过电网对所述并联变流器充电。本发明还提出一种电动汽车充电站主动参与电网调节的方法，在常规对电动汽车实现充电的同时，可以有效补偿区域电网的有功功率、无功功率、抑制电压波动、补偿电压跌落、波形畸变、三相不平衡等电能质量问题，又能充分发挥充电站的主动参与配网调节功能，有广泛的应用前景。

Description

一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统及方法，属于电网系统改进电能质量控制技术领域。
背景技术
随着世界能源局势日益紧张和对节能减排的关注度日益升温，电动汽车(Electric Vehicle，EV)因其环保、节能的优良特性而倍受人们推崇。因此，全球各大汽车公司及一些科研院所也不断投入大量的精力开发新型的电动汽车，这也使得电动汽车的数量快速地増加。我国汽车工业纯电驱动作为技术转型的主要战略方向，重点突破电机技术、电控技术和电池技术，推进EV的产业化，实现汽车工业跨越式发展。目前积极推广普及节能汽车，预计2020年，我国EV将计划超过500万辆。当电动汽车大规模普及之后，电网体系无疑将更加复杂。若是如此巧大数量的电动汽车进行无序的充电，则有可能会给电网带来极大的负担，再则电动汽车的电池作为一个巨大的电能存储元件，如何发挥其最大优势使得电能有效利用，也是一个广受关注的焦点。
EV的普及对电网的影响主要体现在：首先，大量的EV接入电网充电将引起负荷的増长。若对于EV的充电都集中在负荷髙峰期，这将进一步加剧电力系统负荷的峰谷之差，从而加重电力系统的负担。其次，EV的大规模充电将加大对电网运行控制的难度。由于车主的用车时间和充电时间难以也不可能统一，使得EV的充电具有较大的不确定性，这将使电网控制更加困难。然后，大量的EV充电势必会影响电能质量。EV充电的负荷属于非线性负荷，对其充电所使用的电力电子设备势必会产生一定的谐波，这将必然会引起一定程度上的电能质量问题。最后，EV的接入会对配电网提出新的规划和要求。随着EV的普及配电网中需要増加大量的充电设施为其充电，由于其改变了配电网的负荷结构和特性，从而导致传统的配电网规划则可能无法适用。因此，有序充放电即电动汽车以可控负荷或可控储能的形式参与电网调控，作为有效规避电动汽车大规模充电对电网造成负面影响的重要手段受到了广泛关注。
同时，随着电动汽车的普遍存在，电动汽车充电站也将必不可少，由于其占地大投资多，充分利用EV充电站进行协调电网的调控成为了世界各国研究的方向。另一方面，针对目前日益严重的电能质量问题，传统提出的电能质量改替方法有并联电容器、同步调相机、静止补偿器和有载调压变压器。但随着日趋复杂的电网结构的出现，尤其是微电网的出现，这些补偿装置不是最好的解决电能质量问题的办法。随着电力电子技术的快速发展、电力电子器件的创新、控制技术的不断优化、数字处理的相应应用，高性能的电力电子装置成为了改善电能质量的研究对象。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统及方法。
本发明采用如下技术方案：一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统，其特征在于，包括串联变流器、并联变流器、直流储能系统，所述串联变流器、所述并联变流器分别与所述直流储能系统相连接，所述串联变流器经过滤波电感、电容、耦合变压器串联接在电网电源侧，所述并联变流器经过滤波电感、电容并联接入电网中，所述直流储能系统通过电网对所述并联变流器充电。
优选地，直流储能系统包括一级双向DC/DC变换器、直流母线、若干个二级双向DC/DC变换器、若干个站内电动汽车、站内控制系统，一级双向DC/DC变换器与直流母线相连接，直流母线与二级双向DC/DC变换器相连接，二级双向DC/DC变换器与站内电动汽车相连接，站内控制系统分别与一级双向DC/DC变换器、电网调度部门相连接，站内控制系统用来实现所有双向DC/DC变换器的控制、站内信息采集以及与电网调度部门通信。
优选地，一级双向DC/DC变换器和二级双向DC/DC变换器利用充电站内的PWM变流器和DC/DC变换器控制为双向，将充电站内的电动汽车电池作为部分储能装置，构建电动汽车充电站主动参与电网调节的系统；一级双向DC/DC变换器用于改变电压等级实现隔离，二级双向DC/DC变换器用来统一电动汽车电压实现并联充电或对电网放电。
本发明还提出一种电动汽车充电站主动参与电网调节的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤SS1在充电站内构建电动汽车充电站主动参与电网调节系统；
步骤SS2采用特定的电网交互型电动汽车的优化充放电策略，电动汽车充电站向电网上报下一时段的充电功率范围，以便于电网调度中心可以在此范围内根据调度需求对下一阶段的充电功率进行调度和调控，从而实现电动汽车充电站对电网的友好接入；
步骤SS3在电网紧急断电时，充电站内的电动汽车群作为可靠持续供电电源对区域配电网的重要负荷进行供电，为电网的紧急故障检修赢得时间，保证电网的稳定运行；在电网和电动汽车均稳定运行时，电动汽车充电站在对电网电能质量进行调节补偿，实现充电站对电网的电能质量实施主动有效的治理。
优选地，步骤SS3的电动汽车充电站在对电网电能质量进行调节补偿具体包括如下步骤：
步骤SS31对电网上的电能质量信息进行采集和分析，主要包括电网的谐波电流分量、电压波动信息、三相不平衡度，分析的方法主要采用瞬时无功功率理论来实现，即对采集的电网三相电流信号借助电压的相位信息进行Clarke变换并进行瞬时有功功率、瞬时无功功率的计算，设计相应参数的巴特沃斯低通滤波器进行滤波，最终将需要补偿的电能质量信息转换为电流分量的补偿；
步骤SS32根据已分析得到的需要补偿的电流分量设计对应的PID调节器进行跟踪，并产生逆变器的控制指令信息，使得逆变器输出需要补偿的电能分量并入电网，抵消电网的波动情况，最终实现电能质量的补偿与控制。
本发明所达到的有益效果：本发明实现了通过对充电站内的电动汽车进行的有效充放电管理以实现充电站与电网间的实时信息交互，使站内的电动汽车群充放电时间和功率实时可控，其次利用充电站现有资源构建的统一电能质量控制器结构并实现电动汽车正常充电的情况下改善区域配电网的电能质量，满足用户优质供电需求，并在电网紧急故障时将电动汽车充电站微网运行在孤岛模式下，利用站内电动汽车群有序放电向重要负荷实现可靠持续供电的作用。
附图说明
图1是本发明的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统的结构示意图。
图2是本发明的直流储能系统的结构示意图。
图3是本发明的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的方法的原理框图。
图中标记的含义：1-串联变流器，2-并联变流器，3-直流储能系统，4-一级双向DC/DC变换器，5-直流母线，6-二级双向DC/DC充电器，7-站内电动汽车，8-站内控制系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1是本发明的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统的结构示意图。本发明提出一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统，其特征在于，包括串联变流器1、并联变流器2、直流储能系统3，所述串联变流器1、所述并联变流器2分别与所述直流储能系统3相连接，所述串联变流器1经过滤波电感、电容、耦合变压器串联接在电网电源侧，所述并联变流器2经过滤波电感、电容并联接入电网中，所述直流储能系统3通过电网对所述并联变流器2充电。
图2是本发明的直流储能系统的结构示意图。所述直流储能系统3包括一级双向DC/DC变换器4、直流母线5、若干个二级双向DC/DC变换器6、若干个站内电动汽车7、站内控制系统8，所述一级双向DC/DC变换器4与所述直流母线5相连接，所述直流母线5与所述二级双向DC/DC变换器6相连接，所述二级双向DC/DC变换器6与所述站内电动汽车7相连接，所述站内控制系统8分别与所述一级双向DC/DC变换器4、电网调度部门相连接，所述站内控制系统8用来实现所有双向DC/DC变换器的控制、站内信息采集以及与电网调度部门通信。
所述一级双向DC/DC变换器4和所述二级双向DC/DC变换器6利用充电站内的PWM变流器和DC/DC变换器控制为双向，将充电站内的电动汽车电池作为部分储能装置，构建电动汽车充电站主动参与电网调节的系统；所述一级双向DC/DC变换器4用于改变电压等级实现隔离，所述二级双向DC/DC变换器6用来统一电动汽车电压实现并联充电或对电网放电。
图3是本发明的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的方法的原理框图。本发明还提出一种电动汽车充电站主动参与电网调节的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤SS1在充电站内构建电动汽车充电站主动参与电网调节系统；
步骤SS2采用特定的电网交互型电动汽车的优化充放电策略，电动汽车充电站向电网上报下一时段的充电功率范围，以便于电网调度中心可以在此范围内根据调度需求对下一阶段的充电功率进行调度和调控，采用串联电流器1实现充电功能，从而实现电动汽车充电站对电网的友好接入；
步骤SS3在电网紧急断电时，充电站内的电动汽车群作为可靠持续供电电源对区域配电网的重要负荷进行供电，为电网的紧急故障检修赢得时间，保证电网的稳定运行；在电网和电动汽车均稳定运行时，电动汽车充电站在对电网电能质量进行调节补偿，实现充电站对电网的电能质量实施主动有效的治理，取代传统的有源电力滤波器APF、静态无功补偿器STACOM、统一潮流控制器UPQC等大型且价格昂贵的电能质量补偿控制系统，从而实现整个充电站对外呈现出较好的长时间的稳定功率输入或输出的同时对电网的电能质量实施补偿；
所述步骤SS3所述的电动汽车充电站在对电网电能质量进行调节补偿具体包括如下步骤：
步骤SS31对电网上的电能质量信息进行采集和分析，所述主要包括电网的谐波电流分量、电压波动信息、三相不平衡度，分析的方法主要采用日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论来实现，即对采集的电网三相电流信号借助电压的相位信息进行Clarke变换并进行瞬时有功功率、瞬时无功功率的计算，设计相应参数的巴特沃斯低通滤波器进行滤波，最终将需要补偿的电能质量信息转换为电流分量的补偿；
步骤SS32根据已分析得到的需要补偿的电流分量设计对应的PID调节器进行跟踪，并产生逆变器的控制指令信息，使得逆变器输出需要补偿的电能分量并入电网，抵消电网的波动情况，最终实现电能质量的补偿与控制。
在发生区域配电网电压跌落、过电压、波形畸变以及非线性、冲击性、不平衡负荷带来的电能质量问题，通过控制串联变流器1使其相当于一个非正弦电源，其作用则是増大电网支路谐波阻抗以产生相应的由于主电网电压故障所产生的矢量差，使并网电压变成与主电网电压基波正序同相的平衡对称的三相电压。同时，控制并联变流器2使其相当于一个非正弦电流源，其作用则是消除电网中由于存在非线性及不平巧负载而引起的谐波和不平衡电流，从而实现电网的并网为单位功率因数。另外，在并联变流器控制中加以直流稳压环用来稳定直流母线电压的稳定。通过串联变流器1、并联变流器2的协调控制，来改善区域配电网中的电能质量问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统，其特征在于，包括串联变流器（1）、并联变流器（2）、直流储能系统（3），所述串联变流器（1）、所述并联变流器（2）分别与所述直流储能系统（3）相连接，所述串联变流器（1）经过滤波电感、电容、耦合变压器串联接在电网电源侧，所述并联变流器（2）经过滤波电感、电容并联接入电网中，所述直流储能系统（3）通过电网对所述并联变流器（2）充电。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统，其特征在于，所述直流储能系统（3）包括一级双向DC/DC变换器（4）、直流母线（5）、若干个二级双向DC/DC变换器（6）、若干个站内电动汽车（7）、站内控制系统（8），所述一级双向DC/DC变换器（4）与所述直流母线（5）相连接，所述直流母线（5）与所述二级双向DC/DC变换器（6）相连接，所述二级双向DC/DC变换器（6）与所述站内电动汽车（7）相连接，所述站内控制系统（8）分别与所述一级双向DC/DC变换器（4）、电网调度部门相连接，所述站内控制系统（8）用来实现所有双向DC/DC变换器的控制、站内信息采集以及与电网调度部门通信。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的系统，其特征在于，所述一级双向DC/DC变换器（4）和所述二级双向DC/DC变换器（6）利用充电站内的PWM变流器和DC/DC变换器控制为双向，将充电站内的电动汽车电池作为部分储能装置，构建电动汽车充电站主动参与电网调节的系统；所述一级双向DC/DC变换器（4）用于改变电压等级实现隔离，所述二级双向DC/DC变换器（6）用来统一电动汽车电压实现并联充电或对电网放电。
4.一种基于权利要求1所述的电动汽车充电站主动参与电网调节系统的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤SS1 在充电站内构建电动汽车充电站主动参与电网调节系统；
步骤SS2采用特定的电网交互型电动汽车的优化充放电策略，电动汽车充电站向电网上报下一时段的充电功率范围，以便于电网调度中心可以在此范围内根据调度需求对下一阶段的充电功率进行调度和调控，从而实现电动汽车充电站对电网的友好接入；
步骤SS3 在电网紧急断电时，充电站内的电动汽车群作为可靠持续供电电源对区域配电网的重要负荷进行供电，为电网的紧急故障检修赢得时间，保证电网的稳定运行；在电网和电动汽车均稳定运行时，电动汽车充电站在对电网电能质量进行调节补偿，实现充电站对电网的电能质量实施主动有效的治理。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车充电站主动参与电网调节的方法，其特征在于，所述步骤SS3所述的电动汽车充电站在对电网电能质量进行调节补偿具体包括如下步骤：
步骤SS31对电网上的电能质量信息进行采集和分析，所述主要包括电网的谐波电流分量、电压波动信息、三相不平衡度，分析的方法主要采用瞬时无功功率理论来实现，即对采集的电网三相电流信号借助电压的相位信息进行Clarke变换并进行瞬时有功功率、瞬时无功功率的计算，设计相应参数的巴特沃斯低通滤波器进行滤波，最终将需要补偿的电能质量信息转换为电流分量的补偿；
步骤SS32根据已分析得到的需要补偿的电流分量设计对应的PID调节器进行跟踪，并产生逆变器的控制指令信息，使得逆变器输出需要补偿的电能分量并入电网，抵消电网的波动情况，最终实现电能质量的补偿与控制。
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