CN106160142A - 一种负荷均衡的电动汽车低压充电网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负荷均衡的电动汽车低压充电网络系统，属于电力电子技术领域。本发明利用低压直流互联线路实现低压配电台区负荷平衡，将负荷按照配电变压器容量进行平衡，以降低负荷率。本发明可实现分布式电源功率在低压配电台区的就地消纳。

Description

一种负荷均衡的电动汽车低压充电网络系统
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种电动汽车低压充电网络系统。
背景技术
随着能源问题的日益突出，减少化石燃料依赖、降低二氧化碳排放量成为全球范围的热点问题。发展电动汽车是改善能源结构、保障能源安全和发展低碳经济的重要手段，电动汽车将在未来发挥重大作用。电动汽车是一种随机负充电荷，其充电功率需求受到用户的行驶习惯、电动汽车电池特性等影响，大量电动汽车接入居民家庭、办公场所等区域将显著影响当地的负载分布情况，并可能在一天的高峰负荷时段进行集中充电，进一步增加配电台区的负荷需求，严重时可导致过载。
图1为现有交流配电网电动汽车充电供电系统图，交流配电台区主要包括10kV/380V配电变压器将交流10kV降为交流380V。交流380V低压母线一部分给传统负荷（为交流负荷）供电，一部分通过配电换流站的AC/DC变换器输出直流750-800V，后级通过DC/DC变换器输出直流200V-500V给电动汽车充电。这种传统的辐射状供电方式配电台区的负荷将随充电汽车充电功率而随机波动，配电台区容量如果按传统负荷的容量进行配置，在电动汽车充电高峰配电台区将严重过载。如果按传统负荷和电动汽车最大充电容量的总和进行配置，那么在电动汽车充电的低谷，配电台区的负载率将过轻影响设备使用效率。为此对于地理位置上临近的配电台区，可通过互联线路减轻部分重载台区的负荷，降低随机负荷波动对单个台区的影响。但是交流互联线路存在负荷转功率低的缺陷，且易造成电磁环流，增加短路容量，带来网络结构复杂、运行困难等问题，所以目前交流配电台区很少进行互联。
因此，电动汽车接入传统交流电网将对配电网基础设施建设、系统规划以及安全运行带来巨大的挑战。然而，现阶段大规模扩张城市配电网非常困难，其架空线走廊和地下电缆的空间稀缺，变电站和输电线路扩建成本高昂，如何应高渗透率电动汽车接入现有配电网成为政府和电力系统运营商等部门亟需解决的重要问题。
发明内容
本发明目的是：解决电动汽车接入传统交流电网对配电网运行的影响，提出一种利用低压直流互联线路实现低压配电台区负荷平衡的电动汽车低压充电网络系统。该系统将负荷按照配电变压器容量进行平衡，以降低部分交流台区的负荷率，同时可实现分布式电源功率在低压配电台区的就地消纳。
具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括交流配电台区、配电换流站和控制系统，交流配电台区和配电换流站均为多个，每个交流配电台区对接一个配电换流站，还包括直流配电线路，其中交流配电台区包括交流配电变压器，负责将交流系统的交流高压降为交流低压；配电换流站包括前级AC/DC变换器和与前级AC/DC变换器相连的后级DC/DC变换器，其中前级AC/DC变换器控制网侧电流及直流母线电压，后级DC/DC变换器控制直流侧充放电电压或电流，各配电变压器输出的交流低压一部分用于传统负荷供电，另一部分输入到相应的配电换流站的前级AC/DC变换器，由各配电换流站的前级AC/DC变换器输出直流低压给其后级DC/DC变换器，再由相应的后级DC/DC变换器输出充电电压用于电动汽车充电；各配电换流站的前级AC/DC变换器的直流侧通过直流配电线路相连组网；控制系统用于对各配电换流站进行运行控制和监视保护，管控所有AC/DC变换器和DC/DC变换器的运行状态，并实现配电换流站交流和直流两侧的协调统一控制。
上述技术方案的进一步特征在于，所述前级AC/DC变换器为第一H桥变换器，后级DC/DC变换器为由第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器构成隔离性DC-DC变换器；第一H桥变换器的交流侧为交流并网端口，其直流侧与第二H桥变换器的直流侧相连；第二H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第三H桥变换器的交流侧相连，电动汽车充电接入第三H桥变换器的直流侧。
上述技术方案的进一步特征在于，所述控制系统包括上层监控系统和控制第一H桥变换器、第二H桥变换器及第三H桥变换器的分布式控制器，上层监控系统用于实时计算各配电换流站的总负荷并将其传送给分布式控制器，分布式控制器用于计算出相应配电换流站的期望的负荷值然后将其与实际的负荷值相减后乘以下垂系数实施电压控制。
本发明的有益效果如下：本发明利用直流互联没有电磁环流和限制短路电流的优点，通过低压直流互联线路实现低压配电台区负荷平衡，根据电动汽车充电随机性的特点，将随机负荷在交流配电台区之间按照配电变压器容量进行平衡，以降低负荷高峰对部分交流配电台区的影响，同时分布式电源采用直流方式直接接入低压直流网，可实现功率在低压配电台区的就地消纳。
附图说明
图1为现有交流配电网电动汽车充电供电系统图。
图2为本发明实施例的系统图。
图3为本发明实施例的AC/DC变换器和DC/DC变换器的原理图。
图4为本发明稳态Udc-P下垂特性示意图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：
如图2所示，本实施例为4端电动汽车低压充电网络系统，由交流配电台区（共4个）、低压配电台区（共4个）、直流配电线路和控制系统四大部分组成。
交流配电台区主要包括10kV/380V配电变压器，负责将交流系统的交流10kV（交流高压）降为交流380V（交流低压）。
低压配电台区即配电换流站，主要包括前级AC/DC变换器和与前级AC/DC变换器相连的后级DC/DC变换器，其中前级AC/DC变换器控制网侧电流及直流母线电压，后级DC/DC变换器控制直流侧充放电电压或电流。各10kV/380V配电变压器输出的交流380V（交流低压）一部分给传统负荷供电，一部分输入到各配电换流站的前级AC/DC变换器，由各配电换流站的前级AC/DC变换器输出直流750-800V（直流低压）给其后级DC/DC变换器，再由各配电换流站的后级DC/DC变换器输出直流200V-500V（充电电压）作为直流输出点，给电动汽车充电。
直流配电线路为直流电压800V的直流线路，各配电换流站的前级AC/DC变换器的直流侧通过直流配电线路相连组网，从而构成4端低压直流（LVDC）系统，这样4个直流输出点可以通过4个配电换流站连接交流系统的多条线路或变压器。
AC/DC变换器和DC/DC变换器的组成和原理如图3所示。图中从左到右依次为第一H桥变换器、第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器。第一H桥变换器作为AC/DC变换器，用作交流并网端口，其直流侧与第二H桥变换器的直流侧相连。第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器构成隔离性DC-DC变换器，其连接方式为第二H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第三H桥变换器的交流侧相连。电动汽车充电接入第三H桥变换器的直流侧。
控制系统用于对整个低压直流组网的配电换流站进行运行控制和监视保护，管控所有AC/DC变换器和DC/DC变换器的运行状态，并实现配电换流站交流和直流两侧的协调统一控制。在控制时，第二H桥变换器和第三H桥变换器视为一个整体，进行同步移相控制实现所有开关的软开关动作。控制系统采用下垂控制，则直流电网的母线电压由4个配电换流站的变换器各自控制实现，即各个变换器均根据有功功率输送的需求单独控制各站的直流母线电压。
在这里所谓的上层监控并不存在反馈控制，只是用来模拟通信系统的功能，即实时计算四个配电换流站的总负荷，并将其传送给各个变换器的分布式控制器。各分布式控制器控制系统架构有直流电压-有功功率下垂控制、外环直流电压控制环，以及dq电流控制内环组成。
其中控制系统中下垂控制策略为：首先计算系统的总负荷，然后基于本台区配电变压器的额定容量在配电总容量的所占比例系数，计算出本配电换流站此时期望的负荷值，最后将其与实际的负荷值相减后乘以下垂系数得到直流电压下垂控制参考量，并加入到直流电压控制外环。各站变换器下垂系数直接影响各站直流电压-功率的下垂特性，是根据各站配电变压器可用容量及变换器功率对下垂系数进行整定的。
也就是说，低压直流互联网络中各个配电换流站采用直流电压-有功功率优化下垂控制，使变换器由常规UdcQ/PQ的主从式控制提升为按各台区容比（容量比例）的独立式下垂控制，即各交流配网台区可基于各配电变压器的容比调控配电变压器的输出有功功率。
直流电压-有功功率优化下垂控制是指变换器直流母线的输出直流电压随着功率或电流的不同而依据下垂特性线性的变化，即输出电压随着输出功率或电流增加而下降的P-V 或 I-V特性而线性的变化，如图4稳态Udc-P下垂特性所示，其中P为瞬时有功功率，Udc为直流母线电压。
直流互联网络的交换功率在配电换流站之间按容比进行分配，功率分配性能取决于下降曲线的斜率。以电压-功率下降控制方式下运行的多端直流系统，各个配电换流站对直流电压的控制具有独立性，即各个配电换流站均根据有功功率输送的需求单独控制各站的直流电压，而不是采用主站控制直流电压、从站控制功率的方式。各个配电换流站通过下垂系数调整直流电压参考值，在基于直流电压控制外环及dq电流解耦内环控制架构基础上，实现直流电压-功率的下垂特性。
采用上述技术方案后，本实施例的电动汽车低压充电网络系统通过控制4个配电换流站实现对多线路或变压器之间的功率潮流的控制，可充分利用各线路或变压器之间的可用功率均衡能力来转移因电动汽车接入数量增长导致的单馈线或变压器的高峰负荷需求，并利用直流互联没有电磁环流和限制短路电流的优点，通过低压直流互联线路实现低压配电台区负荷平衡，根据电动汽车充电随机性的特点，将随机负荷在交流配电台区之间按照配电变压器容量进行平衡，以降低负荷高峰对部分交流配电台区的影响，实现功率在低压配电台区的就地消纳，避免线路或变压器的过载。因此，本实施例能够为客户提供更高的运行可靠性，有效解决现有配电网结构和容量配置对电动汽车集成的约束，提高配电网集成电动汽车的能力。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (3)

1.一种负荷均衡的电动汽车低压充电网络系统，包括交流配电台区、配电换流站和控制系统，其特征在于，交流配电台区和配电换流站均为多个，每个流配电台区对接一个配电换流站，还包括直流配电线路，其中：
交流配电台区包括交流配电变压器，负责将交流系统的交流高压降为交流低压；
配电换流站包括前级AC/DC变换器和与前级AC/DC变换器相连的后级DC/DC变换器，其中前级AC/DC变换器控制网侧电流及直流母线电压，后级DC/DC变换器控制直流侧充放电电压或电流，各配电变压器输出的交流低压一部分用于传统负荷供电，另一部分输入到相应的配电换流站的前级AC/DC变换器，由各配电换流站的前级AC/DC变换器输出直流低压给其后级DC/DC变换器，再由相应的后级DC/DC变换器输出充电电压用于电动汽车充电；各配电换流站的前级AC/DC变换器的直流侧通过直流配电线路相连组网；
控制系统用于对各配电换流站进行运行控制和监视保护，管控所有AC/DC变换器和DC/DC变换器的运行状态，并实现配电换流站交流和直流两侧的协调统一控制。
2.根据权利要求1所述的负荷均衡的电动汽车低压充电网络系统，其特征在于，所述前级AC/DC变换器为第一H桥变换器，后级DC/DC变换器为由第二H桥变换器、第三H桥变换器和隔离变压器构成隔离性DC-DC变换器；第一H桥变换器的交流侧为交流并网端口，其直流侧与第二H桥变换器的直流侧相连；第二H桥变换器的交流侧与隔离变压器的一边相连，隔离变压器的另一边与第三H桥变换器的交流侧相连，电动汽车充电接入第三H桥变换器的直流侧。
3.根据权利要求2所述的负荷均衡的电动汽车低压充电网络系统，其特征在于，所述控制系统包括上层监控系统和控制各第一H桥变换器、第二H桥变换器及第三H桥变换器的分布式控制器，上层监控系统用于实时计算各配电换流站的总负荷并将其传送给分布式控制器，分布式控制器用于计算出相应配电换流站的期望的负荷值然后将其与实际的负荷值相减后乘以下垂系数实施电压控制。
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