CN106972599B - 一种柔性智能充电站及充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型柔性智能充电站，包括充电桩，还包括移相整流单元、直流储能单元和MMC载波移相直流单元，本发明还公开了一种新型柔性智能充电方法，本发明在所有充电柱充电需求大于额定需求功率的条件下通过柔性控制对充电柱限额处理，在输入功率一定的情况下，能够最大化满足电动汽车的充电需求。

Description

一种柔性智能充电站及充电方法
技术领域
本发明专利属于电动汽车充电桩技术领域，具体涉及到一种柔性智能充电站，还涉及一种柔性智能充电方法。本发明适用于电动汽车充电站的建设，用于中大功率的电动汽车的充电。
背景技术
随着电动汽车的发展，充电桩和充电站的需求日益增强，如今充电桩的建设已经取得了一定的成就，并开始大面积地推广。随着电动汽车的进一步推广，充电站的建设逐渐显得紧迫，建设充电站的关键因素包括充电效率、建站成本和维护成本等。
当前充电站一般采用10kW/15kW功率模块多机并联模式实现，各个功率模块之间相对独立，这种方案的优点是成本低、扩容简单、便于批量生产。但是由于功率模块之间的功率器件分布不集中，充电站只能选择风冷散热模式，防护等级低，从而导致后期维护成本高，长期运行可靠性低；另外这种设计方案难以实现柔性控制，输出功率有效利用率低。本发明主要提出一种柔性智能充电站的设计，不仅在效率、成本、输出功率有效利用率和维护上有一定的优势，而且开辟了充电站新的设计思路，对未来建设充电站的格局有重大影响。
发明内容
本发明的目的在于针对现有充电站技术存在的问题，提供一种柔性智能充电站，还提供一种柔性智能充电方法，不仅使充电站功率模块在结构上实现全密闭性设计，易于后期维护，而且可以实现柔性控制，并且利用直流储能单元实现能量双向流动，减小了充电站对电网容量的要求，有利于电网容量的建设，从而使得建站成本低。
本发明可以通过以下技术方案实现：
一种柔性智能充电站，包括充电桩，还包括移相整流单元、直流储能单元和MMC载波移相直流单元，
直流储能单元包括直流储能单元输入端、储能蓄电池和直流储能单元输出端，直流储能单元输出端的正极端子通过第一切换开关与储能蓄电池的正极连接，直流储能单元输出端的负极端子通过第二切换开关与储能蓄电池的负极连接，直流储能单元输入端的正极端子通过第三切换开关与储能蓄电池的正极连接，直流储能单元输入端的负极端子通过第四切换开关与储能蓄电池的负极连接，第一切换开关上并联有预充电电阻，储能蓄电池两端并联有储能电压传感器，
直流储能单元输入端与MMC载波移相直流单元的输出端连接，直流储能单元输出端与MMC载波移相直流单元的输入端连接，MMC载波移相直流单元的输入端还与移相整流单元的输出端连接，MMC载波移相直流单元的输出端还与充电桩连接。
如上所述的移相整流单元包括依次连接的多绕组移相整流变压器、交流接触器、三相不可控整流电路和中间直流电容。
如上所述的移相整流单元包括依次连接的多绕组非移相整流变压器、交流接触器、三相PWM整流电路和中间直流电容。
如上所述的MMC载波移相直流单元包括BUCK单元和LC滤波输出模块，LC滤波模块包括输出滤波电感和输出滤波电容，LC滤波模块的输出端串联有整流二极管和输出电流传感器，输出滤波电容上并联有输出电压传感器。
如上所述的充电桩为多个，每个充电桩与一个直流储能单元和一个MMC载波移相直流单元对应。
一种柔性智能充电方法，包括以下步骤：
步骤1、在设定的电网波峰时段，充电桩无充电需求，移相整流单元中交流接触器吸合，电能由移相整流单元的输出端传输到MMC载波移相直流单元，直流储能单元中第一切换开关和第二切换开关断开，第三切换开关和第四切换开关吸合，电能由MMC载波移相直流单元的输出端传输到直流储能单元的输入端，直流储能单元中储能蓄电池补给电能；
步骤2、在设定的电网波峰时段，充电桩有充电需求，移相整流单元中交流接触器吸合，电能由移相整流单元的输出端传输到MMC载波移相直流单元，直流储能单元中第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关和第四切换开关断开，电能由MMC载波移相直流单元传输到充电桩，充电桩对待充电物进行充电；
步骤3、在设定的电网波谷时段，充电桩有充电需求，移相整流单元中交流接触器断开，直流储能单元中第一切换开关和第二切换开关吸合，第三切换开关和第四切换开关断开，电能由直流储能单元的输出端传输到MMC载波移相直流单元的输入端，再由MMC载波移相直流单元的输出端传输到充电桩，充电桩对待充电物充电。
如上所述的步骤3中，第一切换开关和第二切换开关吸合时，第一切换开关的吸合时间晚于第二切换开关的吸合时间。
一种柔性智能充电方法，还包括以下步骤：通过输出电压传感器的采样电压和输出电流传感器的采样电流控制MMC载波移相直流单元的输出电流和输出电压与充电桩的需求电压值和需求电流值相同。
一种柔性智能充电方法，还包括以下步骤：将所有充电桩的需求功率值叠加获得充电桩需求总功率，充电桩的需求功率值为充电桩的需求电压值和需求电流值的乘积，若充电桩需求总功率大于设定倍数的多绕组移相整流变压器/多绕组非移相整流变压器的额定容量，则将各个充电桩的需求电流值均分别乘以降频系数后作为新的需求电流值，降频系数小于1大于0。
本发明与现有充电站比较，具有以下优点：
1、现有充电站功率模块相对独立，功率器件分布零散，一般选择风冷散热模式，防护等级低，后期维护成本高。本发明中功率模块仅限于整流桥和全控型开关器件，相对集中，可采用水冷模式散热，在结构上能实现功率模块地全密闭性设计，防护等级高，长期运营可靠性高，后期维护成本低。
2、现有充电站采用10kW/15kW功率模块并联的模式，而所有充电柱不可能同时工作在最大功率点。如果不考虑柔性设计则导致输出功率有效率低，如果考虑柔性设计势必需要在输出增加较多的直流接触器实时切换，这种做法能够实现一定的柔性效果，但是增加了直流接触器导致系统的逻辑设计难度增加，且降低了系统的可靠性。本发明在所有充电柱充电需求大于额定需求功率的条件下通过柔性控制对充电柱限额处理，在输入功率一定的情况下，能够最大化满足电动汽车的充电需求。
3、本发明增加了直流储能单元，可以根据电网波峰波谷时段和输出负荷条件切换能量流向，有效降低了充电站对电网容量的要求。在输入功率一定的情况下输入电压越高，输出电流越小，损耗也越小，故效率越高，为此在电网处于波峰时更多地由移相整流单元往后级传递能量，在电网处于波谷时更多地由直流储能单元往后级传递能量，提高充电效率。
附图说明
图1为一种柔性智能充电站的原理示意图。
图2中a为移相整流单元第一种实施方式原理示意图；b为移相整流单元第二种实施方式原理示意图。
图3为直流储能单元的原理示意图。
图4为MMC载波移相直流单元的原理示意图。
其中：1-交流电网，2-移相整流单元，3-直流储能单元，4-MMC载波移相直流单元，5-充电桩，201-多绕组移相整流变压器，202-交流接触器、203-三相不可控整流电路，204-中间直流电容，205-多绕组非移相整流变压器，206-三相PWM整流电路，301-储能蓄电池，302-第一切换开关，303-第二切换开关，304-第三切换开关，305-第四切换开关，306-储能电压传感器，307-预充电电阻，308-直流储能单元输入端，309-直流储能单元输出端，401-BUCK单元，402-LC滤波输出模块，4021-输出滤波电感，4022-输出滤波电容，403-输出电流传感器，404-输出电压传感器，405-整流二极管。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施案列进一步阐述本发明的内容，单本发明的内容不仅仅局限于下面的实施案列。
实施案列1：
如图1所示，一种柔性智能充电站，包括充电桩5，还包括移相整流单元2、直流储能单元3和MMC载波移相直流单元4。
直流储能单元3包括直流储能单元输入端308、储能蓄电池301和直流储能单元输出端309，直流储能单元输出端309的正极端子通过第一切换开关302与储能蓄电池301的正极连接，直流储能单元输出端309的负极端子通过第二切换开关303与储能蓄电池301的负极连接，直流储能单元输入端308的正极端子通过第三切换开关304与储能蓄电池301的正极连接，直流储能单元输入端308的负极端子通过第四切换开关305与储能蓄电池301的负极连接，第一切换开关302上并联有预充电电阻307，储能蓄电池301两端并联有储能电压传感器306。
直流储能单元输入端308与MMC载波移相直流单元4的输出端连接，直流储能单元输出端309与MMC载波移相直流单元4的输入端连接，MMC载波移相直流单元4的输入端还与移相整流单元2的输出端连接，MMC载波移相直流单元4的输出端还与充电桩5连接。
移相整流单元2将交流电网电压转换成直流电压，并确保柔性智能充电站的输入功率因素满足入网标准。移相整流单元2输出的直流电压作为MMC载波移相直流单元4的输入端的输入电压，MMC载波移相直流单元4根据充电桩5给定的需求电压值和需求电流值控制输出的电压和电流供给充电桩5，也可以根据直流储能单元3提供的直流储能单元需求电压值和直流储能单元需求电流值控制输出的电压和电流供给储能蓄电池301充电。
如图2所示，移相整流单元2包括依次连接的多绕组移相整流变压器201、交流接触器202、三相不可控整流电路203和中间直流电容204。
作为另一种优选方案，移相整流单元2包括依次连接的多绕组非移相整流变压器205、交流接触器202、三相PWM整流电路206和中间直流电容204。
若控制直流储能单元3处于非工作状态，第一切换开关302、第二切换开关303、第三切换开关304和第四切换开关305全部断开；若控制直流储能单元3储存电能时，第三切换开关304和第四切换开关305闭合，第一切换开关302和第二切换开关303断开，电能由电网通过移相整流单元2和MMC载波移相直流单元4流入直流储能单元3中的储能蓄电池301；若控制直流储能单元3释放电能时，第三切换开关304和第四切换开关305断开，先闭合第二切换开关303，由预充电电阻307对移相整流单元2的中间直流电容204预充电，预充电完成后再闭合第一切换开关302，电能由直流储能单元3经MMC载波移相直流单元4给充电桩5供电。
如图4所示，MMC载波移相直流单元4包括BUCK单元和LC滤波输出模块，LC滤波模块包括输出滤波电感4021和输出滤波电容4022，LC滤波模块输出串联有整流二极管405和输出电流传感器403，LC滤波模块的输出滤波电容4022上并联有输出电压传感器404。输出控制器对输出电压传感器404的采样电压和输出电流传感器403的采样电流进行闭环控制，采用电流内环电压外环的双闭环控制策略限压限流输出功能，通过输出控制器控制BUCK单元内功率管的通断，使得MMC载波移相直流单元4的输出电压和输出电流与充电桩5的需求电压值和需求电流值相同，此控制策略已十分成熟。
充电桩5为多个，直流储能单元3和MMC载波移相直流单元4的个数与充电桩5匹配一致。
一种柔性智能充电方法，包括以下步骤：
步骤1、在设定的电网波峰时段，充电桩5无充电需求，由电网提供电能给直流储能单元3储能，移相整流单元2中交流接触器202吸合，电能由移相整流单元2的输出端通传输到MMC载波移相直流单元4，直流储能单元3中第一切换开关302和第二切换开关303断开，第三切换开关304和第四切换开关305吸合，电能由MMC载波移相直流单元4的输出端流向直流储能单元3的输入端，直流储能单元3中储能蓄电池301补给电能；
步骤2、在设定的电网波峰时段，充电桩5有充电需求，由电网提供电能给充电桩5的直流负载，移相整流单元2中交流接触器202吸合，电能由移相整流单元2的输出端传输到MMC载波移相直流单元4，直流储能单元3中第一切换开关302、第二切换开关303、第三切换开关304和第四切换开关305断开，电能由MMC载波移相直流单元4传输到充电桩5，充电桩5对电动汽车充电；
步骤3、在设定的电网波谷时段，充电桩5有充电需求，由直流储能单元3提供电能给充电柱5的直流负载，移相整流单元2中交流接触器202断开，直流储能单元3中第一切换开关302和第二切换开关303吸合，第三切换开关304和第四切换305开关断开，电能由直流储能单元3的输出端传输到MMC载波移相直流单元4，再由MMC载波移相直流单元4的输出端传输到充电桩5，充电桩5对电动汽车充电；
优选的，将所有充电桩5的需求功率值叠加获得充电桩需求总功率，充电桩5的需求功率值为充电桩5的需求电压值和需求电流值的乘积，若充电桩需求总功率大于设定倍数的多绕组移相整流变压器201/多绕组非移相整流变压器205的额定容量，则将各个充电桩5的需求电流值均分别乘以降频系数后作为新的需求电流值，降频系数小于1大于0。上述方案中采用柔性控制实时对充电桩的需求电流值进行降额处理，确保输出负荷不超过移相整流单元2中变压器(多绕组移相整流变压器201，多绕组非移相整流变压器205)额定输出功率。
例如，柔性控制的具体实施方案可以为：主控板通过RS485总线接口实时采集各个充电桩5的需求功率值(需求功率值为需求电压值和需求电流值的乘积)，并将所有充电桩5的需求功率值叠加得到充电桩需求总功率Po_Sum，移相整流单元2中变压器(多绕组移相整流变压器201或多绕组非移相整流变压器205)的额定容量为Pi_Sum，若Po_Sum>1.05*Pi_Sum，设定倍数为1.05，取降额系数η＝0.95；若Po_Sum>1.1*Pi_Sum，取降额系数η＝0.91，若Po_Sum>1.15*Pi_Sum，取降额系数η＝0.87…，再将计算得到的降额系数通过RS485总线接口实时发送给每个充电桩5，并将降额系数乘以充电桩的需求电流值得到新的需求电流值，从而限制各个充电桩5的输出功率。采用柔性控制策略有效利用了变压器的利用率和直流储能单元的利用率，极大地减小了充电站对电网容量的需求，经济效益高。
本文中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属领域的技术人员可以对本文所描述的具体实施案例做各种各样地修改或补充，或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种柔性智能充电方法，利用柔性智能充电站，柔性智能充电站包括：
充电桩(5)，还包括移相整流单元(2)、直流储能单元(3)和MMC载波移相直流单元(4)，
直流储能单元(3)包括直流储能单元输入端(308)、储能蓄电池(301)和直流储能单元输出端(309)，直流储能单元输出端(309)的正极端子通过第一切换开关(302)与储能蓄电池(301)的正极连接，直流储能单元输出端(309)的负极端子通过第二切换开关(303)与储能蓄电池(301)的负极连接，直流储能单元输入端(308)的正极端子通过第三切换开关(304)与储能蓄电池(301)的正极连接，直流储能单元输入端(308)的负极端子通过第四切换开关(305)与储能蓄电池(301)的负极连接，第一切换开关(302)上并联有预充电电阻(307)，储能蓄电池(301)两端并联有储能电压传感器(306)，
直流储能单元输入端(308)与MMC载波移相直流单元(4)的输出端连接，直流储能单元输出端(309)与MMC载波移相直流单元(4)的输入端连接，MMC载波移相直流单元(4)的输入端还与移相整流单元(2)的输出端连接，MMC载波移相直流单元(4)的输出端还与充电桩(5)连接，
移相整流单元(2)包括依次连接的多绕组移相整流变压器(201)、交流接触器(202)、三相不可控整流电路(203)和中间直流电容(204)，
MMC载波移相直流单元(4)包括BUCK单元和LC滤波输出模块，LC滤波模块包括输出滤波电感(4021)和输出滤波电容(4022)，LC滤波模块的输出端串联有整流二极管(405)和输出电流传感器(403)，输出滤波电容(4022)上并联有输出电压传感器(404)，
充电桩(5)为多个，每个充电桩(5)与一个直流储能单元(3)和一个MMC载波移相直流单元(4)对应，
其特征在于，包括以下步骤：
在设定的电网波峰时段，充电桩(5)无充电需求，移相整流单元(2)中交流接触器(202)吸合，电能由移相整流单元(2)的输出端传输到MMC载波移相直流单元(4)，直流储能单元(3)中第一切换开关(302)和第二切换开关(303)断开，第三切换开关(304)和第四切换开关(305)吸合，电能由MMC载波移相直流单元(4)的输出端传输到直流储能单元(3)的输入端，直流储能单元(3)中储能蓄电池(301)补给电能；
在设定的电网波峰时段，充电桩(5)有充电需求，移相整流单元(2)中交流接触器(202)吸合，电能由移相整流单元(2)的输出端传输到MMC载波移相直流单元(4)，直流储能单元(3)中第一切换开关(302)、第二切换开关(303)、第三切换开关(304)和第四切换开关(305)断开，电能由MMC载波移相直流单元(4)传输到充电桩(5)，充电桩(5)对待充电物进行充电；
在设定的电网波谷时段，充电桩(5)有充电需求，移相整流单元(2)中交流接触器(202)断开，直流储能单元(3)中第一切换开关(302)和第二切换开关(303)吸合，第三切换开关(304)和第四切换开关(305)断开，电能由直流储能单元(3)的输出端传输到MMC载波移相直流单元(4)的输入端，再由MMC载波移相直流单元(4)的输出端传输到充电桩(5)，充电桩(5)对待充电物充电。
2.根据权利要求1所述的一种柔性智能充电方法，其特征在于，第一切换开关(302)和第二切换开关(303)吸合时，第一切换开关(302)的吸合时间晚于第二切换开关(303)的吸合时间。
3.根据权利要求1所述的一种柔性智能充电方法，其特征在于，还包括以下步骤：通过输出电压传感器(404)的采样电压和输出电流传感器(403)的采样电流控制MMC载波移相直流单元(4)的输出电流和输出电压与充电桩(5)的需求电压值和需求电流值相同。
4.根据权利要求3所述的一种柔性智能充电方法，其特征在于，还包括以下步骤，将所有充电桩(5)的需求功率值叠加获得充电桩需求总功率，充电桩(5)的需求功率值为充电桩(5)的需求电压值和需求电流值的乘积，若充电桩需求总功率大于设定倍数的多绕组移相整流变压器(201)的额定容量，则将各个充电桩(5)的需求电流值分别乘以降频系数后作为新的需求电流值，降频系数小于1大于0。
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