CN107612065A - 可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法，属于电力电子技术与新能源汽车充电基础设施领域。本发明的调度方法主要应用对象为基于可重构环形母线的集群式直流充电站，通过调度系统引导进入充电站的车辆，使其进入合理的停车位，发挥可重构环形母线的最大优势，实现充电功率的高效分配。同时调度方法对于并发充电数较多而不能同时满足所有连接的电动车的直流充电需求时，将根据优先级采取平移重构算法自动调整和重构由多个分段母线组成的母线区段，实现最优的充电模块的组合和功率分配。本调度方案与可重构环形母线相结合，较之于已有的“充电堆”“柔性充电”等技术，可以大大减少连接开关的数量和系统的复杂度。

Description

可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术与新能源汽车充电基础设施领域，尤其涉及一种可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法。

背景技术

电动汽车的迅速发展，带来了充电设施的建设需求。为了满足车辆快速补充能量，增加续航的需求，大功率直流充电桩是当前迅速发展的产业。

目前的直流快速充电桩的充电功率输出大多是由多个的AC/DC模块并联组成，其功率是固定的，市面上以15kW的AC/DC模块占绝大多数。然而各种电动汽车的最大充电功率则有所不同，小则几十千瓦，多则上百千瓦。若建设小容量的直流充电桩，无法满足某些车辆的大功率充电需求。而建设大量的大容量充电桩，则会极大地增加充电站的建设成本，而且对电动汽车小功率充电时，也会造成系统容量的浪费。

为了解决这一问题，ABB公司于2011年申请了一个专利(CN201180024654)，最早提出了开关连接矩阵的概念。即对于n个功率转换器和m个充电桩的结构，二者之间通过一个开关矩阵连接，使n个功率转换器可以在m个充电桩之间进行任意切换，从而实现功率的任意分配。之后，西安特锐德智能充电科技有限公司也提出了类似的结构(CN201520677685)，通过开关将直流模块连接到每个停车位的充电桩上，每个直流模块均可切换至任一充电桩，可根据车辆的充电需求，任意组合直流模块，进行功率的分配。这两种结构由于使用了n*m的矩阵，结构过于复杂，当n和m的值较大时，需要使用巨量的接触器。深圳奥特迅电力设备股份有限公司提出了一种称为矩阵式柔性充电堆的产品(CN201520163212)，该产品将功率模块划分为两部分，一部分位于固定功率区，每个模块对应一个充电桩，用于满足该桩的最小输出功率需求；但是另外一部分动态功率区，实质与前述的n*m矩阵类似，也可灵活连接到各个充电桩的直流母线上。该结构的实质与前面两种结构一样，仍然比较复杂，所用接触器的数量级与前两者是一致的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可重构环形母线的直流充电集群式充电系统的调度方法，通过合理分配充电系统中的资源，来发挥环形母线的最大优势，实现充电功率的高效分配。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法，所述充电系统包含交流母线，环形直流母线，AC/DC充电模块，开关组件以及直流充电桩；

所述AC/DC充电模块用于将所述交流母线的交流变换成直流给所述环形直流母线以及所述直流充电桩供电；

所述开关组件包含多组连接开关，所述连接开关串联连接于直流母线上并将其分割成多个分段母线，相邻两个连接开关间的分段母线上连接至多一个AC/DC充电模块和至多一个直流充电桩，一个直流充电桩对应至少一个充电停车位；所述连接开关通过分合，将环形母线上任一组相邻的分段母线组成一个母线区段，以调节接入直流充电桩的AC/DC充电模块数量和最大输出功率；

该调度方法包含如下步骤：

S1：根据直流充电桩、分段母线和充电停车位三者之间的对应关系，将任意两个充电停车位所对应的分段母线在环形直流母线上所间隔的分段母线的数量定义为充电停车位之间的距离；

S2：用户根据自己的需要通过用户界面选择车辆的充电时间与优先级及相应费率；

S3：对需要充电的车辆进行自动指示引导，使得给新进车辆的安排的充电停车位与所有正在充电的充电停车位之间的距离最大；

S4：根据各直流充电桩接入的先后顺序以及用户选择的优先级来确定优先级次序，优先满足高优先级次序车辆的充电功率需求，通过连接开关的切换，重构母线区段，重新分配AC/DC充电模块；

S5：充电区段的重构采用平移重构方案，对环形直流母线上的连接开关的开闭状态进行调整，为新进充电车辆形成新的充电区段。

进一步，所述平移重构方案具体为：

S51：退出阶段，从正在执行充电的母线区段一端的分段母线开始退出，将该分段母线中连接的AC/DC充电模块的输出电流减小至零；

S52：将需要退出的分段母线与正在充电的母线区段之间的连接开关断开；

S53：并入阶段，从正在执行充电的母线区段另一端的分段母线开始并入，将该分段母线上连接的AC/DC充电模块的电压与母线区段的充电电压进行同步；

S54：将需要并入的分段母线与正在充电的母线区段之间的连接开关闭合；

所述平移重构方案分为以下三种情况：

一、母线区段平移

重复执行步骤S51到步骤S54，不断平移母线区段；

二、母线区段增长

重复执行步骤S53和步骤S54，不断增长母线区段；

三、母线区段缩短

重复执行步骤S51和步骤S52，不断缩短母线区段。

进一步，所述用户界面包括手机APP、车载APP、桩体的显示操作面板、站内的统一的操作面板。

本发明的有益效果在于：

(1)该发明的调度系统的主要应用对象为基于可重构环形母线的集群式直流充电系统，首先该系统引导进入充电站的车辆，使其进入合理的停车位，从而发挥可重构环形母线的最大优势，实现充电功率的最大化分配。

(2)同时调度方法对于并发充电数较多的直流充电需求，即不能同时满足所有连接的电动车的直流充电需求时，将根据优先级采取平移算法自动调整和重构最优的充电模块的组合和功率分配的方式。

(3)本调度方案应用于新型可重构环形母线，较之于已有的“充电堆”“柔性充电”等技术，可以大大减少接触器的数量和系统控制的复杂度。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的平移重构之前的初始状态示意图；

图3为本发明实施例的平移重构的开始状态示意图；

图4为本发明实施例的平移重构的中间过程示意图；

图5为本发明实施例的平移重构的最终状态示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明的可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法适用于直流充电站、市政停车场、住宅小区地下车库等车辆需要充电的场所。

本实施例的直流充电系统包括交流母线、直流充电桩、AC/DC充电模块、环形直流母线及其连接开关。环形直流母线由多个连接开关组成，连接开关将环形直流母线分为多个分段母线，每两个连接开关之间的分段母线连接一个AC/DC充电模块和一个独立直流充电桩，每个独立直流充电桩对应一个充电车位。系统初始状态下，环形母线上所有的连接开关皆断开。当一个连接开关闭合时，两个分段母线连接在一起，使得单个充电桩的输出能力增加，以此类推不断将相邻分段母线的连接开关闭合，可组成母线区段，接入更多的充电模块，增加充电桩的最大输出功率。综上所述，环形直流母线通过闭合相邻的一串连接开关，可将一组分段母线组成一个母线区段，区段的队列两侧均可出队和入队。

在环形分段母线的结构当中，充电桩的数量为n。同样，AC/DC充电模块、连接开关和停车位的数量也为n。在停车位、充电桩、分段母线和AC/DC充电模块一一对应的前提下，以下可采用停车位之间的距离来描述环形母线上的分段母线之间的间隔。假设两个停车位之间间隔的停车位数量为m，则定义m+1为两个停车位之间的距离。根据以上定义，两个停车位之间的距离沿环形的一个方向(如顺时针)计数时，可能会大于沿另一个方向(如逆时针)计数的距离。定义两个停车位之间距离较大的一个为最大距离，较小的一个为最小距离。本调度方案要实现的首要目标为：通过对进入充电车位的车辆进行自动指示引导，使得给新进车辆的安排的充电停车位与正在充电的停车位之间的最小距离尽量地大。在此调度原则下，可以保证所有在用的充电桩可以通过闭合对应的连接开关，形成尽可能长的母线区段，连入更多充电模块，从而获得尽可能大的充电功率输出能力。

在调度过程中还需要考虑车辆充电的优先级。当充电车位中并发充电车辆较多时，无法以各车辆要求的最大功率进行充电时，调度系统应根据各充电桩接入的先后顺序，和在用户界面(手机APP、车载APP、桩体的显示操作面板、或站内的统一的操作面板等)上选择的充电车辆的完成充电的时间需求与优先级(相应更高的充电服务费)，优先满足高优先级车辆的充电需求，通过连接开关的切换，重构母线区段，为其连接的直流桩分配更多的AC/DC充电电源模块。

对于已经分配给一个直流桩的多个充电电源模块，其对应的各分段母线组成的母线区段，可能由于新的车辆进入车位充电，需要形成新的母线区段，对充电电源模块进行重新分配；具体表现为原有母线区段的相邻新进车辆充电桩的一侧有一到多个分段母线出队，而原有母线区段的另一侧可以有一到多个分段母线入队，此处称该调度方案为平移重构方案。

进行平移重构时，首先从原有母线区段的一端开始，将需要出队操作的分段母线所连接的AC/DC充电模块的输出电流减小为零。由于此时需要出队的分段母线一侧的连接开关必然是已经断开的，于是此时可以零电流断开其另一侧的连接开关。在与现有母线区段相邻的分段母线需要入队时，其初始状态下两侧的连接开关必然是断开的，在闭合其与母线区段之间的连接开关前，应先控制AC/DC充电模块把要入队的分段母线的电压与连接开关另一侧的母线区段电压(即充电桩输出电压)进行同步，之后再闭合连接开关，防止开关闭合过程中其两端的压差导致巨大的冲击电流。

图1为本发明另一个实施例的结构示意图，该图中包含12个AC/DC充电模块、充电桩、停车位以及连接开关。因此环形直流母线也被分为12个分段母线。当停车场全空时，第一个进入的车辆可以进入任意一个停车位。这里选择最下方的停车位为1号车位，第一辆车将停放在此处。当第二辆车进入时，为了保证其能获得尽可能大的充电功率，应当选择与1号车位最小距离尽量大的停车位。显然，使其进入7号停车位，可以实现此目标。当第三辆车进入时，调度系统将指引其进入4号或者10号停车位。当停车场中有4辆车时，按照该调度方案，连接开关2、5、8、11断开，其余连接开关闭合，每辆车将有最多三个AC/DC充电模块为其同时充电。

图2所示为本实施例的平移重构方案，初始状态下，第12、1、2号分段母线连接到停车位1。第3、4、5号分段母线连接到停车位4。第6、7、8号分段母线连接到停车位7。第9、10、11号分段母线连接到停车位10。此处假设每个AC/DC充电模块输出功率为15kW。1、7号停车位车辆的最大充电功率为25kW，4、10号停车位的车辆最大充电功率为40kW。

如图3所示，当第5辆车(最大充电功率为25kW)进入停车场时，调度系统指派其进入5号停车位，新进入的停车位5的车辆需要两个AC/DC充电模块为其充电。首先，可将5号分段母线上的AC/DC充电模块从停车位4分配给停车位5，但这将减少停车位4的充电功率；因此应提前将2号分段母线上的AC/DC充电模块从停车位1分配给停车位4，而此并不影响停车位1的充电功率。然后，将6号分段母线上的AC/DC充电模块从停车位7分配给停车位5，而不会影响停车位7的充电功率。通过以上所述的“平移”，各个停车位都重新分配了分段母线，组成了新的区段，可以满足车辆的充电需求。在可以通过平移算法满足充电功率分配的前提下，充电优先级不起调节作用。

具体的“平移”流程如下：首先，调度系统将2号分段母线上AC/DC充电模块的输出电流减少为零，然后断开1号连接开关，完成了停车位1的母线区段调整。接下来，再调节2号分段母线上AC/DC充电模块的输出电压与3、4、5号分段母线上的电压相同。然后，闭合2号连接开关，调节2号分段母线上AC/DC充电模块的输出电流，同步减小5号分段母线上AC/DC充电模块的输出电流，将5号分段母线上AC/DC充电模块的输出电流逐渐切换至2号分段母线的AC/DC充电模块上。此段切换过程后，母线区段分布如图4所示。

在下一阶段切换中，首先待5号分段母线上的AC/DC充电模块的输出电流减小为零后，断开4号连接开关，此时便完成了停车位4的母线区段的调整。然后，减少6号分段母线上的AC/DC充电模块的输出电流至零，同时增加7、8号分段母线上AC/DC充电模块的输出电流，以保持停车位7上车辆的充电功率。待6号分段母线上的AC/DC充电模块的输出电流为零后，断开6号连接开关，此时便完成了停车位7的母线区段的调整。最后，调节5号分段母线上的AC/DC充电模块输出电压与停车位5的电动车电池电压相等，再调节6号分段母线上的AC/DC充电模块输出电压与5号分段母线电压相同，闭合5号连接开关，调节5、6号分段母线上的AC/DC充电模块均为停车位5上的车辆充电。此段切换过程后，母线区段重新调整完成如图5所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种可重构环形母线的集群式直流充电系统的调度方法，其特征在于：所述充电系统包含交流母线，环形直流母线，AC/DC充电模块，开关组件以及直流充电桩；

所述AC/DC充电模块用于将所述交流母线的交流变换成直流给所述环形直流母线以及所述直流充电桩供电；

所述开关组件包含多组连接开关，所述连接开关串联连接于直流母线上并将其分割成多个分段母线，相邻两个连接开关间的分段母线上连接至多一个AC/DC充电模块和至多一个直流充电桩，一个直流充电桩对应至少一个充电停车位；所述连接开关通过分合，将环形母线上任一组相邻的分段母线组成一个母线区段，以调节接入直流充电桩的AC/DC充电模块数量和最大输出功率；

该调度方法包含如下步骤：

S1：根据直流充电桩、分段母线和充电停车位三者之间的对应关系，将任意两个充电停车位所对应的分段母线在环形直流母线上所间隔的分段母线的数量定义为充电停车位之间的距离；

S2：用户根据自己的需要通过用户界面选择车辆的充电时间与优先级及相应费率；

S3：对需要充电的车辆进行自动指示引导，使得给新进车辆的安排的充电停车位与所有正在充电的充电停车位之间的距离最大；

S4：根据各直流充电桩接入的先后顺序以及用户选择的优先级来确定优先级次序，优先满足高优先级次序车辆的充电功率需求，通过连接开关的切换，重构母线区段，重新分配AC/DC充电模块；

S5：充电区段的重构采用平移重构方案，对环形直流母线上的连接开关的开闭状态进行调整，为新进充电车辆形成新的充电区段。

2.根据权利要求1所述的一种可重构环形母线的直流充电集群式充电系统的调度方法，其特征在于：所述平移重构方案具体为：

S51：退出阶段，从正在执行充电的母线区段一端的分段母线开始退出，将该分段母线中连接的AC/DC充电模块的输出电流减小至零；

S52：将需要退出的分段母线与正在充电的母线区段之间的连接开关断开；

S53：并入阶段，从正在执行充电的母线区段另一端的分段母线开始并入，将该分段母线上连接的AC/DC充电模块的电压与母线区段的充电电压进行同步；

S54：将需要并入的分段母线与正在充电的母线区段之间的连接开关闭合；

所述平移重构方案分为以下三种情况：

一、母线区段平移

重复执行步骤S51到步骤S54，不断平移母线区段；

二、母线区段增长

重复执行步骤S53和步骤S54，不断增长母线区段；

三、母线区段缩短

重复执行步骤S51和步骤S52，不断缩短母线区段。

3.根据权利要求1所述的一种可重构环形母线的直流充电集群式充电系统的调度方法，其特征在于：所述用户界面包括手机APP、车载APP、桩体的显示操作面板、站内的统一的操作面板。