CN108123431A - 一种光储式充电站直流微网系统协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光储式充电站直流微网系统协调控制方法，包括光储式电动汽车充电站、微网协调控制、混合储能系统协调控制、直流母线电压分层控制四个部分。光储式充电站直流微网系统协调控制方法能够通过对飞轮和蓄电池混合储能的协调优化控制，对直流母线电压的平滑过渡效果明显，能改善微网系统的电能质量，更有利于各变换器之间的协调控制以及系统中电气设备的使用寿命的改善。光储式电动汽车直流微网的基本结构及其相应的控制策略具有通用性，它们对于新能源的入网和就地消纳，以及电动汽车和电网之间的互动研究具有很好的参考和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流微网系统控制方法，尤其涉及一种光储式充电站直流微网系统协调控制方法。
背景技术
太阳能分布广泛，且清洁无污染，是国际公认的理想替代能源。随着电动汽车在世界各国的广泛发展和普及，未来以微网充电站形式实现光伏（PV）能源的就地消纳，对于清洁能源的可靠利用和大电网的经济稳定运行具有重要的意义，是实现低碳的一种直接有效方式。
直流微网作为连接分布式电源与主网的一种微网形式，能够高效地发挥分布式电源的价值与效益，具备比交流微网更灵活的重构能力。在直流微网中，能量的平衡控制可归结为直流母线电压的调整和电能质量的管理，而直流电压是反映系统内功率平衡的唯一指标。根据直流母线电压的分层下垂变化，实现各变换器之间的协调控制，是直流微网的一种简便灵活的控制方式。由于下垂控制无法实现对直流电压的恒定控制，微网系统无可避免要面对新能源发电波动或者负荷的切换引起的电压波动。为了平抑能量波动、解决能量供给波动性问题、提高供电可靠性，微网系统中通常需要增加储能装置。
采用储能装置虽然可在一定程度上起到抑制功率波动的作用，但是单一的储能装置很难同时满足功率与能量2方面要求。混合储能系统中超级电容与蓄电池输出功率的合理分配，使微网孤岛运行时系统的电能质量和负荷的功率需求满足要求。尽管超级电容具有功率密度高、充电速度快等优点，但也存在储能密度小、安装位置或使用不当会造成电解质泄漏、内阻较大和价格较贵等缺点。飞轮储能是一种新兴的电能存储技术，相比于超级电容，飞轮储能装置具有储能密度高、功率密度大、寿命长、工作温度范围宽、损耗小、环保无污染和维护低等特点，相较于超级电容储能、超导储能和新型电池储能，考虑储能系统在电力品质、频率支持和负载变化3方面的经济性，飞轮储能有极大优势。
发明内容
为了克服能量供给波动及储能装置存在的难题，本发明提出一种光储式充电站直流微网系统协调控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
以飞轮和磷酸铁锂蓄电池作为混合储能，飞轮用于平滑高频功率波动和部分低频功率，而蓄电池用于平衡主要能量流动，维持直流母线电压稳定；并网备用时，蓄电池和飞轮2者都进行充放电待用。光储式充电站直流微网系统协调控制方法，包括光储式电动汽车充电站、微网协调控制、混合储能系统协调控制、直流母线电压分层控制四个部分。
所述光储式电动汽车充电站是由光伏发电系统、混合储能、EV 充放电系统、DC/DC和AC/DC 变换器、交直流负荷和中央控制单元等部分组成。
所述微网协调控制包括孤岛运行、并网运行两种运行方式。
所述混合储能系统协调控制采用磷酸铁锂电池和飞轮混合储能的方式，平滑蓄电池的输入功率。
所述直流母线电压分层控制根据直流母线电压的分层下垂变化，实现各变换器之间的协调控制，从而实现直流微网中功率的协调优化分配。
本发明的有益效果是：飞轮和蓄电池混合储能的协调优化控制对于直流母线电压的平滑过渡效果明显，能改善微网系统的电能质量，更有利于各变换器之间的协调控制以及系统中电气设备的使用寿命的改善。光储式电动汽车直流微网的基本结构及其相应的控制策略具有通用性，它们对于新能源的入网和就地消纳，以及电动汽车和电网之间的互动研究具有很好的参考和实用价值。
附图说明
图1 光储式电动汽车充电站的微网结构。
图2 混合储能平滑控制结构。
具体实施方案
如图1所示，直流母线电压等级设计为600V，交流母线电压为380V，M为驱动电机。光储式EV充电站主要以直流微网结构方式运行，并配制了混合储能系统协调优化微网的能量配置，实现光伏发电、EV 充放电的协调控制。同时，交流侧母线与直流母线通过双向AC/DC 变换模块实现能量的双向流动，并通过固态切换开关（SST）实现微网与主网之间的联网（即并网）和离网（即孤岛）模式切换。
光储式电动汽车充电站是由光伏发电系统、混合储能、EV 充放电系统、DC/DC 和AC/DC 变换器、交直流负荷和中央控制单元等部分组成。其中：①光伏发电系统由光伏阵列和单向DC/DC 变换器组成，采用扰动观察法来实现最大功率点跟踪（MPPT）。②储能系统采用飞轮和蓄电池组合的混合储能方式。由于光伏发电具有间歇性和随机性，单一储能装置很难同时满足功率与能量2方面要求，混合储能方式中由蓄电池负责平滑系统中的低频功率分量，而飞轮负责补偿系统中的高频功率分量，从而满足微网运行的电能质量和负荷的功率需求，并提高蓄电池的使用寿命。孤岛运行时储能系统起到平滑功率和能量需求、支撑直流母线电压的作用，并网运行时主要是进行充放电且进入待用状态。③ DC/DC 变换器有单向和双向之分。其中光伏发电只能单向能量流动，可采用单向控制输出；而储能系统、EV充放电系统要实现双向的能量流动，需要采用双向控制实现两侧的互动。④AC/DC变换器包括飞轮系统中的AC/DC变换器和网侧AC/DC变换器。其中前者可视为飞轮储能系统的一部分；后者用于充电站直流母线与交流侧母线之间的连接。根据充电站能量的需求，在充电站并网运行时，网侧AC/DC 变换器为充电站提供功率和能量需求或者消纳多余的电量；孤岛运行时，该变换器为交流侧提供电压和频率支撑，并供给电量。⑤充电站负荷设交流和直流负荷2 类。其中交流负荷为常规市电下的负荷，通常为恒功率型；直流负荷为适用于直流电压下直接使用的负荷，通常为恒阻性型。⑥中央控制单元负责各单元的监测和控制，包括电压、电流和能量的监测，实现中央调控，协调充电站内各组成部分的优化运行。
微网孤岛运行时，交流母线作为负荷由直流母线提供能量，此时由储能系统维持直流母线电压的稳定。电动汽车充电站并网运行时，交流侧与主网相连，此时主网作为无穷大电源消纳或补充微网系统的能量，由双向AC/DC 控制实现直流母线电压的稳定。
如图2所示，本发明储能系统采用磷酸铁锂蓄电池和飞轮混合储能的方式，利用飞轮快速充放电的特性，对系统中的高频功率和部分低频功率进行补偿，平滑蓄电池的输入功率，从而在蓄电池提供电压支撑时达到维持直流母线电压平滑稳定、并提高蓄电池使用寿命的目的。蓄电池与飞轮混合储能平滑控制结构用一个低通滤波器分离混合储能系统的充电功率，分别由飞轮和蓄电池承担不同频段的分量。
在直流微网中，直流母线电压是反映系统内功率平衡的唯一指标。系统运行模式不同，相应的功率平衡点也会不同，因此可采用电压分层控制，即根据直流母线电压（Udc）的分层下垂变化，实现各变换器之间的协调控制，从而实现直流微网中功率的协调优化分配。直流母线电压分层控制设计为5层，每1层对应有相应变流器的电压下垂控制，以保证系统中的功率平衡。根据直流母线电压的位置，确定相应的工作模式，实施变换器相应的控制策略，实现无互联控制，并在切换点处设置电压滞环环节，避免运行过程中工作模式的频繁切换。第1 层控制，系统功率过剩，由光伏发电系统单向DC/DC 变换器降功率控制维持直流母线功率的平衡并提供电压支撑；第2、5 层控制，由蓄电池储能通过双向DC/DC 变换器电压–电流下垂控制，维持母线电压的稳定；第3、4 层控制，由双向AC/DC 变换器通过与交流侧功率的交换，实现直流母线电压的稳定控制。
Claims (5)
1.一种光储式充电站直流微网系统协调控制方法，其特征在于：包括光储式电动汽车充电站、微网协调控制、混合储能系统协调控制、直流母线电压分层控制四个部分。
2.如权利要求1所述的光储式充电站直流微网系统协调控制方法，其特征在于所述光储式电动汽车充电站是由光伏发电系统、混合储能、EV 充放电系统、DC/DC 和AC/DC 变换器、交直流负荷和中央控制单元等部分组成。
3.如权利要求1所述的光储式充电站直流微网系统协调控制方法，其特征在于所述微网协调控制包括孤岛运行、并网运行两种运行方式。
4.如权利要求1所述的光储式充电站直流微网系统协调控制方法，其特征在于所述混合储能系统协调控制采用磷酸铁锂电池和飞轮混合储能的方式，平滑蓄电池的输入功率。
5.如权利要求1所述的光储式充电站直流微网系统协调控制方法，其特征在于所述直流母线电压分层控制根据直流母线电压的分层下垂变化，实现各变换器之间的协调控制，从而实现直流微网中功率的协调优化分配。
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