CN109995065B - 用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，包括以下步骤：获取电动汽车直流快充站当前负载额定功率；根据负载额定功率计算获取负载对应的母线电压最大允许的跌落幅值Δv_dc‑max和电网功率爬坡率最大值k_Grid；根据于直流快充站的控制策略参数获取电压最大跌落幅值与机械角速度跌落幅值之间的比值系数D_v/ω；根据上述各参数结合源‑储‑荷功率特性曲线计算获取飞轮储能系统中的飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值；将飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值输入至飞轮储能系统的控制系统，对飞轮储能系统进行容量配置。与现有技术相比，本发明能够具有针对性和准确性地对飞轮储能系统的容量进行配置。

Description

用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车直流快充站，尤其是涉及一种用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法。

背景技术

随着电动汽车快速充电技术的普及，越来越多的电动汽车快充站在城市核心区域投入建设与运营。快充站负荷具有功率大与随机性强的特点，可导致电网功率的急剧上升，对电力系统造成强烈冲击。在直流快充站配置飞轮储能可有效缓解电网功率冲击以及补偿母线电压跌落问题。

但是现有的直流快充站的飞轮储能系统存在以下问题：飞轮储能系统的储能容量多才用经验方法，无法进行精确的配置，造成容量过大或者过小。若储能容量配置不足，飞轮储能系统将无法有效发挥对电网的功率缓冲作用；若储能容量配置裕度过大，将造成储能资源的浪费。由于功率冲击问题主要体现在快速充电启动阶段，这一过渡阶段时间往往比较短暂，所以用来实现功率缓冲的飞轮储能容量的配置要确保精准，这便需要考虑具体控制策略下的飞轮储能功率特性。现有研究在对飞轮储能系统进行容量配置时多未结合其储能特性，也未对飞轮储能的基本参数飞轮转子转动惯量以及初始机械角速度值的求解进行详细研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，包括以下步骤：

S1、获取电动汽车直流快充站当前负载额定功率；

S2、根据负载额定功率计算获取负载对应的母线电压最大允许的跌落幅值Δv_dc-max和电网功率爬坡率最大值k_Grid；

S3、根据于直流快充站的控制策略参数获取电压最大跌落幅值与机械角速度跌落幅值之间的比值系数D_v/ω；

S4、根据上述各参数结合源-储-荷功率特性曲线计算获取飞轮储能系统中的飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值；

S5、将飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值输入至飞轮储能系统的控制系统，对飞轮储能系统进行容量配置。

进一步地，在步骤S3中，母线电压最大跌落幅值与机械角速度跌落幅值之间的比值系数D_v/ω的计算表达式为：

式中，v_dc-ref是母线电压额定值，t₀为充电启动时刻，t是当前运行时刻，E_Gd是电网电压在dq0坐标系下的d轴分量，K_gp和K_gi是GSC电压控制外环的PI参数，K_fp和K_fi是LCC-SFC电压控制外环的PI参数，K_ωp和K_ωi是LCC-SFC转速控制环的PI参数。

进一步地，在步骤S2中，负载对应的母线电压最大允许的跌落幅值Δv_dc-max的计算表达式为：

式中，v_dc-ref是母线电压额定值，P_Load-max是充电座所允许接入的单台负载功率上限值，5％是直流母线电压的最大允许波动幅度，P_Load-rate是当前的负载额定功率。

进一步地，在步骤S2中，电网功率爬坡率最大值k_Grid的计算表达式为：

式中，E_Gd是电网电压在dq0坐标系下的d轴分量，K_gi是GSC电压控制外环的PI参数。

进一步地，在步骤S4中，飞轮转动惯量参考值J_ref的计算表达式为：

J_ref＝K_J·min(J_ΔE,J_dP/dt)，

式中，K_J是转动惯量裕量系数，t₀为充电启动时刻，ΔE_Fly1是飞轮储能系统在t₀～t₁间段内释放的动能，ω_m-ref为设置的初始机械转速，

是飞轮机械转速在t₁时刻的变化量，P_Fly是轮储能系统提供的功率，v_dc-ref是母线电压额定值，K_ωp和K_ωi是LCC-SFC中转速控制环的PI参数，K_fi是LCC-SFC中电压控制外环的PI参数。

进一步地，在步骤S4中，飞轮机械角速度参考值的取值上限ω_m(max)与取值下限ω_m(min)的计算表达式为：

式中，P是电机极对数，Ψ_f是电机转子磁链，R_Load是负载等效电阻，i_N是飞轮电机允许最大电流，L_q是定子绕组电感在dq0坐标系下的q轴分量，ΔE_Fly2是飞轮储能系统在t₀～t₂间段内释放的动能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过获取负载额定功率，充分结合电动汽车直流快充站本身的控制策略，能够较为准确地获取飞轮储能系统的飞轮转子转动惯量参考值与初始机械角速度参考值，从而具有针对性地对飞轮储能系统的容量进行配置，确保将直流母线电压最大跌落幅值以及电网功率爬坡率限制在允许范围内。

2、本发明结合飞轮储能系统的机械储能特性，通过对飞轮转子转动惯量以及初始机械角速度两个基本参量的整定，实现飞轮系统的容量配置。算法具有储能参数配置针对性强、储能容量配置精确度高的优势。可避免满足快速充电初始阶段内功率缓冲要求的容量配置的盲目性。

附图说明

图1为本发明的配置流程示意图；

图2本发明直流母线电压、飞轮机械转速与快充站系统功率特性典型曲线；

图3a为49kw功率的单台负载在快速充电初始阶段的仿真图；

图3b为70kw功率的单台负载在快速充电初始阶段的仿真图；

图3c为98kw功率的单台负载在快速充电初始阶段的仿真图；

图3d为140kw功率的单台负载在快速充电初始阶段的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供了一种用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，可以确保将直流母线电压最大跌落幅值以及电网功率爬坡率限制在允许范围内。首先，在满足快速充电初始阶段负载充电功率与能量需求的前提下，根据负载额定功率求解母线电压最大跌落幅值与电网功率爬坡率的理论预期值，获取飞轮储能系统中轮转动惯量参考值与初始机械角速度参考值。然后，将飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值输入至飞轮储能系统的控制系统，对飞轮储能系统进行容量配置。

如图1所示，其具体步骤如下：

1)根据电动汽车直流快充站已知的控制策略参数获取等效负载所对应的母线电压最大跌落幅值与机械角速度跌落幅值之间的比值系数D_v/ω；、根据负载额定功率计算获取快速充电负荷所允许的母线电压最大跌落幅值Δv_dc-max和电网功率爬坡率k_Grid。

1.1)负载额定功率(充电功率)为P_Load-rate的等效负载所对应的D_v/ω、Δv_dc-max以及k_Grid等基本参数进行求解：

配有飞轮储能系统的直流快充站负载充电功率P_Load、电网功率P_Grid以及飞轮储能系统提供的功率P_Fly表示如下：

式中：t₀为快速充电启动时刻；v_dc-ref是母线电压额定值；R_L是负载等效电阻；Δv_dc(t)与Δω_m(t)分别表示母线电压v_dc与飞轮机械转速ω_m在t时刻(t≥t₀)的增量；K_gp、K_gi、K_fp、K_fi、K_ωp和K_ωi分别是GSC(电网侧变流器)的电压控制外环、LCC-SFC(负载电流补偿与转速反馈控制)的电压控制外环以及转速控制环的PI参数，E_Gd是电网电压在dq0坐标系下的d轴分量。

由于负载实时充电功率等于电网功率与飞轮储能系统提供的功率之和，即：

P_Load＝P_Grid+P_Fly

对上式求解，忽略Δv_dc(t)与Δω_m(t)的乘积项，而且由于充电初始阶段持续的时间较短，可将积分项近似处理为被积分函数与积分区间长度的乘积，得到t时刻D_v/ωd表达式：

1.2)负载额定功率为P_Load-rate的快速充电负荷所允许的母线电压最大跌落幅值Δv_dc-max可按照其与功率上限值P_Load-max的比值进行整定：

式中：P_Load-max是快充站所允许接入的单台快速充电负载的功率上限值；5％是直流母线电压的最大允许波动幅度。

1.3)根据电网功率表达式，得到电网功率P_Grid对时间的导数表达式：

当母线电压跌落幅值达到最大时，dΔv_dc(t)/dt等于零，此时电网功率爬坡率达到最大，记为k_Grid：

2)计及系统源-储-荷功率特性曲线，如图2所示，对飞轮转子转动惯量与初始机械角速度约束范围进行计算：

2.1)满足快速充电初始阶段负载能量需求的飞轮转子转动惯量参考值J_ref求解：

基于飞轮机械能增量ΔE_Fly1求解的转动惯量J_ΔE为：

式中：ΔE_Fly1为飞储能系统在t₀～t₁时间段内释放的动能；ω_m-ref为设置的初始机械转速；

为飞轮机械转速在t₁时刻的变化量。

t₁时刻，P_Grid曲线与P_Fly曲线相交，基于dP_Fly/dt求解的转动惯量J_dP/dt为：

飞轮转子转动惯量最小取值满足式任意约束条件即可，转动惯量参考值的选取应留有一定裕量，引入转动惯量裕量系数K_J，转动惯量的参考取值J_ref为：

J_ref＝K_J·min(J_ΔE,J_dP/dt)；

2.2)满足快速充电初始阶段负载能量需求的飞轮机械转速参考值ω_m-ref的确定：

忽略定子电阻压降，永磁同步电机在dq0坐标系下的稳态电压方程以及定子电压约束条件为：

式中：P为电机极对数，u_d、u_q、i_Fd、i_Fq、L_d与L_q分别是电机定子绕组电压、定子绕组电流以及定子绕组电感的d、q轴分量，Ψ_f是电机转子磁链。

当i_Fd＝0时，求得飞轮机械角速度ω_m满足如下条件：

空载时，得到基于母线电压幅值约束条件的角速度上限ω_m(voltage)表示为：

带载时，有功电流i_Fq与初始机械角速度ω_m-ref应满足：

当飞轮储能系统的PMSM-FESS(永磁同步电机)工作在放电模式时，i_Fq满足如下关系：

飞轮电机的电磁功率P_e与负载额定功率P_Load-rate满足如下关系：

此时，i_Fq满足如下关系：

在满足等效负载额定充电功率的条件下，初始机械角速度上限ω_m(power)表示为：

受定子绕组电流i_Fq的限制，机械角速度取值下限

为：

将P_Fly曲线零点的时刻记为t₂，此时机械转速增量达到最大值Δω_m-max，并将飞轮储能系统在t₀～t₂时段提供的电能记为ΔE_Fly2，Δω_m-max可表示为：

飞轮初始机械角速度参考值ω_m-ref的取值上限ω_m(max)与取值下限ω_m(min)表示为：

结合对飞轮转子转动惯量约束条件与初始机械角速度约束条件，得到可满足快速充电初始阶段负荷能量需求的飞轮储能系统的容量配置E_Fly为：

为验证本发明的有效性与正确性。提出仿真案例研究：

(1)系统仿真参数以及部分控制参数如表1所示。

表1.系统仿真参数以及部分控制参数

(2)电动汽车等效负荷额定功率设置：为与实际快充站内通用直流充电机功率相吻合，仿真时将负载等效电阻R_Load的值分别设定为10Ω、7Ω、5Ω与3.5Ω。当母线电压额定值设置为700V时，对应的负载额定充电功率分别为49kW、70kW、98kW与140kW。仿真结果如图3a、图3b、图3c与图3d所示。

(3)针对四种额定功率不同的单台负载对应的飞轮系统容量进行整定，母线电压最大跌落幅值Δv_dc-max与电网最高功率爬坡率k_Grid的理论值与各自的仿真值等数据如表2所示。

表2.理论值和仿真值参数表

(4)按照本发明所提出的飞轮储能系统容量配置方法，针对四种额定功率不同的快速充电负载对应的飞轮转子转动惯量以及初始机械角速度值进行配置后，能够使得母线电压最大跌落幅值Δv_dc-max与电网最高功率爬坡率k_Grid的仿真值与各自的理论预期值基本相符。本发明能够在满足抑制电网功率爬坡率并显著补偿母线电压跌落的基础上，实现电动汽车快充站场景下的飞轮储能系统容量的准确配置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取电动汽车直流快充站当前负载额定功率；

S2、根据负载额定功率计算获取负载对应的母线电压最大允许的跌落幅值Δv_dc-max和电网功率爬坡率最大值k_Grid；

S3、根据直流快充站的控制策略参数获取电压最大跌落幅值与机械角速度跌落幅值之间的比值系数D_v/ω；

S4、根据上述各参数结合源-储-荷功率特性曲线计算获取飞轮储能系统中的飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值；

S5、将飞轮转动惯量参考值与机械角速度参考值输入至飞轮储能系统的控制系统，对飞轮储能系统进行容量配置。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，其特征在于，在步骤S3中，母线电压最大跌落幅值与机械角速度跌落幅值之间的比值系数D_v/ω的计算表达式为：

式中，v_dc-ref是母线电压额定值，t₀为充电启动时刻，t是当前运行时刻，E_Gd是电网电压在dq0坐标系下的d轴分量，K_gp和K_gi是GSC电压控制外环的PI参数，K_fp和K_fi是LCC-SFC电压控制外环的PI参数，K_ωp和K_ωi是LCC-SFC转速控制环的PI参数，LCC-SFC表示负载电流补偿与转速反馈控制。

3.根据权利要求1所述的用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，其特征在于，在步骤S2中，负载对应的母线电压最大允许的跌落幅值Δv_dc-max的计算表达式为：

式中，v_dc-ref是母线电压额定值，P_Load-max是充电座所允许接入的单台负载功率上限值，5％是直流母线电压的最大允许波动幅度，P_Load-rate是当前的负载额定功率。

4.根据权利要求3所述的用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，其特征在于，在步骤S2中，电网功率爬坡率最大值k_Grid的计算表达式为：

式中，E_Gd是电网电压在dq0坐标系下的d轴分量，K_gi是GSC电压控制外环的PI参数。

5.根据权利要求1所述的用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，其特征在于，在步骤S4中，飞轮转动惯量参考值J_ref的计算表达式为：

J_ref＝K_J·min(J_ΔE,J_dP/dt)，

式中，K_J是转动惯量裕量系数，t₀为充电启动时刻，ΔE_Fly1是飞轮储能系统在t₀～t₁间段内释放的动能，ω_m-ref为设置的初始机械转速，

是飞轮机械转速在t₁时刻的变化量，P_Fly是轮储能系统提供的功率，v_dc-ref是母线电压额定值，K_ωp和K_ωi是LCC-SFC中转速控制环的PI参数，K_fi是LCC-SFC中电压控制外环的PI参数，LCC-SFC表示负载电流补偿与转速反馈控制。

6.根据权利要求5所述的用于电动汽车直流快充站的飞轮储能系统容量配置方法，其特征在于，在步骤S4中，飞轮机械角速度参考值的取值上限ω_m(max)与取值下限ω_m(min)的计算表达式为：

式中，P是电机极对数，Ψ_f是电机转子磁链，R_Load是负载等效电阻，i_N是飞轮电机允许最大电流，L_q是定子绕组电感在dq0坐标系下的q轴分量，ΔE_Fly2是飞轮储能系统在t₀～t₂间段内释放的动能。

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