CN110001446B - 一种高效能储充一体化能量动态分配系统及控制策略 - Google Patents
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Abstract
一种高效能储充一体化能量动态分配系统及控制策略，涉及新能源充电桩充电领域。包括主控制器、储能电池、第一储能变流器和多组充放电模块，充放电模块均包括开关控制器、第二储能变流器、控制开关S1、控制开关S2、充电终端，第一储能变流器、第二储能变流器的输入端均连接电网，第一储能变流器的输出端连接储能电池，第二储能变流器分别通过控制开关S1连接储能电池，控制开关S2连接在对应第二储能变流器与充电终端之间。本发明将储能变流器既作为给储能电池充放电的设备，也作为车辆的动力电池充电设备，替代了传统的充电桩中的充电模块，取而代之的是充电终端设备。通过新颖的能量分配拓扑结构和控制策略，提高了设备利用率，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及新能源充电桩充电领域，具体为一种高效能储充一体化能量动态分配系统及控制策略。
背景技术
随着国家大力推进新能源汽车发展，其配套的充电设施也不断出现，一般充电设施场站执行的是峰谷平电价，特别是北上广、江苏等地区的峰谷差价达到0.7元/度以上，在谷段充电更有利于提高电网的利用率，降低用电成本，随着近几年储能电池的成本不断下降，其应用领域不断扩大，在新建的充电场站不断出现储能与充电桩相互配套来进行削峰填谷充电，通过夜间谷段给储能电池充电，白天将能量释放出来供给充电桩使用，形成一个有效的能源合理利用网络。
一般的储能电池通过储能变流器来与电网相连，晚上通过储能变流器（PCS）将交流电能储存到电池中，白天通过储能变流器（PCS）换将电池存储的直流电逆变为交流电送至电网供负载使用。同时充电桩通过充电模块（CM）将储能电池逆变的交流电再转化为直流电对车辆的动力电池进行充电，
此系统储能变流器（PCS）是双向AC-DC，充电模块（CM）是单向AC-DC。由此可见，一般系统中的储能变流器（PCS）和充电模块（CM）都是单独存在于各自的子系统中，当电动车辆不多或者达不到满功率充电状态的时候，会存在储能变流器（PCS）和充电模块（CM）闲置的现象，这样模块的利用率就会大大降低，对于整体系统来说会导致成本浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效储存一体化能量动态分配系统，可以有效解决背景技术中的问题。
实现上述目的的技术方案是：一种高效能储充一体化能量动态分配系统，其特征在于：包括电网、主控制器、储能电池、一个第一储能变流器和多组充放电模块，充放电模块均包括开关控制器、第二储能变流器、控制开关S1、控制开关S2、充电终端，所述第一储能变流器、充放电模块的第二储能变流器的输入端均通过AC400V母线连接电网，所述第一储能变流器的输出端连接储能电池，所述充放电模块的第二储能变流器分别通过S1连接储能电池，充放电模块的控制开关S2连接在对应第二储能变流器与充电终端之间，所述充放电模块的开关控制器分别与对应控制开关S1、控制开关S2连接，所述充放电模块的开关控制器还与主控制器通信连接。
进一步地，所述控制开关S1和控制开关S2均采用IGBT模块，控制开关S1的c极和e极分别串接在第二储能变流器与储能电池之间，控制开关S2的c极和e极分别串接在第二储能变流器与对应的充电终端之间，控制开关S1、控制开关S2的g极均与对应开关控制器连接。
进一步地，开关控制器的主控芯片为微处理器LPC1766。
进一步地，主控制器的主控芯片为微处理器TMS320F28335。
本发明的另一目的在于提供一种高效能储充一体化能量动态分配系统的控制策略，其特征在于：设定第一储能变流器、每台第二储能变流器的输出功率均为P，每台电动车辆的需求功率均为PN， 1）设定PN≥P，a、当电动车辆为一辆时，控制连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制未连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，储能电池的电能通过第一储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电；b、当电动车辆为多辆时，控制连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制部分或全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块数量比电动车辆的数量少1个，充电时储能电池的电能通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充电模块向电动车辆充电；当全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1均关断、控制开关S2均关断，而控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块数量比电动车辆的数量少不止一个时，电动车辆的部分充电电能由储能电池通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电，不足部分由电网直接通过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电；
2）设定PN＜P，a、当电动车辆为一辆时，控制连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制未连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，控制储能电池的电能通过第一储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电；b、当电动车辆为多辆时，控制连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制部分或全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得控制开关S1导通、控制开关S2关断的所有充放电模块的额定功率加上第一储能变流器的额定功率之和与所有电动车辆的需求功率相匹配，充电时储能电池的电能通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充电模块向电动车辆充电；当全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1均导通、控制开关S2均关断，而控制开关S1导通、控制开关S2关断的所有充放电模块的额定功率加上第一储能变流器的额定功率之和仍小于所有电动车辆的需求功率时，电动车辆的部分充电电能由储能电池通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充电模块向电动车辆充电，不足部分由电网直接通过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电。
本发明将储能变流器（PCS）既作为给储能电池充放电的设备，也作为车辆的动力电池充电设备，从而替代了传统的充电桩中的充电模块，取而代之的是充电终端设备。通过新颖的能量分配拓扑结构和控制策略，提高了储充电站的设备利用率，降低了系统成本。
本发明通过减少系统充电变换器的级联级数，降低了系统的能量损耗，提高了能量利用率。
本发明通过控制策略对电网和储能之间的能量进行协调，将储能的能量转换利用率最大化。
附图说明
图1为本发明的控制原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种高效能储充一体化能量动态分配系统，包括电网1、主控制器2、储能电池3、一个第一储能变流器4和多组充放电模块5，其中储能电池3采用储能锂电池，充放电模块5均包括开关控制器51、第二储能变流器52、控制开关S1、控制开关S2、充电终端53，第一储能变流器4、充放电模块5的第二储能变流器52的输入端均通过AC400V母线6连接电网7，第一储能变流器4的输出端连接储能电池3，充放电模块5的第二储能变流器52分别通过S1连接储能电池3，充放电模块5的控制开关S2连接在对应第二储能变流器52与充电终端53之间，充放电模块5的开关控制器51分别与对应控制开关S1、控制开关S2连接，充放电模块5的开关控制器51还与主控制器2通信连接。
作为本实施例的进一步说明，所述控制开关S1和控制开关S2均采用IGBT模块，控制开关S1的c极和e极分别串接在第二储能变流器52与储能电池3之间，控制开关S2的c极和e极分别串接在第二储能变流器52与对应的充电终端53之间，控制开关S1和控制开关S2的g极与对应开关控制器51连接。
作为本实施例的进一步说明，开关控制器51的主控芯片为微处理器LPC1766，主控制器2的主控芯片为微处理器TMS320F28335。
作为本实施例的进一步说明，对于第二储能变流器52的数量，本领域技术人员可以根据需要现场需要任意配置，本实施例以六个充放电模块5具体说明高效能储充一体化能量动态分配系统的控制策略。
设定第一储能变流器4和第二储能变流器52的输出功率均为P，每辆电动车辆初次充电需求功率PN。
1）设定充电终端连接电动车辆时初次充电需求功率PN≥P时：
当有一辆电动车辆进行充电时，随机选择一个充放电模块5，并控制该充放电模块5的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制剩余五个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得剩余五个充放电模块5不工作，处于待机状态降低能耗，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，与连接电动车辆的充放电模块5的需求功率相匹配。
当有两辆电动车辆进行充电时，随机选择两个充放电模块5，并控制这两个充放电模块5所对应的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制余下四个中的任一个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余的三个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的一个充放电模块5的第二储能变流器逆变至AC400V母线6 的功率之和为2P，与两个连接电动车辆的充放电模块5的需求功率相匹配。
当有三辆电动车辆进行充电时，随机选择三个充放电模块5，并控制这三个充放电模块5所对应的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制余下三个中的任两个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余的一个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的两个充放电模块5的第二储能变流器逆变至AC400V母线6 的功率之和为3P，与三个连接电动车辆的充放电模块5的需求功率相匹配。
当有四辆电动车辆进行充电时，随机选择四个充放电模块5，并控制这四个充放电模块5所对应的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制余下的两个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的两个充放电模块5的第二储能变流器逆变至AC400V母线6 的功率之和为3P，因此每个连接连接电动车辆的充放电模块5得到的供电能量为3/4P、剩下1/4的功率需求由电网1提供。
当有五辆电动车辆进行充电时，随机选择五个充放电模块5，并控制这五个充放电模块5所对应的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制余下的一个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的一个充放电模块5的第二储能变流器逆变至AC400V母线6 的功率之和为2P，因此每个连接连接电动车辆的充放电模块5得到的供电能量为2/5P，剩下3/5的功率需求由电网1提供。
当有六辆电动车辆进行充电时，控制这六个充放电模块5所对应的控制开关S1关断、控制开关S2导通，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，因此每个连接连接电动车辆的充放电模块5得到的供电能量为1/6P，剩下5/6的功率需求由电网1提供。
2）设定充电终端连接电动车辆时初次充电需求功率PN＜P时：
当有一辆电动车辆进行充电时，随机选择一个充放电模块5，并控制该充放电模块5的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制剩余五个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得剩余五个充放电模块5不工作，处于待机状态降低能耗，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率之和为P，能够满足连接电动车辆的的需求功率。
当有两辆电动车辆进行充电时，随机选择两个充放电模块5，并控制这两个充放电模块5的控制开关S1关断、控制开关S2导通，此时当两辆电动车辆的需求功率之和2PN的条件为P＜2PN＜2P时，控制余下四个中的任一个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余的三个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的一个充放电模块5的第二储能变流器52逆变至AC400V母线6 的功率之和为2P，能够能够满足两辆电动车辆的充电需求功率；当两辆电动车辆的需求功率之和2PN的条件为2PN＜P时，控制剩余五个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得剩余五个充放电模块5不工作，此时储能电池的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，能够满足两辆电动车辆的充电需求功率。
当有三辆电动车辆进行充电时，随机选择三个充放电模块5，并控制这两个充放电模块5的控制开关S1关断、控制开关S2导通，此时当三辆电动车辆的需求功率之和3PN的条件为2P＜3PN＜3P时，控制余下三个中的任意两个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余的一个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的两个充放电模块5的第二储能变流器52逆变至AC400V母线6 的功率之和为3P，能够能够满足三辆电动车辆的充电需求功率；当三辆电动车辆的需求功率之和3PN的条件为P＜3PN＜2P时，控制余下三个中的任意一个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余的两个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的两个充放电模块5的第二储能变流器52逆变至AC400V母线6的功率之和为3P，能够能够满足三辆电动车辆的充电需求功率；当三辆电动车辆的需求功率之和3PN的条件为3PN＜P时，控制剩余三个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得剩余三个充放电模块5不工作，此时储能电池的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，能够满足三辆电动车辆的充电需求功率。
当有四辆电动车辆进行充电时，随机选择四个充放电模块5，并控制这四个充放电模块5的控制开关S1关断、控制开关S2导通，此时当四辆电动车辆的需求功率之和4PN的条件为2P＜4PN＜4P时，控制余下的两个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的两个充放电模块5的第二储能变流器52逆变至AC400V母线6 的功率之和为3P，当3P的能量不能满足四辆电动车辆充电时，不足能量由电网1补足；当四辆电动车辆的需求功率之和4PN的条件为P＜4PN＜2P时，控制余下两个中的任意一个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余的一个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的一个充放电模块5的第二储能变流器52逆变至AC400V母线6 的功率之和为2P，能够能够满足三辆电动车辆的充电需求功率；当四辆电动车辆的需求功率之和4PN的条件为4PN＜P时，控制剩余两个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得剩余两个充放电模块5不工作，此时储能电池的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，能够满足四辆电动车辆的充电需求功率。
当有五辆电动车辆进行充电时，随机选择五个充放电模块5，并控制这五个充放电模块5的控制开关S1关断、控制开关S2导通，此时当五辆电动车辆的需求功率之和5PN的条件为P＜5PN＜4P时，控制余下的一个充放电模块5的控制开关S1导通、控制开关S2关断，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的一个充放电模块5的第二储能变流器52逆变至AC400V母线6 的功率之和为2P，当2P的能量不能满足五辆电动车辆充电时，不足能量由电网1补足；当五辆电动车辆的需求功率之和5PN的条件为、5PN＜P时，控制剩余一个充放电模块5的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得剩余一个充放电模块5不工作，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，能够满足五辆电动车辆的充电需求功率。
当有六辆电动车辆进行充电时，控制这六个充放电模块5所对应的控制开关S1关断、控制开关S2导通，此时储能电池3的电能经第一储能变流器4逆变至AC400V母线6 的功率为P，当P的能量不能满足六辆电动车辆充电时，不足能量由电网1补足。
本实施例以六个充放电模块5具体说明了高效能储充一体化能量动态分配系统的控制策略，任意个数的充放电模块5的控制策略与上述原理相同，在此不再赘述。
Claims (5)
1.一种高效能储充一体化能量动态分配系统，其特征在于：包括电网、主控制器、储能电池、一个第一储能变流器和多组充放电模块，充放电模块均包括开关控制器、第二储能变流器、控制开关S1、控制开关S2、充电终端，所述第一储能变流器、充放电模块的第二储能变流器的输入端均通过AC400V母线连接电网，所述第一储能变流器的输出端连接储能电池，所述充放电模块的第二储能变流器分别通过控制开关S1连接储能电池，充放电模块的控制开关S2连接在对应第二储能变流器与充电终端之间，所述充放电模块的开关控制器分别与对应控制开关S1、控制开关S2连接，所述充放电模块的开关控制器还与主控制器通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种高效能储充一体化能量动态分配系统，其特征在于：所述控制开关S1和控制开关S2均采用IGBT模块，控制开关S1的c极和e极分别串接在第二储能变流器与储能电池之间，控制开关S2的c极和e极分别串接在第二储能变流器与对应的充电终端之间，控制开关S1、控制开关S2的g极均与对应开关控制器连接。
3.根据权利要求1所述的一种高效能储充一体化能量动态分配系统，其特征在于：开关控制器的主控芯片为微处理器LPC1766。
4.根据权利要求1所述的一种高效能储充一体化能量动态分配系统，其特征在于：主控制器的主控芯片为微处理器TMS320F28335。
5.根据权利要求1所述的一种高效能储充一体化能量动态分配系统的控制策略，其特征在于：设定第一储能变流器、每台第二储能变流器的输出功率均为P，每台电动车辆的需求功率均为PN， 1）设定PN≥P，a、当电动车辆为一辆时，控制连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制未连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，储能电池的电能通过第一储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电；b、当电动车辆为多辆时，控制连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制部分或全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块数量比电动车辆的数量少1个，充电时储能电池的电能通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充电模块向电动车辆充电；当全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1均关断、控制开关S2均关断，而控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块数量比电动车辆的数量少不止一个时，电动车辆的部分充电电能由储能电池通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电，不足部分由电网直接通过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电；
2）设定PN＜P，a、当电动车辆为一辆时，控制连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制未连接有电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，控制储能电池的电能通过第一储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电；b、当电动车辆为多辆时，控制连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1关断、控制开关S2导通，控制部分或全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1导通、控制开关S2关断，控制剩余未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1、控制开关S2均关断，使得控制开关S1导通、控制开关S2关断的所有充放电模块的额定功率加上第一储能变流器的额定功率之和与所有电动车辆的需求功率相匹配，充电时储能电池的电能通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充电模块向电动车辆充电；当全部未连接电动车辆的充放电模块的控制开关S1均导通、控制开关S2均关断，而控制开关S1导通、控制开关S2关断的所有充放电模块的额定功率加上第一储能变流器的额定功率之和仍小于所有电动车辆的需求功率时，电动车辆的部分充电电能由储能电池通过第一储能变流器以及控制开关S1导通、控制开关S2关断的充放电模块的第二储能变流器逆变至AC400V母线，再经过与电动车辆连接的充电模块向电动车辆充电，不足部分由电网直接通过与电动车辆连接的充放电模块向电动车辆充电。
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