CN112659941A - 基于永磁切换开关的有序平衡充电系统 - Google Patents

基于永磁切换开关的有序平衡充电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,所述有序平衡充电系统包括控制终端、第一通讯模块、第二通讯模块、监测主站和N个永磁切换开关;所述控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率,在不平衡率越限的情况下,对用电负荷和用户需求进行权衡,根据切换控制策略,以配电线路负荷趋向平衡为约束条件,最大化用户需求为优化目标,遥控相应的永磁切换开关进行换相操作;所述用户需求包括充电时间需求和充电价格需求。本发明以住宅小区的慢速充电、常规充电模式为对象,研究了基于永磁切换开关的电动汽车的负荷平衡、有序充电控制系统,可有效解决电动汽车大规模接入导致的三相负荷不平衡造成的不良现象。

Description

基于永磁切换开关的有序平衡充电系统
技术领域
本发明涉及充电桩控制技术领域,具体而言涉及一种基于永磁切换开关的有序平衡充电系统。
背景技术
充电桩建设是国家基础设施“新基建”项目之一。由于电力负荷的不确定性和汽车充电的随机性,大规模充电桩负荷造成的线路过载、三相负荷不平衡、电压下降等问题十分加突出。
无序充电为即插即充,车辆到家插上插头就开始充电,显然这样充电时间与家庭用电负荷的晚间高峰时间段大致重合,从而可能导致负荷峰值的进一步叠加,威胁到供电设备的安全。但如果大家都通过充电桩设定为谷价电费时段充电,很可能造成谷价时段开始时刻成为供电负荷尖峰,同样威胁到供电设备的安全。
住宅小区中汽车充电一般选用P1慢充模式和P2-1模式。充电电流为16~32A,充电功率为3.5~7.0kW。可见电动汽车充电桩,在民用供电中属于大功率电器,它的不平衡接入会导致单相负载过重,造成三相负荷不平衡,会使中性线发热,损耗增加,变压器铜损铁损增大,降低供电效率。
在有序充电控制策略方面,国内外学者已有许多相关研究。例如,针对随机充电会和日常用电高峰形成叠加,推高的负荷高峰,使配电台区设备难以承受这一问题,采用低谷时段充电方法,可以移峰填谷,电费价格低,但在大规模充电桩接入状态,同时在进入谷时段投入会变谷段为负荷尖峰,影响电网的安全运行。因此有部分学者提出运用分时电价政策,考虑用电负荷的移峰填谷与客户电费价格建立数学模型,以达到有效地降低峰谷差,达到供电与用户双赢的目标。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,提供一种基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,以住宅小区的慢速充电、常规充电模式为对象,研究了基于永磁切换开关的电动汽车的负荷平衡、有序充电控制系统,可有效解决电动汽车大规模接入导致的上述不良现象。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,所述有序平衡充电系统包括控制终端、第一通讯模块、第二通讯模块、监测主站和N个永磁切换开关;
所述控制终端安装在配电台区出线处;所述N个永磁切换开关一一对应地安装在充电桩接入点处,用于实时采集所属充电桩负荷电流和相序实时数据,并且通过第一通讯模块发送至控制终端;所述控制终端实时采集配电台区出线处的三相电流,连同接收到的充电桩负荷电流和相序实时数据一起,通过第二通讯模块发送至监测主站;监测主站进行设备安全运行监控,分析数据,找出配电台区的运行规律,为控制终端策略调整提供依据;
所述监控终端对接收到的数据进行分析,计算得到配电台区的运行规律,调整控制终端的切换控制策略;
所述控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率,在不平衡率越限的情况下,对用电负荷和用户需求进行权衡,根据切换控制策略,以配电线路负荷趋向平衡为约束条件,最大化用户需求为优化目标,遥控相应的永磁切换开关进行换相操作;所述用户需求包括充电时间需求和充电价格需求。
为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:
进一步地,所述充电桩的安装方式包括落地式和壁挂式两种。
进一步地,所述永磁切换开关的上端为三相四线进线端,分别为A、B、C、N相;永磁切换开关的下端为单相出线端,分别为L、N相;
所述永磁切换开关根据控制终端的控制指令使三相触头在同一时刻仅有一相触头闭合,使输出端在A、B、C相线中选择指定的一相接通,或者和A、B、C相线都不接通以切断负载电源。
进一步地,所述对控制终端内安装有时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡调整子程序;
所述控制终端依次采用时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡调整子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作,以达到最大化用户需求的优化目标。
进一步地,所述控制终端采用时间优先子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S01,检测实时负荷率;
S02,对实时负荷率进行判断,如果负荷率小于第一预设负荷率阈值,则控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为闭合状态,进入步骤S03,否则,延迟第一等待时长后,返回步骤S01;
S03,采集实时负荷率,如果负荷率小于第二预设负荷率阈值,采用价格优先子程序对永磁切换开关的工作状态进行调控,否则,控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为断开状态,延迟第一等待时长后,返回步骤S01。
进一步地,所述控制终端采用价格优先子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S11,判断是否进入谷价时段,如果没有,延迟第二等待时长后,重复当前步骤,直至进入谷价时段;
S12,检测实时负荷率;
S13,对实时负荷率进行判断,如果负荷率小于第一预设负荷率阈值,则控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为闭合状态,进入步骤S14,否则,延迟第一等待时长后,返回步骤S12;
S14,采集实时负荷率,如果负荷率小于第二预设负荷率阈值,采用不平衡调整子程序对永磁切换开关的工作状态进行调控,否则,控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为断开状态,延迟第一等待时长后,返回步骤S12。
进一步地,所述控制终端采用不平衡调整子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S1,定时采集配电台区出线侧三相电流,确定重载相、轻载相和中间相的相别,同时采集各个永磁切换开关的负荷电流和当前所在的相别;重载相为转出相,轻载相和中间相为转入相;
S2,依据采集的数据计算三相负荷不平衡率实时数据,在不平衡率大于预定值时,查询是否有永磁切换开关位于转出相,若无则本轮调节结束;若有则分别计算出各永磁切换开关接入转入相后的三相不平衡率,当计算值小于实时数据时,按计算值从小到大的顺序将永磁切换开关排成等候队列;如果等候队列为空,延时等候下轮测量调节;如果等候队列非空,进入步骤S3;
S3,对等候队列中不平衡率最小值所对应的永磁切换开关进行换相操作,将其由重载相转接到轻载相;
S4,依次循环执行上述步骤S3,直到等候队列为空。
进一步地,步骤S3中,所述控制终端还用于判断对应的永磁切换开关是否换相成功,若不成功则重复发送换相指令M次,若仍未能执行切换,则向控制终端发出报警信号,提示该永磁切换开关故障,重新选择等候队列的下一个永磁切换开关执行操作。
进一步地,所述控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率的过程包括以下步骤:
S1,测量三相系统每一相的有功功率PA、PB、PC
计算三相系统的三相平均功率Paver
Paver=(PA+PB+PC)/3
计算三相系统的有功不平衡度εP
Figure BDA0002786540540000031
S2,定义三相系统的有功不平衡度阈值,判断当前不平衡度是否满足阈值,若满足则不进行换相投切操作,若不满足则转至步骤S3;
S3,计算A、B、C三相的有功功率分别与三相平均功率之间的差值ΔPA、ΔPB、ΔPC
ΔPA=PA-Paver
ΔPB=PB-Paver
ΔPC=Pc-Paver
S4,根据A、B、C三相之间的有功功率大小关系,确定负荷调整量ΔP:
确定PA、PB、PC的大小关系,从有功功率最高的重载相中选择部分单相负荷投切到轻载相上,调整量为:
Figure BDA0002786540540000032
式中,ΔPMAX对应于选择的有功功率最高的重载相,ΔPMIN对应于投切到的有功功率最低的轻载相。
本发明的有益效果是:
(1)本发明对住宅小区内负荷情况和车主的充电需求进行解析,提出以电动汽车充电功率、住宅小区内配电设备容量和户内负荷优先作为约束条件,以住宅区内三相负荷平衡,减小峰谷差、及降低充电费用为优化目标的控制策略;采用监测主站系统、控制终端、永磁切换开关、汽车充电桩等设备组成有序平衡充电控制系统,实现电动汽车的有序充电。
(2)本发明通过控制终端与永磁切换开关的实时通信,控制充电桩投入、断开与相间切换,实现配电设施与充电桩负荷的协调投运,优先保障户内用电,改善配电网负荷的平衡特性,降低线路损耗。
附图说明
图1是本发明的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统的结构示意图。
图2是本发明的主控制程序结构示意图。
图3是本发明的时间优先子程序示意图。
图4是本发明的价格优先子程序示意图。
图5是本发明的三相不平衡率调节子程序示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是,发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
结合图1,本发明提及一种基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,所述有序平衡充电系统包括控制终端、第一通讯模块、第二通讯模块、监测主站和N个永磁切换开关。
所述控制终端安装在配电台区出线处;所述N个永磁切换开关一一对应地安装在充电桩接入点处,用于实时采集所属充电桩负荷电流和相序实时数据,并且通过第一通讯模块发送至控制终端;所述控制终端实时采集配电台区出线处的三相电流,连同接收到的充电桩负荷电流和相序实时数据一起,通过第二通讯模块发送至监测主站。
所述监控终端对接收到的数据进行分析,计算得到配电台区的运行规律,调整控制终端的切换控制策略。
所述监测主站,进行大数据的收集和对系统的运行进行监控。
所述控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率,在不平衡率越限的情况下,对用电负荷和用户需求进行权衡,根据调整后的切换控制策略,以配电线路负荷趋向平衡为约束条件,最大化用户需求为优化目标,遥控相应的永磁切换开关进行换相操作;所述用户需求包括充电时间需求和充电价格需求。
本发明在配电台区出线处安装有控制终端,在配电线路的充电桩接入点处安装永磁切换开关。控制终端依据控制策略以无线通讯的方式遥控永磁切换开关的投入、断开与相间切换。控制终端采集配电台区出线处三相电流,永磁切换开关采集充电桩负荷电流和相序实时数据送给控制终端。控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率,在不平衡率越限的情况下,控制终端遥控相应的永磁切换开关进行换相操作,使配电线路负荷趋向平衡。
控制终端可将实时运行数据发送给监测主站。监测主站进行设备安全运行监控,分析数据,找出配电台区的运行规律,为控制终端策略调整提供依据。
一、适用的充电桩
本发明能够适配于目前市面上绝大部分P1、P2-1模式交流充电桩,充电桩分落地式和壁挂式两种安装方式,具有人机交互界面,可显示操作状态、运行状态、故障状态、充电电量及充电时间,能够计量充电电量。下文以输入电压AC220V,输出电压AC220V,输出最大电流32A,有自动充满、按电量、按金额和按时间充电多种充电模式的常用充电桩为例进行说明。
二、永磁切换开关
永磁切换开关是有序平衡充电控制系统的关键设备。系统中要求切换开关带有过载保护、短路保护的能力,并可以频繁操作。要求机械动作离散时间小于±1ms,机械寿命≥5万次以上。普通的机械开关难以胜任。
永磁切换开关由动静触头、灭弧室、转轴、永磁驱动结构、机械闭锁、转轴、永磁结构、电磁线圈、控制电路、通讯模块等组成。永磁切换开关上端为三相四线进线端,分别为A、B、C、N相,下端为单相出线端,为L、N相。开关的输出可在A、B、C相线中选择一相接通,也可各相都不接通,切断负载电源。永磁切换开关内的机械闭锁结构可使得三相触头结构在同一时刻仅有一相触头闭合,这就保证了永磁切换开关不会因误动作而产生相间短路的情况。
永磁切换开关的通讯模块可接收控制终端发出的指令,进行切换操作,将充电桩负载切断或接入指定的相别线路进行三相负荷平衡的调节。
三、切换控制策略
结合本系统的应用场景,在不增加居住小区的配电容量情况下提出以下控制策略:
1.居民户内负载优先,在配变负载率小于80%时考虑充电桩接入进行充电。
2.如果用户选择时间优先,在配变负载率允许情况下优先进行充电。
3.如果用户选择价格优先,在配变负载率允许情况下在谷电价时段进行充电。
4.实时进行三相不平衡调整。在有电动汽车接入进行充电期间,进行实时不平衡检测,利用永磁切换开关的换相操作,调整三相不平衡率。
(一)有功不平衡度算法流程如下:
S1,测量三相系统每一相的有功功率PA、PB、Pc
计算三相系统的三相平均功率Paver
Paver=(PA+PB+PC)/3
计算三相系统的有功不平衡度εP
Figure BDA0002786540540000051
S2,定义三相系统的有功不平衡度阈值,判断当前不平衡度是否满足阈值,若满足则不进行换相投切操作,若不满足则转至步骤S3。
S3,计算A、B、C三相的有功功率分别与三相平均功率之间的差值ΔPA、ΔPB、ΔPC
ΔPA=PA-Paver
ΔPB=PB-Paver
ΔPC=PC-Paver
S4,根据A、B、C三相之间的有功功率大小关系,确定负荷调整量AP:
确定PA、PB、PC的大小关系,从有功功率最高的重载相中选择部分单相负荷投切到轻载相上,调整量为:
Figure BDA0002786540540000061
式中,ΔPMAX对应于选择的有功功率最高的重载相,ΔPMIN对应于投切到的有功功率最低的轻载相。
例如,若PA>PB>PC,则需从A相中选择部分单相负荷投切到轻载C相上,调整量为
Figure BDA0002786540540000062
其他如PB>PC>PA、PC>PA>PB的情况计算方法同上。
(二)切换控制方法
所述对控制终端内安装有时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡调整子程序;所述控制终端依次采用时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡调整子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作,以达到最大化用户需求的优化目标。控制终端软件主程序结构图见2,时间优先子程序图见图3,价格优先子程序图见图4。三相不平衡调整子程序图见图5。
下面结合附图3-5,依次对时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡率调节子程序做详细阐述。
1、时间优先子程序
所述控制终端采用时间优先子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S01,检测实时负荷率。
S02,对实时负荷率进行判断,如果负荷率小于第一预设负荷率阈值,则控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为闭合状态,进入步骤S03,否则,延迟第一等待时长后,返回步骤S01。
S03,采集实时负荷率,如果负荷率小于第二预设负荷率阈值,采用价格优先子程序对永磁切换开关的工作状态进行调控,否则,控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为断开状态,延迟第一等待时长后,返回步骤S01。
2、价格优先子程序
所述控制终端采用价格优先子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S11,判断是否进入谷价时段,如果没有,延迟第二等待时长后,重复当前步骤,直至进入谷价时段;
S12,检测实时负荷率;
S13,对实时负荷率进行判断,如果负荷率小于第一预设负荷率阈值,则控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为闭合状态,进入步骤S14,否则,延迟第一等待时长后,返回步骤S12;
S14,采集实时负荷率,如果负荷率小于第二预设负荷率阈值,采用不平衡调整子程序对永磁切换开关的工作状态进行调控,否则,控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为断开状态,延迟第一等待时长后,返回步骤S12。
3、三相不平衡调整子程序
控制终端定时采集配电台区出线侧三相电流,确定重载相,轻载相和中间相的相别,同时采集各个永磁切换开关的负荷电流和当前所在的相别。重载相为转出相,轻载相和中间相为转入相。
依据采集的数据计算三相负荷不平衡率实时数据,在不平衡率大于预定值时,查寻是否有永磁切换开关位于转出相,若无本轮调节结束。若有就分别计算出各永磁切换开关接入转入相后的三相不平衡率,当该值小于实时数据时,按该值的从小到大将永磁切换开关排成等候队列。
如果等候队列为空,说明无法降低目前三相不平衡率,延时等候下轮测量调节。若等候队列非空,向等候队列中不平衡率最小值所对应的永磁切换开关进行换相操作,由重载相转接到轻载相。而后控制终端判断该永磁切换开关是否换相成功,若不成功可重复发送换相指令数次,若仍未能执行切换,则向控制终端发出报警信号,提示该永磁切换开关故障。重新选择等候队列的下一个永磁切换开关执行操作。
依次循环执行上述流程,直到等候队列为空,即实现当前条件下的三相不平衡度最低。流程图如图5所示。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述有序平衡充电系统包括控制终端、第一通讯模块、第二通讯模块、监测主站和N个永磁切换开关;
所述控制终端安装在配电台区出线处;所述N个永磁切换开关一一对应地安装在充电桩接入点处,用于实时采集所属充电桩负荷电流和相序实时数据,并且通过第一通讯模块发送至控制终端;所述控制终端实时采集配电台区出线处的三相电流,连同接收到的充电桩负荷电流和相序实时数据一起,通过第二通讯模块发送至监测主站;
所述监控终端对接收到的数据进行分析,计算得到配电台区的运行规律,调整控制终端的切换控制策略;
所述控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率,在不平衡率越限的情况下,对用电负荷和用户需求进行权衡,根据切换控制策略,以配电线路负荷趋向平衡为约束条件,最大化用户需求为优化目标,遥控相应的永磁切换开关进行换相操作;所述用户需求包括充电时间需求和充电价格需求。
2.根据权利要求1所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述充电桩的安装方式包括落地式和壁挂式两种。
3.根据权利要求1所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述永磁切换开关的上端为三相四线进线端,分别为A、B、C、N相;永磁切换开关的下端为单相出线端,分别为L、N相;
所述永磁切换开关根据控制终端的控制指令使三相触头在同一时刻仅有一相触头闭合,使输出端在A、B、C相线中选择指定的一相接通,或者和A、B、C相线都不接通以切断负载电源。
4.根据权利要求1所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述对控制终端内安装有时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡调整子程序;
所述控制终端依次采用时间优先子程序、价格优先子程序和三相不平衡调整子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作,以达到最大化用户需求的优化目标。
5.根据权利要求4所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述控制终端采用时间优先子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S01,检测实时负荷率;
S02,对实时负荷率进行判断,如果负荷率小于第一预设负荷率阈值,则控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为闭合状态,进入步骤S03,否则,延迟第一等待时长后,返回步骤S01;
S03,采集实时负荷率,如果负荷率小于第二预设负荷率阈值,采用价格优先子程序对永磁切换开关的工作状态进行调控,否则,控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为断开状态,延迟第一等待时长后,返回步骤S01。
6.根据权利要求5所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述控制终端采用价格优先子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S11,判断是否进入谷价时段,如果没有,延迟第二等待时长后,重复当前步骤,直至进入谷价时段;
S12,检测实时负荷率;
S13,对实时负荷率进行判断,如果负荷率小于第一预设负荷率阈值,则控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为闭合状态,进入步骤S14,否则,延迟第一等待时长后,返回步骤S12;
S14,采集实时负荷率,如果负荷率小于第二预设负荷率阈值,采用不平衡调整子程序对永磁切换开关的工作状态进行调控,否则,控制接入申请编号的充电桩对应的永磁切换开关为断开状态,延迟第一等待时长后,返回步骤S12。
7.根据权利要求4或者6所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述控制终端采用不平衡调整子程序对相应的永磁切换开关进行换相操作的过程包括以下步骤:
S1,定时采集配电台区出线侧三相电流,确定重载相、轻载相和中间相的相别,同时采集各个永磁切换开关的负荷电流和当前所在的相别;重载相为转出相,轻载相和中间相为转入相;
S2,依据采集的数据计算三相负荷不平衡率实时数据,在不平衡率大于预定值时,查询是否有永磁切换开关位于转出相,若无则本轮调节结束;若有则分别计算出各永磁切换开关接入转入相后的三相不平衡率,当计算值小于实时数据时,按计算值从小到大的顺序将永磁切换开关排成等候队列;如果等候队列为空,延时等候下轮测量调节;如果等候队列非空,进入步骤S3;
S3,对等候队列中不平衡率最小值所对应的永磁切换开关进行换相操作,将其由重载相转接到轻载相;
S4,依次循环执行上述步骤S3,直到等候队列为空。
8.根据权利要求7所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,步骤S3中,所述控制终端还用于判断对应的永磁切换开关是否换相成功,若不成功则重复发送换相指令M次,若仍未能执行切换,则向控制终端发出报警信号,提示该永磁切换开关故障,重新选择等候队列的下一个永磁切换开关执行操作。
9.根据权利要求1所述的基于永磁切换开关的有序平衡充电系统,其特征在于,所述控制终端计算变压器低压侧三相负荷不平衡率的过程包括以下步骤:
S1,测量三相系统每一相的有功功率PA、PB、PC
计算三相系统的三相平均功率Paver
Paver=(PA+PB+PC)/3
计算三相系统的有功不平衡度εP
Figure FDA0002786540530000021
S2,定义三相系统的有功不平衡度阈值,判断当前不平衡度是否满足阈值,若满足则不进行换相投切操作,若不满足则转至步骤S3;
S3,计算A、B、C三相的有功功率分别与三相平均功率之间的差值ΔPA、ΔPB、ΔPC
ΔPA=PA-Paver
ΔPB=PB-Paver
ΔPC=PC-Paver
S4,根据A、B、C三相之间的有功功率大小关系,确定负荷调整量ΔP:
确定PA、PB、PC的大小关系,从有功功率最高的重载相中选择部分单相负荷投切到轻载相上,调整量为:
Figure FDA0002786540530000031
式中,ΔPMAX对应于选择的有功功率最高的重载相,ΔPMIN对应于投切到的有功功率最低的轻载相。
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