CN218216778U - 具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩 - Google Patents

具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及充电桩领域，具体为具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩。其包括单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩和控制器；单相双向变换器具有交流输入输出端和直流输入输出端，单相双向变换器共设置有三台；DC/DC升降压双向变换模块具有低压端和高压端，DC/DC升降压双向变换模块低压端通过直流母线与三台单相双向变换器直流输入输出端连接；充电桩具有直流输入输出端，充电桩直流输入输出端与DC/DC升降压双向变换模块高压端连接。本实用新型利用控制器分别实时读取接入电网、三个单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩的数据，达到控制三相线路能量交换、存储、三相线路平衡和利用充电桩充电或放电的目的。

Description

具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩
技术领域
本实用新型涉及充电桩领域，特别是涉及具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩。
背景技术
由于电网的末端用户采用单相供电，单相家用电器、电动加工工具、电动交通工具等设备越来越多进入家庭，家庭用电随意性常导致单相负荷增大，造成配网内的三相电压不平衡超标，尤其在农村配电网基本以单相负荷为主，供电能力较弱，线路阻抗大，用电负荷分布不均的情况尤为突出。
目前，由于农村配电网供电能力较弱，线路阻抗大，基本以单相负荷为主，用电负荷分布不均。在电网供电时，用电高峰期呈现严重的三相不平衡状态，造成某个单相电压过低。当区域内分布式光伏发电单相多点接入时，光伏的安装分布不均、潮流复杂的问题，造成区域配电网波动、电压抬高或降低、三相不平衡，以及谐波电流增大，极易造成配电设施、光伏发电设备和用户设备无法正常运行或损坏。目前针对三相不平衡负荷的输出逆变器采用单向潮流控制，即在同一时刻只能输出或输入控制，如用于UPS、光伏、风电的逆变器，采用三相四桥臂电路逆变器。
尤其新能源车的快速发展，使得各种农用电动工具如雨后春笋般的发展，非正规的单相充电设备对电网的三相不平衡造成很大的影响，由此，为解决上述问题，一方面要提供标准的充电装置避免非正规的单相充电设备对电网的影响，同时快速推进新能源电动工具的发展，另一方面对电网的三相不平进行治理。
实用新型内容
本实用新型目的是针对背景技术中存在的问题，提出具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，利用市场成熟的单相储能变流器和充电桩装置加以改进，通过三个单相双向变流器组合成A、B、C和DC/DC升降压双向变换模块，共享直流母线，结合充电桩，利用独立的控制器分别实时读取接入电网数据，以及A、B、C三个单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩的数据，通过共享直流母线、DC/DC升降压双向变换模块和电动车电池，实现功率双向流动，达到控制三相线路能量交换、存储、三相线路平衡和利用充电桩充电或放电的目的。
本实用新型的技术方案，具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，包括单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩和控制器；单相双向变换器具有交流输入输出端和直流输入输出端，单相双向变换器共设置有三台，三台单相双向变换器交流输入输出端对应连接三相线路；DC/DC升降压双向变换模块具有低压端和高压端，DC/DC升降压双向变换模块低压端通过直流母线与三台单相双向变换器直流输入输出端连接；充电桩具有直流输入输出端，充电桩直流输入输出端与DC/DC升降压双向变换模块高压端连接；控制器通过通讯电缆与三台单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块和充电桩分别通讯连接。
优选的，三台单相双向变换器分别为单相双向变换器A、单相双向变换器B和单相双向变换器C；
其中，每台单相双向变换器均包含有交流输入输出端、直流输入输出端和交直流双向逆变单元；单相双向变换器交流输入输出端与三相电网线路连接，并通过交流输入输出端吸收或释放电网相线路功率；
交直流双向逆变单元的交流端为单相双向变换器交流输入输出端，交直流双向逆变单元的直流端为单相双向变换器直流输入输出端。
优选的，单相双向变换器A的交流输入输出端通过电缆与三相线路的A相线路连接，零线共接在N相端；单相双向变换器B的交流输入输出端通过电缆与三相线路的B相线路连接，零线共接在N相端；单相双向变换器C的交流输入输出端通过电缆与三相线路的C相线路连接，零线共接在N相端；
单相双向变换器A直流输入输出端、单相双向变换器B直流输入输出端和单相双向变换器C直流输入输出端正负极并联连接，形成直流母线，并与DC/DC升降压双向变换模块低压端正负极并联连接。
优选的，DC/DC升降压双向变换模块还包括超级电容；超级电容输入输出端与DC/DC升降压双向变换模块低压端并联，并与直流母线连接，三台单相双向变换器和DC/DC升降压双向变换模块共享超级电容功率，并通过三台单相双向变换器的交流输入输出端对应接入的三相电网，依据控制器命令在同一时刻独立对对应的相线路吸收或释放能量交换功率的控制，实现三相平衡；
对持续性功率需求，超级电容通过DC/DC升降压双向变换模块、充电桩连接的电动车电池吸收或释放功率，实现三相平衡。
优选的，充电桩由三台单相双向变换器经DC/DC升降压双向变换模块高压端提供电源，充电桩还包括直流充电变换器、交流充电变换器和充电枪，充电枪包括直流充电枪和交流充电枪；
DC/DC升降压双向变换模块通过充电桩直流充电变换器经直流充电枪对电动车电池充电或吸收直流功率；
DC/DC升降压双向变换模块通过充电桩交流充电变换器经交流充电枪对电动车电池充电或吸收交流功率。
优选的，控制器包括控制器主体、多功能表和通讯电缆，其中，控制器主体嵌入到充电桩上，多功能表安装在被治理电网三相线路中，通讯电缆将多功能表、DC/DC升降压双向变换模块、三台单相双向变换器和充电桩分别与控制器主体连接。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益的技术效果：
本实用新型在弱电网线路中安装具有三相线路能量交换、存储、平衡充电桩，当三相线路超标或部分线路超标情况下，通过三相单相线路电气参数识别、分析，在对每条线路供电功率优化、动态分配，适应每条线路的负荷快速变化的需求，在同一时刻实现三相线路功率交换的双向潮流流动。本实用新型通过对超标上、下限阈值及调整系数的控制，将高负荷线路部分功率转移到低负荷线路上，将三相全部超标线路功率，通过单相双向变换器经交直流双向逆变单元将交流转换的直流功率，并由单相双向变换器直流输入输出端，输出直流功率，经DC/DC升降压双向变换模块超级电容存储功率，以及经充电桩的电动车充电，吸收电网的功率；反之单相双向变换器直流输入输出端，通过DC/DC升降压双向变换模块超级电容储存电量，以及充电桩电动车电池直流功率，通过单相双向变换器的交直流双向逆变单元，将直流功率转换的交流功率，并通过交流输入输出端释放到对应的相线路上。使三相线路功率交换趋于最佳，即超级电容短时功率交换和长时间功率交换电动车能量支撑，实现电动车充电过程的电网治理。
附图说明
图1为本实用新型实施例的系统示意图；
图2为本实用新型实施例的拓扑示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提出的具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，包括三台单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩和控制器。
其中，三台单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩和控制器置于被治理电网环境同一控制柜或房间内。三台单相双向变换器交流输入输出端对应与三相线路连接；三台单相双向变换器直流输入输出端通过直流母线与DC/DC升降压双向变换模块低压端连接，DC/DC升降压双向变换模块高压端与充电桩直流输入端连接；控制器通过通讯电缆分别监控三台单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块、充电桩和多功能表信息。
三台单相双向变换器包含：单相双向变换器A、单相双向变换器B和单相双向变换器C。
其中，每台单相双向变换器均包含有交流输入输出端、储能电池、直流输入输出端和交直流双向逆变单元。由于成本和功能需求，将原单相双向变换器中的储能电池去掉，由此，改造后的单相双向变换器都具有交流输入输出端、直流输入输出端和交直流双向逆变单元。单相双向变换器交流输入输出端与三相电网线路连接，并通过交流输入输出端吸收或释放电网相线路功率。
所述的单相双向变换器A交直流双向逆变单元的交流端，就是单相双向变换器A交流输入输出端Aca，交直流双向逆变单元的直流端就是单相双向变换器直流输入输出端Sdca；单相双向变换器B交直流双向逆变单元的交流端，就是单相双向变换器B交流输入输出端Acb，交直流双向逆变单元的直流端就是单相双向变换器直流输入输出端Sdcb；单相双向变换器C交直流双向逆变单元的交流端，就是单相双向变换器C交流输入输出端Acc，交直流双向逆变单元的直流端就是单相双向变换器直流输入输出端Sdcc。
单相双向变换器A的交流输入输出端Aca通过电缆与三相线路的A相线路连接，零线共接在N相端；单相双向变换器B的交流输入输出端Acb通过电缆与三相线路的B相线路连接，零线共接在N相端；单相双向变换器C的交流输入输出端Acc通过电缆与三相线路的C相线路连接，零线共接在N相端。
单相双向变换器A的直流输入输出正极Sdca+与直流母线正极Sdcx+连接，并通过直流母线正极Sdcx+与DC/DC升降压双向变换模块低压端正极BAT+连接；单相双向变换器A的直流输入输出负极Sdca-与直流母线负极Sdcx-连接，并通过直流母线负极Sdcx-与DC/DC升降压双向变换模块低压端负极BAT-连接。
单相双向变换器B的直流输入输出正极Sdcb+与直流母线正极Sdcx+连接，并通过直流母线正极Sdcx+与DC/DC升降压双向变换模块低压端正极BAT+连接；单相双向变换器B的直流输入输出负极Sdcb-与直流母线负极Sdcx-连接，并通过直流母线负极Sdcx-与DC/DC升降压双向变换模块低压端负极BAT-连接。
单相双向变换器C的直流输入输出正极Sdcc+与直流母线正极Sdcx+连接，并通过直流母线正极Sdcx+与DC/DC升降压双向变换模块低压端正极BAT+连接；单相双向变换器C的直流输入输出负极Sdcc-与直流母线负极Sdcx-连接，并通过直流母线负极Sdcx-与DC/DC升降压双向变换模块低压端负极BAT-连接。
DC/DC升降压双向变换模块主要包含：DC/DC升降压双向变换模块低压端BAT、DC/DC升降压双向变换模块高压端DU和超级电容。
由于单相双向变换器A的直流输入输出端Sdca、单相双向变换器B的直流输入输出端Sdcb、单相双向变换器C的直流输入输出端Sdcc与直流母线Sdcx并联，直流母线Sdcx电压Udcx低于充电桩的直流输入输出端DV电压Udcv。由此，DC/DC升降压双向变换模块高压端DU与充电桩的直流输入输出端DV连接，将接收的单相双向变换器A的直流输入输出端Sdca、单相双向变换器B的直流输入输出端Sdcb、单相双向变换器C的直流输入输出端Sdcc与直流母线Sdcx并联的直流母线Sdcx电压Udcx升压，满足充电桩的直流输入输出端DV电压Udcv需求；反之将充电桩的直流输入输出端DV电压Udcv经DC/DC升降压双向变换模块降压，满足直流母线Sdcx电压Udcx。
其中，超级电容输入输出端与DC/DC升降压双向变换模块低压端BAT并联，并与直流母线Sdcx连接，由此单相双向变换器A、单相双向变换器B、单相双向变换器C和DC/DC升降压双向变换模块，共享超级电容功率，并通过单相双向变换器A的交流输入输出端Aca、单相双向变换器B的交流输入输出端Acb、单相双向变换器C的交流输入输出端Aca对应接入的三相电网，依据控制器命令在同一时刻独立对对应的相线路吸收或释放能量交换功率的控制，实现三相平衡的目的。对持续性功率需求，如光伏余电或负荷功率的增加造成电网质量超标，超级电容通过DC/DC升降压双向变换模块、充电桩连接的电动车电池吸收或释放功率，实现三相平衡的目的。即光伏余电电网失去平衡时，某一单相双向变换器经交直流双向逆变单元将交流转换的直流功率，并由单相双向变换器直流输入输出端输出直流功率，经DC/DC升降压双向变换模块超级电容存储功率，以及经充电桩对电动车充电，吸收电网的功率；反之，当某一单相线路负荷增加电网失去平衡时，对应的单相双向变换器直流输入输出端，通过DC/DC升降压双向变换模块超级电容储存的电量，以及充电桩电动车电池直流功率，通过单相双向变换器的交直流双向逆变单元，将直流功率转换的交流功率，并通过交流输入输出端释放到对应的相线路上。
充电桩是由单相双向变换器A的直流输入输出端Sdca、单相双向变换器B的直流输入输出端Sdcb、单相双向变换器C的直流输入输出端Sdcc，经DC/DC升降压双向变换模块高压端DU为充电桩提供电源，由此免去原充电桩AC/DC交流输入端，由此充电桩包括：直流输入输出端、直流充电变换器、交流充电变换器和充电枪。
其中，充电桩直流输入输出端DV与DC/DC升降压双向变换模块高压端DU连接，DC/DC升降压双向变换模块通过充电桩直流充电变换器，经直流充电枪对电动车电池充电或吸收直流功率；
同样DC/DC升降压双向变换模块通过充电桩交流充电变换器，经交流充电枪对电动车电池充电或吸收交流功率；
控制器包括：控制器主体、多功能表、通讯电缆；其中，控制器主体嵌入到充电桩柜体上；多功能表安装在被治理电网三相线路中；通讯电缆分别将多功能表、DC/DC升降压双向变换模块通讯端R/Ts、单相双向变换器A通讯端R/Ta、单相双向变换器B通讯端R/Tb、单相双向变换器C通讯端R/Tc和充电桩通讯端R/Tz与控制器通讯端R/T连接在一起，控制器经通讯电缆实时通过多功能表监控电网电气参数、DC/DC升降压双向变换模块、单相双向变换器A、单相双向变换器B、单相双向变换器C和充电桩三台单相双向变换器工作状态，依据当前数据、控制阈值优化分析、判断，依据控制策略、算法，给出每台的控制命令，对电网实现治理。
本实用新型在弱电网线路中安装具有三相线路能量交换、存储、平衡充电桩，当三相线路超标或部分线路超标情况下，通过三相单相线路电气参数识别、分析，在对每条线路供电功率优化、动态分配，适应每条线路的负荷快速变化的需求，在同一时刻实现三相线路功率交换的双向潮流流动。本实用新型通过对超标上、下限阈值及调整系数的控制，将高负荷线路部分功率转移到低负荷线路上，将三相全部超标线路功率，通过单相双向变换器经交直流双向逆变单元将交流转换的直流功率，并由单相双向变换器直流输入输出端，输出直流功率，经DC/DC升降压双向变换模块超级电容存储功率，以及经充电桩的电动车充电，吸收电网的功率；反之单相双向变换器直流输入输出端，通过DC/DC升降压双向变换模块超级电容储存电量，以及充电桩电动车电池直流功率，通过单相双向变换器的交直流双向逆变单元，将直流功率转换的交流功率，并通过交流输入输出端释放到对应的相线路上。使三相线路功率交换趋于最佳，即超级电容短时功率交换和长时间功率交换电动车能量支撑，实现电动车充电过程的电网治理。
如在三相电网中同一时刻发生A相高于上限电压，C相低于下限电压时，控制器依据多功能表数据、控制策略，分别控制单相双向变换器A吸收A相电网功率，通过AC/DC变换成直流功率，并将直流功率通过直流母线存储到DC/DC升降压双向变换模块超级电容和充电桩电动车电池中。同时单相双向变换器C将DC/DC升降压双向变换模块超级电容储存电量，以及充电桩电动车电池直流功率，通过直流母线经单相双向变换器C中的DC/AC变换输出交流功率，释放C相电网中，实现同一时刻对三相电网吸收和释放功率，达到三相电网平衡的目的。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本实用新型宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (6)

1.具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，其特征在于，包括：
单相双向变换器，其具有交流输入输出端和直流输入输出端，单相双向变换器共设置有三台，三台单相双向变换器交流输入输出端对应连接三相线路；
DC/DC升降压双向变换模块，其具有低压端和高压端，DC/DC升降压双向变换模块低压端通过直流母线与三台单相双向变换器直流输入输出端连接；
充电桩，其具有直流输入输出端，充电桩直流输入输出端与DC/DC升降压双向变换模块高压端连接；
控制器，其通过通讯电缆与三台单相双向变换器、DC/DC升降压双向变换模块和充电桩分别通讯连接。
2.根据权利要求1所述的具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，其特征在于，三台单相双向变换器分别为单相双向变换器A、单相双向变换器B和单相双向变换器C；
其中，每台单相双向变换器均包含有交流输入输出端、直流输入输出端和交直流双向逆变单元；单相双向变换器交流输入输出端与三相电网线路连接，并通过交流输入输出端吸收或释放电网相线路功率；
交直流双向逆变单元的交流端为单相双向变换器交流输入输出端，交直流双向逆变单元的直流端为单相双向变换器直流输入输出端。
3.根据权利要求2所述的具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，其特征在于，单相双向变换器A的交流输入输出端通过电缆与三相线路的A相线路连接，零线共接在N相端；单相双向变换器B的交流输入输出端通过电缆与三相线路的B相线路连接，零线共接在N相端；单相双向变换器C的交流输入输出端通过电缆与三相线路的C相线路连接，零线共接在N相端；
单相双向变换器A直流输入输出端、单相双向变换器B直流输入输出端和单相双向变换器C直流输入输出端正负极并联连接，形成直流母线，并与DC/DC升降压双向变换模块低压端正负极并联连接。
4.根据权利要求1所述的具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，其特征在于，DC/DC升降压双向变换模块还包括超级电容；超级电容输入输出端与DC/DC升降压双向变换模块低压端并联，并与直流母线连接，三台单相双向变换器和DC/DC升降压双向变换模块共享超级电容功率，并通过三台单相双向变换器的交流输入输出端对应接入的三相电网，依据控制器命令在同一时刻独立对对应的相线路吸收或释放能量交换功率的控制，实现三相平衡；
对持续性功率需求，超级电容通过DC/DC升降压双向变换模块、充电桩连接的电动车电池吸收或释放功率，实现三相平衡。
5.根据权利要求1所述的具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，其特征在于，充电桩由三台单相双向变换器经DC/DC升降压双向变换模块高压端提供电源，充电桩还包括直流充电变换器、交流充电变换器和充电枪，充电枪包括直流充电枪和交流充电枪；
DC/DC升降压双向变换模块通过充电桩直流充电变换器经直流充电枪对电动车电池充电或吸收直流功率；
DC/DC升降压双向变换模块通过充电桩交流充电变换器经交流充电枪对电动车电池充电或吸收交流功率。
6.根据权利要求1所述的具有三相线路能量交换、存储、平衡的充电桩，其特征在于，控制器包括控制器主体、多功能表和通讯电缆，其中，控制器主体嵌入到充电桩上，多功能表安装在被治理电网三相线路中，通讯电缆将多功能表、DC/DC升降压双向变换模块、三台单相双向变换器和充电桩分别与控制器主体连接。
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