楊波， 湯峻， 楊晨

(國網江蘇省電力有限公司蘇州供電分公司，江蘇 蘇州 215031)

0 引 言

以電動汽車為代表的新一代節(jié)能與環(huán)保汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。作為電動汽車普及過程中最重要的一環(huán)，公共充電站在實際建設和應用中仍然存在負荷波動大，峰值功率和平均功率差距大等問題[1]。在快速充電站中加入儲能系統可利用峰谷電價調節(jié)作用調節(jié)充電站充電功率，既有利于充電站的經濟運行，也能促進配網移峰填谷[2-3]。開發(fā)含儲能的快速充電基礎設施，研究快充場景下的負荷控制方法，制訂能量管理與有序充電策略，能實現快充站負荷波動平抑、改善充電站電能質量和提高快充站綜合效益，具有顯著的社會經濟效益，為大功率快速直流充電站的推廣應用提供理論基礎與技術支持[4-5]。

本文首先分析了含有儲能系統電動汽車充電樁的主要工作模式，然后提出并設計了包含“功率-電壓-電流”等控制環(huán)節(jié)在內的三環(huán)下垂儲能變流器控制系統，有效提高了系統的響應速度。在保證與傳統發(fā)電機電源良好兼容性的情況下，可以實現并離網的平滑切換。同時，結合儲能系統的功率平衡約束、電網輸出功率約束和儲能電池運行約束等條件制訂了充電站儲能系統的功率調度策略，降低了充電站的負荷波動，最后通過試點電動汽車快速充電站及其百千瓦級儲能變換器，對所設計的三環(huán)下垂控制系統及儲能系統功率調度策略的正確性和有效性進行試驗驗證。

1 含儲能系統的電動汽車充電站結構及儲能變流器工作模式

含有儲能系統的電動汽車充電站典型結構由儲能變流器、儲能電池、充電樁負載、配電變壓器和交流母線組成。系統的連接方式如圖1所示。儲能系統輸出和站內充電樁負載連接于交流母線，通過充放電控制，調節(jié)配電變壓器的輸出功率，實現削峰填谷，穩(wěn)定節(jié)點電壓水平，避免高峰負荷時段變壓器過載。

圖1 含儲能系統的電動汽車充電站系統結構

儲能變流器在電動汽車充電站系統中的工作模式和并網型微電網的運行狀態(tài)相類似[6-7]，主要工作模式如下。

(1) 并網工作模式：在電網正常情況下，實時檢測負荷及并網點的有功和無功功率，節(jié)點電壓，以及計算儲能系統所需發(fā)出的有功和無功功率。此時儲能變流器工作在電流源模式，其主要功能為穩(wěn)定節(jié)點電壓水平，避免高峰負荷時段配電變壓器過載，充電樁和電動汽車構成的負荷由配電網進行供電。

(2) 離網工作模式：在電網突然失電情況下，自動切換由儲能系統帶負荷離網運行，保證重要負荷的正常用電。此時儲能變流器工作在電壓源模式,并給由充電樁和電動汽車構成的負荷進行供電[8]。

2 儲能變流器三環(huán)下垂控制系統設計

在本文所述的含有儲能系統的電動汽車充電站典型系統中，儲能變流器采用傳統的三相三橋臂PWM拓撲結構，基本控制策略采用電流源工作模式和電壓源工作模式切換的控制方式，整體控制框圖如圖2所示。其中：Lf為機側濾波電感；Cf為濾波電容；Lg為網側濾波電感；K為并離網切換開關；iLabc和iabc分別為濾波電感電流與入網電流；Uabc為電容電壓。

圖2 儲能變流器及三環(huán)下垂控制系統框圖

本文通過構建包含功率-電壓-電流在內的三環(huán)下垂控制方程，實現對系統有功和無功功率控制。首先，根據儲能輸出的有功功率P和無功功率Q，按照式(1)所示的下垂曲線得到電容電壓幅值參考E*及角頻率參考值ω*。

(1)

式中：n*與m*分別為有功與無功自定義下垂系數。

(2)

其中：

(3)

(4)

(5)

式中：KPV和KIV分別為電壓環(huán)PI調節(jié)器比例與積分系數。

當角度環(huán)有偏差的時候，電機本身也會存在一定的速度，倒立擺以什么速度維持平衡，光靠直立環(huán)無法做到。因此該系統加入了速度環(huán)，采用PID控制器中的PI控制器控制速度環(huán)輸出的PWM值。

(6)

式中：KPI和Kii分別為電流環(huán)PI調節(jié)器比例與積分系數。

3 儲能系統功率調度策略

采用三環(huán)下垂控制策略的儲能變流器，其功率的控制指令需要考慮儲能系統運行的約束條件，主要包括：考慮儲能荷電狀態(tài)、儲能最大功率限幅和瞬時功率平衡等方面的限制，以確保儲能容量優(yōu)化的合理性。

1)功率平衡約束

在任意時刻都應保證電動汽車充電站系統中的功率平衡，從而功率平衡約束條件為：

PB(t)=PL(t)+Pe(t)

(7)

式中:PB(t)為電網輸出功率；PL(t)為充電樁及電動汽車構成的負荷需求功率；Pe(t)為儲能充(放)電功率，充電時功率為正，放電時為負。

2)電網輸出功率約束

儲能系統在并網運行時，需要平抑并網節(jié)點處的負荷波動，降低負荷的峰值20%以上，故電網輸出功率需滿足：

PB(t)≤k·PLmax

(8)

式中:PLmax為負荷的最大功率;k為負荷最大值的比例系數。

3)儲能電池運行約束

考慮儲能電池的使用壽命，儲能電池的放電倍率需限制在一定范圍內，此處儲能電池的放電倍率選取為1C。在蓄電池進行充放電時，應保證蓄電池的容量和充放電功率維持在正常的工作狀態(tài)中，故儲能在一天中任意時刻的荷電量應滿足：

(9)

式中:SOC(t)為蓄電池的荷電狀態(tài)。

考慮上述約束條件，以負荷波動最小為控制目標，根據歷史負荷曲線設定當日的儲能功率輸出控制目標曲線，對系統進行控制。

4 試驗驗證

為驗證控制策略的可行性，基于某實際電動汽車快速充電站開展試驗驗證。試點充電站包含各類充電設施9臺，充電站總功率為434 kW。配備了100 kW/150 kWh電池儲能系統，其由2個75 kWh電池柜，外加1個100 kW儲能變流器組成。電動汽車快速充電站及儲能系統參數如表1所示。

表1 快速充電站儲能系統參數

電動汽車快速充電站的典型日負荷曲線如圖3(a)所示，負荷主要集中在日常工作時段，其最大負荷約為259 kW。結合式(5)～式(7)計算得到電動汽車充電站系統工作在并網模式下，加入儲能后充電站的日負荷曲線如圖3(b)所示。負荷曲線顯示：引入儲能系統后，電動汽車充電樁系統日最大負荷由原來的 259 kW下降到176 kW，負荷尖峰得到了有效的平抑。

圖3 引入儲能前后的充電站日負荷曲線

當電動汽車快速充電站工作在離網工況下時，通過三環(huán)下垂控制策略對充電站內的儲能變流器進行控制，此時充電站通過總功率83 kW的充電樁為其接入的電動汽車進行充電服務。圖4給出了儲能變流器工作在離網工況下的動態(tài)試驗波形。波形顯示：充電樁負載突然接入時，儲能變流器輸出機端電壓實現了良好的三相平衡控制，電壓對稱度>98%，且具有優(yōu)良的電壓動態(tài)響應能力。

圖4 儲能變流器離網動態(tài)試驗波形

圖5進一步給出了儲能變流器并/離網模式切換工況下的試驗波形，其中：儲能變流器在并網狀態(tài)時向電網輸出30 kW有功功率進行調峰控制穩(wěn)定節(jié)點電壓水平；t1時刻非計劃分斷并網開關，在離網狀態(tài)時獨立為50 kW充電樁負荷供電。

圖5 儲能變流器并離網切換試驗波形

波形顯示： 基于三環(huán)下垂控制策略的儲能變流器在并離網切換過程中具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性，切換過渡過程中機端線電壓暫態(tài)波動幅值<2%，調整時間<10 ms，且逆變器離網獨立運行給充電樁負荷供電時，機端輸出電壓三相對稱度良好。

5 結束語

本文針對適用于電動汽車快速充電站的儲能系統及其儲能變流器提出并設計了一種三環(huán)下垂控制系統及其功率調度策略。在充電站工作在并網模式下時，利用儲能系統結合功率調度策略可有效平抑充電站整體負荷波動，穩(wěn)定接入點電壓水平。在充電樁工作在離網模式下時，所提出的三環(huán)下垂控制策略有效提升了儲能變流器系統在負荷階躍以及并離網切換等工況下的動態(tài)響應速度，減小了儲能系統對動態(tài)汽車充電的影響。通過試點電動汽車充電站及100 kW儲能變流器現場試驗，驗證了所提出和設計的控制系統及功率調度策略的正確性和有效性。