安科瑞光儲充一體化充電站的控制策略研究

徐悅 安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

0.引言

通過對光儲充一體化充電站配置要求的分析，提出一種以光伏系統、儲能系統、VIENNA整流器和直流充電設施構成的光儲充一體化充電站系統。在功率流向關系的基礎上，根據工作充電樁數量提出了一種光儲充一體化充電站的協調控制策略。通過MATLAB/Simulink平臺仿真驗證了其可行性和有效性。

近年來，我國新能源產業與其重要組成部分的新能源汽車飛速發展，與新能源汽車配套的充電產業更是迎來了更大的發展機遇。光儲充一體化充電站結合光伏發電技術、儲能技術與充電樁技術，利用可再生能源，同時還能利用儲能系統實現削峰填谷，有效提高光伏利用率和充電站經濟性。光儲充一體化充電站作為充電站的新思路，亟需對其系統構成和控制策略進行分析研究。

目前，電動汽車的充電方式主要分為傳導式與無線式充電，其中傳導式充電依據輸出電流類型又分為直流充電和交流充電;充電站根據系統內部的母線傳輸電能的形式及主要子系統交換電能的形式，可以分為直流母線配電和交流母線配電。以直流母線配電形式的含光伏充電站，為了維持較高工作效率，應盡量保持DC/DC直流變換器工作在較高能量轉換率。在直流微網中，直流母線電壓是系統內功率平衡和能量控制平衡的重要指標。根據直流母線電壓變化量和蓄電池狀態，協調控制各個變換器，是一種適用典型結構的直流微電網控制策略。通常在微網系統中加入儲能，可以解決可靠性不足、能量波動和電壓波動等問題。引入更多形式儲能后，需要改進儲能控制策略，協調不同儲能，再根據直流母線電壓變化量，協調控制直流微電網。電動汽車的充電需求由于在時間和空間上都具有靈活性，從充電站的角度，充電站需要采用一定的方法，削峰填谷，均衡充電需求。隨著電動汽車數量的增加，電動汽車充電不可避免地對電力系統的電能質量、可靠性和經濟運行造成負面影響。充電站為了引導有序充電，可以引入分時電價，分散各個充電站接入位置，提高可再生能源利用率。

本文首先根據直流母線配電的光儲充一體化充電站系統的系統構成，提出一種充電站結構。之后，以該結構為研究對象，根據工作中充電樁數量和子系統功率流向，提出針對光伏Boost變換器、儲能電池雙向DC/DC變換器、電容雙向DC/DC變換器和VIENNA整流器的協調控制策略。通過MATLAB/Simulink平臺仿真驗證了協調控制策略的可行性和有效性。

1.光儲充一體化充電站系統結構

直流母線配電的光儲充一體化充電站系統主要包括供配電系統、直流充電設施、儲能系統和光伏發電系統等。其中，光伏、儲能和直流充電設施通過直流母線進行能量交換，這三個子系統均使用DC/DC變換器，充電站在并網處使用AC/DC整流器。本文提出的直流配電的光儲充一體化充電站結構如圖1所示。

圖1中，并網處AC/DC整流器采用VIENNA整流器。由于VIENNA整流器直流側采用兩個等值電容，開關管的電壓應力僅有直流輸出電壓的一半;同時，其結構設計決定了不存在上下橋臂直通的問題，不需要考慮死區問題，非常適用于并網處ACDC整流器。儲能系統處直流變換器采用雙向DC/DC電路，保證能量雙向流動的同時還要參與維持直流母線電壓的穩定。直流母線配電的充電站系統使得充電樁無需常規直流充電樁的整流單元，只需DC/DC變換器即可為汽車充電。

2.光伏發電系統DC/DC變換器控制策略

直流母線配電的光儲充一體化充電站的光伏發電系統主要由光伏陣列和單向DC/DC變換器(BOOST電路)構成。

由于光伏發電功率隨機波動，在直流母線電壓允許范圍內，BOOST電路采用電導增量法實現功率點跟蹤(MPPT)。當光伏發電功率過剩，直流母線電壓不斷升高時，BOOST電路工作模式從MPPT模式切換至恒壓控制模式(CVC)，如圖2所示。

3.VIENNA整流器控制策略

理想的VIENNA整流器直流側電容大小相同，并且上下電容、電壓相等，即。如圖3所示。

4.儲能系統雙向DC/DC變換器控制策略

儲能系統在光儲充一體化充電站中有平滑能量波動，維持母線電壓等作用。直流母線配電的充電站通常采用非隔離型雙向DC/DC變換器。非隔離型雙向DC/DC變換器成本較低，易于控制，其電路結構如圖5所示。

在光伏充電站運行過程中，光伏出力存在大大小小的波動，其中一些波動會影響儲能系統雙向DC/DC變換器的工作模式(Buck/Boost)，頻繁的波動會使儲能電池在充放電之間反復切換，對儲能電池造成損傷。因此，儲能系統可以加入電容平滑功率波動。功率波動中的高頻部分通過低通濾波器過濾，而電池儲能承擔低頻功率波動。對于雙向DC/DC變換器，一般采用電壓外環電流內環的雙閉環控制結構，控制框圖如圖6所示。

5.光伏并網逆變器控制策略

由于光伏并網逆變器不參與光儲充一體化充電站的充電工作，可以根據需要選擇在逆變器中加入隔離變壓器，以提高充電站發出電能質量。單級逆變拓撲在效率、動態響應速度、穩定性和可靠性等指標上均高于兩級拓撲。因此，光伏系統可以使用單級拓撲，經并網點直接將光伏系統所發出的閑置能量輸送至電網。光伏并網逆變器可以使用的一些控制策略比較見表1。

6.光儲充一體化充電站協調控制

圖7所示為直流配電的光儲充一體化充電站的控制系統。

基于以上分析，本文提出一種充電站協調控制策略。該協調控制策略主要依據工作中充電樁數量、光伏出力和儲能狀態，將充電站分為以下六種典型工作模式。

工作中充電樁數量低時，此時僅光伏系統和儲能系統出力可能滿足充電需求，充電站無需電網提供能量，即模式一～模式三。

模式一：光伏系統發電功率足夠汽車充電功率，多余能量儲存至儲能。此時系統功率表達式為

式中，PPV為光伏系統發出功率；PBAT為儲能系統吸收功率；PEV為電動汽車所需功率。

模式二：光伏系統發電功率多于汽車充電功率，儲能能夠向汽車充電。此時功率表達式為

模式三：光伏系統發電功率不足，儲能系統可以補充不足功率。此時功率表達式為

當光伏系統與儲能系統不能滿足充電需求時，充電樁需要電網提供能量，即模式四與模式五。

模式四：光伏系統發電功率不足，儲能系統不能補充不足功率。此時功率平衡方程為

式中，PGRID為電網提供功率。模式五：光伏系統處于空閑狀態，不提供能量，充電站由電網提供能量向電動汽車充電。此時功率平衡方程為

模式六：充電樁處于空閑狀態，光伏系統發出功率由逆變器并網向電網輸送。

充電站運行時一般在以上六種模式切換。為了避免儲能電池損壞，SOC低于20%時，儲能SOC控制進入放電警戒；SOC高于80%時，儲能SOC控制進入充電警戒。充電站工作模式劃分見表2。

7.光儲充一體化充電站的仿真建模及協調控制仿真分析

根據本文所提出光儲充一體化充電站的系統構成及其控制策略，在MATLAB\Simulink中搭建光儲充一體化充電站的仿真建模，如圖8所示。充電站仿真建模參數:直流母線電壓設定為700V;儲能系統采用電壓為200V，容量為200A·h的鉛酸電池。其中充電樁側DC/DC變換器采用電路如圖9所示，該變化器設定輸出電壓為350V。

對充電站的主要工作模式進行仿真，仿真結果如圖10～12所示。

8.安科瑞充電樁收費運營云平臺系統選型方案

8.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充電柱收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的電動電動自行車充電站以及各個充電整法行不間斷地數據采集和監控，實時監控充電樁運行狀態，進行充電服務、支付管理，交易結算，資要管理、電能管理，明細查詢等。同時對充電機過溫保護、漏電、充電機輸入/輸出過壓，欠壓，絕緣低各類故障進行預警；充電樁支持以太網、4G或WIFI等方式接入互聯網，用戶通過微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

8.2應用場所

適用于民用建筑、一般工業建筑、居住小區、實業單位、商業綜合體、學校、園區等充電樁模式的充電基礎設施設計。

8.3系統結構

系統分為四層：

1）即數據采集層、網絡傳輸層、數據層和客戶端層。

2）數據采集層：包括電瓶車智能充電樁通訊協議為標準modbus-rtu。電瓶車智能充電樁用于采集充電回路的電力參數，并進行電能計量和保護。

3）網絡傳輸層：通過4G網絡將數據上傳至搭建好的數據庫服務器。

4）數據層：包含應用服務器和數據服務器，應用服務器部署數據采集服務、WEB網站，數據服務器部署實時數據庫、歷史數據庫、基礎數據庫。

5）應客戶端層：系統管理員可在瀏覽器中訪問電瓶車充電樁收費平臺。終端充電用戶通過刷卡掃碼的方式啟動充電。

小區充電平臺功能主要涵蓋充電設施智能化大屏、實時監控、交易管理、故障管理、統計分析、基礎數據管理等功能，同時為運維人員提供運維APP，充電用戶提供充電小程序。

8.4安科瑞充電樁云平臺系統功能

8.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點分布情況，對設備狀態、設備使用率、充電次數、充電時長、充電金額、充電度數、充電樁故障等進行統計顯示，同時可查看每個站點的站點信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統一管理小區充電樁，查看設備使用率，合理分配資源。

8.4.2實時監控

實時監視充電設施運行狀況，主要包括充電樁運行狀態、回路狀態、充電過程中的充電電量、充電電壓/電流，充電樁告警信息等。

8.4.3交易管理

平臺管理人員可管理充電用戶賬戶，對其進行賬戶進行充值、退款、凍結、注銷等操作，可查看小區用戶每日的充電交易詳細信息。

8.4.4故障管理

設備自動上報故障信息，平臺管理人員可通過平臺查看故障信息并進行派發處理，同時運維人員可通過運維APP收取故障推送，運維人員在運維工作完成后將結果上報。充電用戶也可通過充電小程序反饋現場問題。

8.4.5統計分析

通過系統平臺，從充電站點、充電設施、、充電時間、充電方式等不同角度，查詢充電交易統計信息、能耗統計信息等。

8.4.6基礎數據管理

在系統平臺建立運營商戶，運營商可建立和管理其運營所需站點和充電設施，維護充電設施信息、價格策略、折扣、優惠活動，同時可管理在線卡用戶充值、凍結和解綁。

8.4.7運維APP

面向運維人員使用，可以對站點和充電樁進行管理、能夠進行故障閉環處理、查詢流量卡使用情況、查詢充電\充值情況，進行遠程參數設置，同時可接收故障推送

8.4.8充電小程序

面向充電用戶使用，可查看附近空閑設備，主要包含掃碼充電、賬戶充值，充電卡綁定、交易查詢、故障申訴等功能。

8.5系統硬件配置

9.結束語

本文根據直流母線配電的充電站系統的系統構成，設計了以光伏系統、儲能系統、VIENNA整流器和直流充電設施構成的光儲充一體化充電站，并提出了針對該充電站的協調控制策略。該協調控制依據子系統間功率流動關系和工作中充電樁數量將充電站劃分為六種工作模式，通過對不同工作模式下各子系統的控制，維持充電站整體功率平衡。通過MATLAB\Simulink對該充電站進行仿真建模，并對充電站的主要工作模式進行仿真，證明了提出的協調控制策略的可行性。

參考文獻

[1]錢程.儲能式電動汽車充電樁的設計D]，安徽理工大學，2018.

[2]王迎州,艾青,何建民,余加民.光儲充一體化充電站的控制策略研究

[3]企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

徐悅，女，安科瑞電氣股份有限公司。