[發(fā)明專利]一種光儲(chǔ)充電站的能量協(xié)調(diào)控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010060510.3
• 申請(qǐng)日: 2020-01-19
• 公開（公告）號(hào): CN111355259A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張晶;張?jiān)?/a>;馬澄斌;閆東翔;李濤永;李斌;蔣林洳;刁曉虹;李康;王亞玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司;上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J3/38
• 分類號(hào): H02J3/38;H02J3/28;B60L53/51
• 代理公司: 北京盛凡智榮知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11616
• 代理人: 陳月婷

1.一種光儲(chǔ)充電站能量協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于：涉及的光儲(chǔ)充電站包括：光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)、交流配電網(wǎng)系統(tǒng)、直流總線、直流充電樁、以及能量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；充電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示；

光伏發(fā)電系統(tǒng)可以方便地布置在充電站的停車棚頂部，光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能轉(zhuǎn)換為直流電通過直流變換器接入充電站供電，為了最大化利用光伏發(fā)電能量，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般工作在最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)模式；

儲(chǔ)能電池系統(tǒng)以集裝箱的形式布置在充電站周圍區(qū)域；儲(chǔ)能電池與充電站之間通過雙向直流變換器連接既可以充電也可以放電；當(dāng)光伏發(fā)電量大于電動(dòng)汽車充電需求時(shí)，多余的能量將存儲(chǔ)在儲(chǔ)能電池中；當(dāng)光伏功率小于電動(dòng)汽車充電需求時(shí)，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)將放電以滿足電動(dòng)汽車的充電需求；

交流配電網(wǎng)系統(tǒng)與充電站之間通過AC/DC變換器連接，使充電站并入配電網(wǎng)；當(dāng)充電站并網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，AC/DC變換器起到穩(wěn)定直流母線電壓的作用，當(dāng)充電站內(nèi)有剩余功率時(shí)，剩余功率可以通過變換器送入配電網(wǎng)，反之，當(dāng)充電站供電功率不滿足電動(dòng)汽車充電需求時(shí)，交流配電網(wǎng)通過變換器為充電站提供功率，保證充電站內(nèi)部始終功率平衡；

電動(dòng)汽車通過直流充電樁與充電站連接，電動(dòng)汽車的充電負(fù)荷具有充電功率大，充電隨機(jī)性強(qiáng)，充電時(shí)間長(zhǎng)，充電功率不一致，動(dòng)態(tài)波動(dòng)強(qiáng)等特點(diǎn)；

通過優(yōu)先利用可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的就地消納和降低電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷；但是隨著儲(chǔ)能電池能量的逐漸降低，尤其是當(dāng)充電需求較大的情形下，儲(chǔ)能電池可能出現(xiàn)能量被迅速消耗殆盡的情形，此后，充電站內(nèi)只剩下光伏發(fā)電系統(tǒng)和交流配電網(wǎng)為充電站工作，甚至只有交流配電網(wǎng)工作，這種情形勢(shì)必增加了交流配電網(wǎng)的負(fù)荷，不利于電網(wǎng)的運(yùn)行安全；因此，有必要設(shè)計(jì)有效的能量協(xié)調(diào)控制方法發(fā)揮儲(chǔ)能靈活充放電的特性，減輕電網(wǎng)的負(fù)荷；

圖2為能量協(xié)調(diào)控制示意圖；如圖2所示，電動(dòng)汽車連接充電樁后，將充電功率需求P_ev，i發(fā)送給充電樁，充電樁將收集到的充電需求信息發(fā)送給充電站的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)同時(shí)采集光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)發(fā)電功率P_pv、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電荷狀態(tài)(state ofcharge，SOC)信息，其中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存有儲(chǔ)能電池的最大允許充/放電功率；協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)首先計(jì)算∑P_ev，i和P_pv的差值

P_diff＝∑P_ev，i-P_pv

進(jìn)而根據(jù)儲(chǔ)能電池的SOC信息以及儲(chǔ)能電池允許的充放電功率范圍判斷儲(chǔ)能電池的充放電功率；儲(chǔ)能電池的充放電功率需要滿足一定的約束條件，其充放電功率不能超過其允許的最大值P_bat，max和最小值P_bat，min，定義放電功率的數(shù)值為正，充電功率的數(shù)值為負(fù)，

P_bat，min≤P_bat≤P_bat，max

而且儲(chǔ)能電池的能量E不能超過最大E_bat，max和最小值E_bat，min，以保證儲(chǔ)能電池的安全運(yùn)行，

E_bat，min≤E≤E_bat，max

當(dāng)儲(chǔ)能電池出于能量過高的狀態(tài)時(shí)，其不能消納光伏的剩余發(fā)電容量，反之，當(dāng)儲(chǔ)能電池能量處于下邊界時(shí)，儲(chǔ)能電池不能繼續(xù)放電，相應(yīng)加重了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)；

另外，由于儲(chǔ)能電池容量小，其功能是作為能量?jī)?chǔ)存釋放部件緩沖充電負(fù)荷和光伏發(fā)電系統(tǒng)的隨機(jī)波動(dòng)，因此為了使儲(chǔ)能電池能夠持續(xù)工作，對(duì)儲(chǔ)能電池增加實(shí)施以下模式切換控制方法，使其SOC維持在一定的范圍，其控制邏輯如圖3所示；當(dāng)儲(chǔ)能電池的SOC下降直到0.4時(shí)，控制模式由“1”切換到“-1”(“1”表示放電模式，“-1”表示充電模式)，此時(shí)儲(chǔ)能電池SOC較低，儲(chǔ)能電池將通過電網(wǎng)對(duì)其充電，一直到SOC升高到0.6，此時(shí)儲(chǔ)能電池可以放電或者充電，取決于當(dāng)前的充電負(fù)荷與光伏發(fā)電量；其中SOC的切換上下邊界不局限于0.45和0.55，可以有技術(shù)人員自己根據(jù)情況自己調(diào)整設(shè)定，一般定在SOC為0.5附近，使儲(chǔ)能電池可以響應(yīng)充電站的充電或者放電的調(diào)度需求；該模式切換的上下邊界范圍的選取，可以避免儲(chǔ)能電池直流變換器的頻繁切換；有利于系統(tǒng)穩(wěn)定；

儲(chǔ)能電池的能量變化動(dòng)態(tài)方程可以用以下方程表示

E(k+1)＝E(k)-Δt·P_bat

充電站協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出的儲(chǔ)能電池功率，充電站系統(tǒng)需要保持功率平恒，因此，交流配電網(wǎng)的調(diào)度功率可以根據(jù)功率平衡得到

P_grid＝∑P_ev，i-P_pv-P_bat

上述的完整的能量協(xié)調(diào)控制策略如圖4所示；充電站協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將計(jì)算得到的儲(chǔ)能電池和交流配電網(wǎng)功率以控制命令形式分別發(fā)送給儲(chǔ)能電池控制系統(tǒng)和交流配電網(wǎng)控制系統(tǒng)；

下面以一個(gè)實(shí)施例驗(yàn)證該協(xié)調(diào)控制方法的效果；設(shè)光伏的安裝容量為75kW，儲(chǔ)能電池容量為440kWh，充電站安裝有6個(gè)充電樁，一天內(nèi)有50輛電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，電動(dòng)汽車到達(dá)充電站的時(shí)間服從泊松分布；充電站的能量協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果如圖5所示；可以看出儲(chǔ)能電池的SOC在達(dá)到0.45之后，觸發(fā)了模式切換控制的條件，后續(xù)的時(shí)間段內(nèi)SOC保持在在0.45到0.55之間，驗(yàn)證了儲(chǔ)能電池模式切換控制方法的有效性和可行性；而且，有效避免了儲(chǔ)能電池充放電模式的頻繁切換；

與所提出的方法相對(duì)的是，當(dāng)儲(chǔ)能電池的SOC低于0.5時(shí)，儲(chǔ)能電池停止放電并開始充電，沒有上下邊界的延遲限制，得到的仿真結(jié)果如圖6所示；可以看到，該方法導(dǎo)致儲(chǔ)能電池充放電和主電網(wǎng)功率的頻繁切換與波動(dòng)；

此外對(duì)比了不包含儲(chǔ)能電池模式切換控制的方法，采用模式切換控制的方法可以有效保障儲(chǔ)能電池持續(xù)運(yùn)行的能力，進(jìn)而儲(chǔ)能電池可以在放電模式下有效減輕電網(wǎng)的負(fù)荷；三種方法的結(jié)果對(duì)比如表1所示，兩者在電網(wǎng)最大功率指標(biāo)上面的差距不是很大，但是應(yīng)用模式切換控制方法可以使電網(wǎng)峰均值比PAR減小，PAR減小有利于電網(wǎng)的調(diào)節(jié)；另一方面，儲(chǔ)能電池放電深度DOD影響儲(chǔ)能電池的壽命；因此，從這三方面的對(duì)比中，可以看出采用模式切換控制方式的優(yōu)勢(shì)。