充放儲一體化電站接入電網的能量流動控制策略

劉高維，楊敏霞，賈玉健，解 大

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

隨著電動汽車和儲能技術的快速發展，具備電動汽車換電站、充放電站、儲能站、梯次電池利用功能的充放儲一體化電站，也越來越受到關注。一體化站的運行與電網的狀態密切相關。本文將對電網處于正常運行和不正常運行狀態下充放儲一體化電站的能量流動控制策略進行探討。緊急事故狀態指電網發生嚴重故障電力系統處于緊急狀態，甚至發生系統解列，一體化站必須迅速離網運行，本文不做探討，但是電網局部發生較輕的故障對電網正常運行影響不大時，本文將把他看作為電網處于不正常的運行狀態進行探討。

1 充放儲一體化電站簡介

電動汽車充放儲一體化站要求具有充電、更換、儲能的功能，滿足電動汽車能源供給，提高電池利用效率，并且能夠對儲能電池以及功率、能量進行優化控制，與電網負荷進行協調與互動，為電網提供增值服務，一定程度上改善電網的電能質量，從而實現多方共贏。為了實現一體化站多項功能，應當具備調度中心、多用途變流裝置、電池充換電系統以及梯次電池利用系統，如圖1所示［1］。

圖1 充放儲一體化站總體結構

一體化站的各項功能互相聯系，各系統共享上級信息，由調度中心統一協調運行，完成對電動汽車和電網的各種服務。電池充換系統分為充電區、換電池區和電池維護區：充電區備有快慢速充電裝置可以滿足整車充電，也能按照充電計劃對大量的儲備電池進行合理的充放電控制；換電池區為用戶提供快速更換電池組服務；電池維護區對更換下來的電池組進行檢測、重新配組等操作，并將不同梯次的電池分別送入充電區和梯次電池儲能站。

梯次電池利用系統是退役電池的再利用場所。電動汽車用電池經過一段時間的使用后性能會下降，當蓄電池的動力性能衰減到一定程度后就不適合電動汽車繼續使用，但這些退役之后的蓄電池仍然具有一定的充放電功能，通過串并聯組合輔以有效的充放電管理可以組成梯次電池利用系統為提高電網運行服務，例如在電網負荷低谷期充滿電，在電網高峰期向電網放電，為電網“削峰填谷”做出貢獻。一旦電網出現故障，梯次電池利用系統還可以作為應急電源維持一體化站的運行，繼續為汽車提供充電服務，減少停電造成的損失。梯次電池利用系統的設計可以進一步發揮電池剩余價值，降低電池使用成本，并為電網提供增值服務。

2 電網正常運行時的能量流動控制

2.1 電網峰荷狀態

通過電池單體的SOC對整個電池系統的儲能水平進行估算［2－3］，電池系統的儲能水平可以劃分為20%以下，20%～80%和80%以上三種，電池充電系統與梯次電池利用系統的儲能水平，總共有9種組合情況，為了優化電池系統與電網運行，一體化站的運行狀態見圖2。

圖2 電網正常狀態峰荷下的運行狀態

圖2中：A表示電池充電系統（以下簡稱充電站），B表示梯次電池利用系統（以下簡稱梯次站），G為電網；?表示充電站A不動作，與梯次站B和電網G都沒有能量交換，?表示梯次站B不動作，與充電站A和電網都沒有能量交換。

在電網峰值任意時刻的一組充電站、梯次站內電池剩余電量［4］，構成了圖2中的狀態點，每個狀態點有不同的最優控制策略。為了說明方便，本文假設充電站容量與梯次站容量相同。

1）充電站只從梯次站充電，梯次站只向充電站放電 當充電站內儲能非常少（20%以下）、梯次站內為滿容量（80%以上），充電站只需要由梯次站充電，同時梯次站也只向充電站放電。當充電站內儲能和梯次站內儲能都一般（20%～80%）時，由于充電站并非所有電池都需充電，梯次站仍能滿足充電站的充電需求，故也不需要從電網取電。在這種策略下，梯次站直接向充電站供電，只需經過一次變流就可完成充電過程，能量利用效率較高。另外，由于電網處于峰荷狀態，充電站的充電繞開了電網側，減少了電網負載的負擔。

2）充電站只從梯次站充電，梯次站向充電站放電的同時向電網放電進行一定的支持 當充電站內儲能一般（20%～80%），而梯次站內為滿容量（80%以上）時，充電站的充電需求較小，梯次站內儲能充足，在滿足充電站的充電需求后，將多余的電能輸入到電網為峰荷狀態的電網減壓。

3）充電站同時從梯次站和電網充電，梯次站只向充電站放電以緩解電網的壓力 當充電站內儲能已經很少（低于20%），而梯次站內儲能一般（20%～90%）時，單獨依靠梯次站不能滿足充電站的全部充電需求，必須由電網提供部分支持，充電站將同時從梯次站和電網充電。由于梯次站向充電站放電減少了充電站給電網帶來負擔，在一定程度上緩解電網峰荷壓力。

4）充電站不動作，梯次站向電網放電 當充電站儲能非常高（超過80%）時無需重充電，考慮到一體化站應保留足夠余量提高突發事件的應對能力，一般不向電網輸電。如果梯次站儲能非常高可以像電網輸出電能，即使梯次站儲能一般（20%～80%），也可以對電網進行適度支持。

5）充電站從電網充電，梯次站不動作 當梯次站內儲能非常少（20%以下），充電站為了滿足電動汽車用戶的充電需求，只能由電網為充電站充電。由于電網處于峰荷狀態，不考慮向梯次站充電。電網對充電站充電會增加電網的負荷，如果充電站儲能非常少（20%以下）影響會大些；如果充電站儲能一般（20%～80%），電網只需對充電站適度充電，影響會小些。

6）充電站和梯次站不動作 當充電站儲能接近滿容量（高于80%）時無需充電，在電網處于峰荷下即使梯次站的能量處于較低水平（低于20%）也不對梯次站充電。

2.2 電網谷荷或者輕載

電網正常運行并處于谷荷狀態，或者電網已進入不正常狀態發生了輕載的情況，如果充電站和梯次站的SOC很小，那么都應當通過電網充電，只有當充電站和梯次站的SOC很大時才需要對一體化站的能量流動控制優化，因此把儲能水平劃分為80%以下和80%以上兩種，得到4種組合情況見圖3。

1）電網同時對充電站和梯次站充電 充電站和梯次站的儲能未滿（低于80%），而電網處于谷荷或者輕載狀態時，電網對充電站和梯次站充電，用以提高負荷率或者減輕電網輕載的現象。

圖3 電網谷荷甚至輕載下的運行狀態

2）電網對梯次站充電，充電站不動作 當充電站儲能幾乎滿容量（超過80%），而梯次站未滿（低于80%），電網只對梯次站充電，用以提高負荷率或者減輕電網輕載的現象。

3）充電站與梯次站不動作 當充電站和梯次站儲能為滿容量（超過80%）不需要充電，電網負荷處在低谷狀態，也不需要充電站或者梯次站的支持，因此充電站和梯次站都無需動作。

3 電網不正常狀態下的能量流動控制

當電網進入重載不正常運行狀態運行時，可以利用一體化站內的所有儲能對電網進行支持。如果充電站和梯次站的SOC很大，那么都應當向電網放電，只有當充電站和梯次站的SOC很小時才需要對一體化站的能量流動控制優化。因此將電池系統的儲能水平可以劃分為20%以下和20%以上兩種；充電站與梯次站的儲能水平有四種組合情況，如圖4所示。

圖4 電網處于重載下的運行狀態

1）充電站和梯次站均對電網放電 充電站和梯次站的儲能均未耗盡（超過20%），由于電網處于不正常的狀態，因此兩個站均優先對電網進行電能支持，輔助電網改善重載程度，將電網運行調整到正常的狀態中。此時的放電策略在實際操作中應根據兩個站的儲能水平以及變化過程，當儲能接近滿容量的時候可全力放電，而儲能減少至接近不足狀態時應該過渡到適度放電甚至過渡到其他狀態，暫停對電網放電。

2）充電站對電網放電，梯次站不動作 如果充電站容量尚未耗盡（超過20%），可根據自身的儲能水平對電網進行放電支持；如果梯次站容量已經非常不足（低于20%），那么即使電網處于重載狀態下也無法對電網進行支持。實際運行中應避免這種情況出現。

3）充電站不動作，梯次站對電網放電 如果充電站容量已經非常不足（低于20%），那么即使電網處于重載狀態下也無法對電網進行支持；如果梯次站容量尚未耗盡（超過20%），那么可根據自身的儲能水平對電網進行放電支持。

4）充電站和梯次站不動作 充電站和梯次站儲能非常不足（低于20%），即使電網有需求也無法對電網進行支持。實際運行中應盡量避免這種情況出現。

4 結語

采用充放儲一體化站接入電網下的能量單元流動控制策略，根據SOC預測技術得到的充放儲一體化換電站儲能電量的估計，結合電網的各種運行狀態，通過合理的控制策略，可以實現充放儲一體化電站與電網之間的互補支持，有利于電網減少負荷峰谷差的壓力，提高電網運行的可靠性和經濟性。當然，在制定控制策略時，必須考慮到充電站的換電池區為大量的更換電池用戶提供快速更換電池組服務，在充滿的情況下，電池的SOC都在80%以上；而梯次站內的電池動力性能較差，故當電網處于正常運行狀態時，充電站只充不放；僅當電網處于重載不正常運行狀態時，才由充電站放電對電網進行支持。

此外，一體化站和電網的互動還可以改善電網供電的電能質量，特別是當區域內有多個一體化站時可完成更多電能質量改善任務。例如電網供電的電能質量不達標時，如果一體化站能量較為充足，可根據要求對電網輸出補償電流進行治理，包括負荷電壓波動補償、諧波治理以及無功補償等，達到改善一體化站接入點的電能質量的目的；當電網發生故障時，而一體化站能量較為充足時，可根據需要對電網輸送有功功率以及無功功率，輔助電網其他保護調節措施進行故障處理以及電網恢復；當電網發生嚴重事故時，一體化站應該迅速離網已保證自身安全，并在有需要時與附近的關鍵負荷等形成微電網，為關鍵負荷進行不斷電支持。

［1］ 賈玉健，解大，顧羽潔，等.電動汽車電池等效電路模型的分類和特點［J］.電力與能源.2011，32（6）：516-521.

［2］ 齊國光，李建民，郟航，等.電動汽車電量計量技術的研究［J］.清華大學學報，1997（03）：47-50.

［3］ 張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用［J］.電網技術，2008，32（7）：1-9.

［4］ 賀興，艾芊.電動汽車能量管理系統的研究與開發［J］.低壓電器.2011.（14）：21-25.