光儲式電動汽車充電站微網系統研究

陳曉光,徐冰亮,董爾佳,徐明宇,武國良

(黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

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光儲式電動汽車充電站微網系統研究

陳曉光,徐冰亮,董爾佳,徐明宇,武國良

(黑龍江省電力科學研究院,哈爾濱 150030)

介紹了光儲式電動汽車充電站微網系統的具體結構、控制方式、工作過程,通過實驗研究了在微網負載的種類和大小不同的情況下,微網系統運行方式的切換對電網或負載的沖擊和影響。

光儲式;充電站;微網系統;運行方式切換

近年來,電動汽車充電設施在黑龍江省逐漸得到推廣和應用,同時,國家政策對光伏發電等分布式能源的發展也提供了大力支持[1]。基于此,本文提出將光伏發電系統、蓄電池儲能裝置以及電動汽車充電系統相結合構成微電網,通過調整控制方式[2-3],實現并網運行和孤網運行間的無縫切換[4],使該微網系統既可以并網運行,也可以離網獨立運行。

1 光儲式電動汽車充電站微網系統結構

本文建立了一套帶有儲能裝置的光伏發電系統,這套系統與原有的電動汽車充電系統相結合構成了一個微網系統,即光儲式電動汽車充電站微網系統[5-6],其原理圖如圖1所示。

光儲式電動汽車充電站微網系統由太陽能發電裝置、鉛酸蓄電池儲能單元、電動汽車充電系統和電費計量系統構成。其中,太陽能發電裝置光伏組件的容量為19.14 kW,通過3臺并網逆變器與系統連接;鉛酸蓄電池儲能單元的容量為150 A×12 V×8,通過3臺雙向并網逆變器與系統連接。系統的示意圖如圖2所示。

圖1 微網系統原理圖

該控制切換設備由固體開關及相應的控制和通信設備組成,完成對整個微網系統的協調控制。微網系統的具體運行方式可以根據電網的情況自行切換,與原理圖相對應的微網系統圖如圖3所示。

通過控制斷路器2、斷路器3、斷路器4以及改變并網逆變器和雙向逆變器的運行方式可以實現并網運行與離網運行間的無縫切換。

圖2 光儲式電動汽車充電站微網系統示意圖

圖3 光儲式電動汽車充換電實驗站光伏發電系統圖

2 光儲式電動汽車充電站微網控制系統

2.1 控制系統概述

微網控制系統包括配電網調度層、集中控制層和就地控制層,如圖4所示。在微網控制系統的控制結構中,每一層不但要完成自己獨立的控制功能,同時還要相互協作。

2.1.1 就地控制層

就地控制層的設備主要包括光伏逆變器、蓄電池用雙向逆變器以及電動汽車充電柜等。這一層的主要功能是:故障情況下微網系統的快速保護;光伏發電系統的最大功率跟蹤、孤島控制以及功率調節;蓄電池儲能裝置的充放電控制等。

2.1.2 集中控制層

集中控制層的主要設備為微網系統控制切換箱,它將控制器集成在一起,實現對于整個系統的集中統一控制,具體包括并/離網切換控制、頻率控制、電壓控制以及微網系統負載的控制等。

圖4 微網控制系統解決方案

2.1.3 配網調度層

相對于配網系統而言,可以將微網系統看成一個可調度的單元,既可以并入配電網系統運行,也可以在配電網系統故障時與系統斷開,孤網運行。因此,配網調度層的主要功能就是配網系統的調度、饋線控制以及分布式發電的控制等。

2.2 控制方式

2.2.1P/Q控制方式

在并網運行狀態下,本微網系統采用P/Q控制方式,通過直接控制逆變器實現P/Q控制。在并網狀態下,微網內負荷波動、頻率以及電壓擾動由大電網承擔,光伏發電系統不參與頻率調節和電壓調節,而是直接采用電網頻率和電壓作為調節基礎,通過逆變器的控制作用,按照給定參考值進行有功功率和無功功率輸出。

在這種控制方式及Park變換下,通過選擇同步旋轉軸,可將輸出側電壓abc分量轉化為dq0分量,同時使q軸電壓分量ugq=0,則輸出側的功率為

Preq=ugd×igd+ugq×igq=ugd×igd

Qreq=-ugd×igd+ugq×igq=-ugd×igd

可得內環(電流)的dq軸參考值為

igd,ref=Pref/ugd

igq,ref=-Qref/ugd

電流的dq軸參考值igd,ref、igq,ref與實測電壓值igd、igq的差通過PI調節器的作用,可以為逆變器提供輸出電壓參考uid,ref、uiq,ref。而且,根據逆變器出口濾波電感的參數Lt,可以設置控制逆變器的dq軸電壓的參考分量uid,ref、uiq,ref,通過Park反變換,將其轉化為abc坐標分量,從而實現對逆變器的控制。控制框圖如圖5所示。

圖5 P/Q控制框圖

2.2.2U/f控制方式

在孤網狀態下,本微網系統主要采用U/f控制進行電壓和頻率調節。通過設定電壓和頻率參考值,在PI控制器作用下實時控制逆變器輸出端口電壓和頻率,可為恒壓、恒頻電源使用。

逆變器的電壓和頻率控制主要是為微電網的孤網運行提供強有力的電壓和頻率支撐并具有一定負荷功率的跟隨特性。通過設定頻率以及電壓的參考值,在PI調節器作用下實時檢測逆變器出口的頻率和電壓,作為恒頻、恒壓的微小電源來使用。控制方式如圖6所示。

圖6 U/f控制框圖

由圖6可見,逆變器采用U/f控制時,只采集端口的電壓信息,其頻率采用恒定參考值,即電源頻率恒定。

3 微網系統工作過程

在正常情況下微網系統并網運行,白天陽光充足時光伏發電系統為電動車充電樁和光伏控制室內用電負荷供電,同時為蓄電池儲能,多余的電力通過雙向電能計量系統送入電網,晚上利用電網為電動車充電樁和光伏控制室內用電負荷供電;當電網因某些原因停止供電時,微網系統控制切換設備中的監控裝置會檢測到電網的異常情況,并使光伏發電的系統并網側開關以及負荷側開關自動斷開,同時使光伏接入開關閉合,這樣,微網系統轉換為孤網運行方式,維持電動汽車充電樁和光伏控制室的電力供應,確保了重要負荷的持續可靠供電。

在微網系統孤網運行時,由蓄電池組和雙向逆變器組成的儲能系統的作用是維持整個系統的電壓、頻率的穩定以及功率的平衡。當光伏發電系統的輸出功率小于負載的用電功率時,蓄電池組工作在放電狀態,也就是說,此時由光伏發電系統和蓄電池組共同為負載提供電力;當光伏發電系統的輸出功率大于負載的用電功率時,蓄電池組工作在充電狀態,將大于用電負荷的那一部分電能暫時存在蓄電池中備用,以維持系統電壓和頻率的穩定,保證為負載提供持續的電力供應。

4 微網系統并/離網切換實驗及分析

在負載的種類和大小不同的情況下,測試光儲充電站微網系統由并網運行轉換為孤網運行或由孤網運行轉換為并網運行的過程中所需要的切換時間及波形,研究微網系統運行方式的切換對于電網或負載的沖擊和影響。

實驗一:微網系統空載,輸出電流為0,電壓波形如圖7所示。

圖7 微網系統空載系統并網轉孤網運行時的波形

由圖7可見,在正常情況下,系統并網運行,電網電壓為微網系統的輸出電壓。當電網因故障突然失電時,微網系統可以在不間斷供電的情況下自動將運行方式由并網運行轉換為孤網運行,轉換過程在兩個周波內完成。

根據實驗結果還可以看出,孤網轉并網的過程也是在不間斷供電的情況下完成的,但是持續時間較長,約30 s。當電網故障消失恢復供電時,系統檢測到電網電壓,然后開始自動調整系統輸出電壓的頻率和相位,直到系統輸出電壓的頻率和相位與電網電壓的頻率和相位之間的差值滿足并網允許的條件時,系統并網開關閉合,實現孤網轉并網的運行。

實驗二:微網系統輕載。微網系統通過電動汽車直流充電樁連接容量為3.5 kW的負載。重復實驗一的實驗過程。

在電網因故障突然失電時,微網系統仍然可以在不間斷供電的情況下自動將運行方式由并網運行轉換為孤網運行,轉換過程在兩個周波內完成。值得注意的是,相對于大電網而言,孤網運行時由于光伏發電系統容量有限,負載產生的諧波引起系統電壓波形畸變較為嚴重,所以對于微網系統中有非線性負載接入的情況,為了不影響其他負載的正常工作,應加裝濾波裝置。

孤網運行過程中,微網系統中的蓄電池為負載供電,當蓄電池的電量下降到一定程度時,光伏發電系統開始并網發電,即給負載供電,同時還給蓄電池充電。這一過程反復進行,從而持續維持對負載的電力供應。

實驗三:微網系統中載。微網系統通過電動汽車直流充電樁連接容量為9 kW的負載。重復實驗一的實驗過程。

中載情況下微網系統的運行方式切換過程與輕載時相似,并網轉孤網仍然可以在兩個周波左右的時間完成,負載供電不間斷,只是由于非線性負載容量的增大,系統電壓波形的畸變更加嚴重,電能質量更加不理想。

實驗四:微網系統重載。微網系統通過電動汽車直流充電樁連接容量為11 kW的負載。重復實驗一的實驗過程，電壓波形如圖8所示。

圖8 微網系統重載系統并網轉孤網運行時的波形

從圖8可以看到,重載情況下并網轉孤網的過程和空載時一樣,實際上是因為在切換的一瞬間負載過大,系統無法支撐而將負載切掉。也就是說,這種情況下微網系統無法繼續為負載提供電力,使切換失敗。

由上述實驗可以得出以下結論:

1) 對于光儲式電動汽車充換電實驗站微網系統,當所帶負載小于等于微網系統容量的50%時,在電網出現故障而停止供電的情況下,系統可以自動由并網運行轉換為孤網運行,并且切換過程可以在兩個周波左右的時間內完成,負載供電不間斷。

2) 當所帶負載大于微網系統容量的50%時,在電網出現故障的情況下,系統無法自動完成由并網運行到孤網運行的轉換。

3) 在孤網運行的情況下,由于系統容量有限,如果系統負載為非線性負載,則系統電壓畸變比較嚴重,為了不影響微網系統內其他負載的電力供應,應該配備相應的濾波裝置。

5 結 語

本文全面論述了光儲式電動汽車充電站微電網的系統結構、控制方式、工作過程,并通過微電網并/離網切換實驗,研究了運行方式切換對電網或負載沖擊的影響，為電動汽車充電設施在黑龍江省的應用以及分布式光伏發電的發展提供了參考和借鑒。

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(責任編輯 侯世春)

Research on microgrid system of charging station forphotovoltaic electric vehicles

CHEN Xiaoguang, XU Bingliang, DONG Erjia, XU Mingyu, WU Guoliang

(Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin150030, China)

This paper introduced the structure, control mode and working process of the microgrid system of charging station for photovoltaic electric vehicles, and analyzed the impact and influence of its operation mode switch on grid or load under different types and sizes of microgrid load.

photovoltaic; charging station; microgrid system; operation mode switch

2015-11-12。

陳曉光(1982—)，男,碩士研究生,研究方向為電力系統及其自動化。

TM910.6; U469.72

A

2095-6843(2016)02-0123-04