基于直流母線快充站技術(shù)的分析與研究

何春林，戚佳金，甘江華，鄭正仙，朱金衛(wèi)，劉連慶

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基于直流母線快充站技術(shù)的分析與研究

何春林1,2，戚佳金1,2，甘江華3，鄭正仙1,2，朱金衛(wèi)2，劉連慶3

(1. 國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，浙江 杭州 310016；2. 杭州大有科技發(fā)展有限公司，浙江 杭州 310052； 3. 許繼集團(tuán)有限公司， 河南 許昌 461000)

為了解決傳統(tǒng)充電站中無法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能充電一體化的不足，分析了國內(nèi)充電站系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，提出一種基于直流母線的儲(chǔ)能快充站技術(shù)，通過直流母線把儲(chǔ)能系統(tǒng)和充電系統(tǒng)連接起來，提出一種基于功率平衡的控制方法，利用集中控制器對(duì)系統(tǒng)各個(gè)單元進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，不僅適用于電動(dòng)汽車的多場(chǎng)景應(yīng)用，同時(shí)也滿足未來電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車功率調(diào)節(jié)與控制的要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可優(yōu)化公共充電設(shè)施供電方式，提升充電設(shè)施運(yùn)行效率，提高公共電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，具有較好的實(shí)用性。

新能源；直流母線；快速充電；功率平衡控制；儲(chǔ)能系統(tǒng)

0 引言

近幾年化石燃料日益枯竭，環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻，傳統(tǒng)汽車不僅需要消耗大量化石燃料而且排放大量有害尾氣，以電力作為驅(qū)動(dòng)能源的新能源汽車不僅能緩解化石燃料的危機(jī)而且能實(shí)現(xiàn)零排放，這幾年得到了快速的發(fā)展。目前電動(dòng)汽車充電站大體可分為2種模式，一種是分布式儲(chǔ)能充電站，一種是并網(wǎng)充電站。特斯拉超級(jí)充電站就屬于前一種，其通過光伏電池為充電站提供電能，無需并入電網(wǎng)，這種充電站的優(yōu)點(diǎn)是無需考慮并網(wǎng)問題，太陽能也屬于可再生清潔能源，缺點(diǎn)是建設(shè)成本高，占地面積大。我國目前的充電站主要是并網(wǎng)模式，直接從電網(wǎng)獲取電能，優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)成本低占地面積小，缺點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)沖擊比較大。本文的論述基于直流母線的儲(chǔ)能快充站，由集中整流器來并網(wǎng)整流，充電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)掛在直流母線上，大大減小了并網(wǎng)所帶來的問題，并且利用充電汽車退役的梯次電池作為儲(chǔ)能電池，晚上對(duì)儲(chǔ)能電池充電，白天利用儲(chǔ)能電池對(duì)充電汽車進(jìn)行充電，不僅通過削峰填谷減小了電網(wǎng)的負(fù)荷波動(dòng)，而且利用電價(jià)的峰谷差提高了充電站運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

1 基于直流母線快充站的系統(tǒng)框架

圖1為整個(gè)系統(tǒng)的框圖，由500 kW的AC/DC整流器、750 V直流母線、250 kW DC/DC變流器、儲(chǔ)能電池組，2組120 kW的充電機(jī)、4個(gè)充電樁幾部分組成。500 kW的AC/DC整流器為750 V直流母線提供恒定的直流電壓，充電機(jī)從直流母線取能對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，DC/DC變換器通過直流母線對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充放電[3-5]。

圖1 基于直流母線快充站的系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本論文主要針對(duì)AC/DC整流器和DC/DC變流器進(jìn)行描述。

2.1 AC/DC整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2所示，AC/DC整流器主要由直流濾波電容、2電平3相橋電路、LCL濾波回路組成。其中C1和C2是直流濾波電容，起到穩(wěn)定直流母線電壓的作用；2電平3相橋電路有3個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由2個(gè)IGBT構(gòu)成；LCL濾波回路用于濾除并網(wǎng)電流與并網(wǎng)電壓的諧波。

圖2AC/DC整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 DC/DC變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖3所示，DC/DC變流器利用雙向buck-boost電路拓?fù)?，dc為高壓側(cè)，儲(chǔ)能電池為低壓側(cè)，L為續(xù)流電感，S1、S2為IGBT。當(dāng)對(duì)儲(chǔ)能電池充電時(shí)，S2處于工作狀態(tài)，S1閉鎖，圖3電路工作在buck模式下。當(dāng)對(duì)儲(chǔ)能電池放電時(shí)S1處于工作狀態(tài)，S2閉鎖，圖3電路工作在boost模式。

圖3 DC/DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的控制算法

3.1系統(tǒng)的能量分析

圖4系統(tǒng)能量流動(dòng)圖

又有：

由式(2)可知，電容的能量變化會(huì)導(dǎo)致其電壓的變化，若要保證直流母線電壓波動(dòng)為零則需要滿足：

保證從直流母線流進(jìn)流出電能功率實(shí)時(shí)為零。

3.2 系統(tǒng)的控制算法

基于直流母線快充站系統(tǒng)的核心是AC/DC整流器，其通過控制交直流能量的轉(zhuǎn)換來支撐直流母線電壓，故在此重點(diǎn)闡述AC/DC整流器的控制算法。

假設(shè)輸入AC/DC整流器的三相交流電壓為

上述是基于功率變換的功率控制策略，下面對(duì)AC/DC整流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。

根據(jù) KVL、KCL定律，可以得到AC/DC變流器側(cè)電感電流、網(wǎng)側(cè)濾波電感電流以及濾波器電容電壓的描述方程[6-8]。

簡化得式(10)。

簡化得式(12)。

根據(jù)式(11)—式(13)得出整流器工作時(shí)交流側(cè)的狀態(tài)方程如式(14)所示。

式中：

從ABC三相轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下變換矩陣如式(15)所述。

其反變換為如式(16)所示。

對(duì)式(10)、(12)、(13)進(jìn)行變換得：

進(jìn)一步可得整流器的在并網(wǎng)模式下交流側(cè)的狀態(tài)方程如式(20)所示。

式中：

上述對(duì)AC/DC整流器的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，并通過變換得出其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程，下面是基于上述內(nèi)容搭建的控制框圖[9]。

圖5 系統(tǒng)控制框圖

根據(jù)能量平衡有：

4 系統(tǒng)仿真

仿真是按照《國網(wǎng)浙江省電力公司基于直流母線的儲(chǔ)能快充站關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目》而搭建，此項(xiàng)目為國網(wǎng)浙江省電力公司2016年科技項(xiàng)目，并在杭州九堡儲(chǔ)能快充站進(jìn)行工程示范[10-17]。

4.1仿真參數(shù)

表1 AC/DC和DC/DC仿真參數(shù)

4.2 仿真波形

圖6、圖7和圖8是 Matlab仿真波形，分別給出了三相電壓、三相電流和直流母線的仿真波形。

5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是針對(duì)基于直流母線的儲(chǔ)能快充站研究項(xiàng)目而搭建的，基于直流母線的直流快充站可廣泛用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻場(chǎng)合，有利于提高供電可靠性和電能質(zhì)量，與儲(chǔ)能電池相互配合可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰控制，可滿足應(yīng)用于不同領(lǐng)域快充站的削峰填谷、應(yīng)急供電等實(shí)際應(yīng)用需求。

圖6 3相交流電壓波形

圖7 三相交流電流波形

圖8直流母線電壓波形

5.1 系統(tǒng)組成

1) 系統(tǒng)監(jiān)控；

2) 電源接入配電系統(tǒng)；

3) 500 kW變流器(PCS21A-500)；

5) 50 kW雙向變流器；

直流充電樁。

圖9—圖13是按照仿真參數(shù)搭建的實(shí)際系統(tǒng)。

5.1實(shí)驗(yàn)波形

圖14是并網(wǎng)電流波形，并網(wǎng)電流諧波過大會(huì)增加系統(tǒng)損耗，引起系統(tǒng)諧振，過大會(huì)嚴(yán)重地污染電網(wǎng)，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降。利用電能質(zhì)量分析儀測(cè)試得出實(shí)際三相電流畸變率(THD)分別是：A相1.54%、B相1.82%、C相1.92%，并網(wǎng)電流諧波含量控制在2%以下，控制效果良好。圖16是啟動(dòng)過程中的直流母線電壓波形，由圖可知整個(gè)并網(wǎng)啟動(dòng)有3個(gè)階段：預(yù)充電階段、閉合主接觸器階段、并網(wǎng)發(fā)波階段，由圖可知母線電壓在啟動(dòng)過程中超調(diào)量很小，且啟動(dòng)后紋波峰峰值控制在3%以下，控制效果良好。

圖9 ESS1400集中整流器

圖10 EVQC63-180A750V充電機(jī)柜

圖11直流充電樁

圖12 PCS31-250 DC/DC變換器

圖13 BSR21-01-C儲(chǔ)能電池架

圖14 并網(wǎng)電流波形

圖15 并網(wǎng)電壓波形

圖16直流母線電壓波形

6 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，詳細(xì)闡述了基于直流母線快充站的系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)的電路拓?fù)洹⒖刂撇呗砸约跋到y(tǒng)控制框圖，結(jié)合Matlab仿真對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，根據(jù)工程合同搭建了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明本方案正確可行。基于直流母線的快充站系統(tǒng)，把儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)結(jié)合起來，利用峰谷電價(jià)差對(duì)儲(chǔ)能電池充放電，并對(duì)電動(dòng)汽車充電，不僅可以通過削峰填谷維護(hù)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，而且提高了充電站設(shè)備的利用率，故具有較高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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Analysis and research of a fast charging station based on DC bus

HE Chunlin1, 2, QI Jiajin1, 2, GAN Jianghua3, ZHENG Zhengxian1, 2, ZHU Jinwei2, LIU Lianqing3

(1. Hangzhou Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310016, China; 2. Hangzhou Dayou Science and Technology Development Co., Ltd, Hangzhou 310052, China; 3. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

In order to solve the insufficiency that the integration of energy storage and charging can’t be realized in traditional substation, this paper analyzes the development trend of domestic charging station system and presents a new technique based on DC bus charging station. Combining the energy storage system with the charging system through DC bus, a control method based on power control is proposed, which uses centralized controller to real-timely control each unit of system. It not only applies to multi-scenario application of the electric vehicles, but also satisfies the requirement of power grid to power regulation and control of electric vehicles in the future. Experiments show that this method can optimize the power supply mode of public charging facilities, promote the efficiency of charging facilities, and improve operation stability of public power grid, so it has better practicability.

new energy; DC bus; fast charging; power balance control; energy storage system

2017-08-15

何春林(1966—)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及智能用電技術(shù)。E-mail: dayou82@qq.com