戶外車位式小沖擊負荷的直流充電站的研制

郭青龍

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戶外車位式小沖擊負荷的直流充電站的研制

郭青龍

(廣東綠網新能源科技有限公司, 廣東 珠海 519060)

本文研究設計了一種戶外車位固定式安裝用的小沖擊負荷直流快速充電站系統。該站系統容量下配備2個能對電動汽車同時或獨立實施直流充電樁的管理子系統。該技術方案采用太陽能、風能發電與市電組合對儲能系統補電的一體化集成方案，對應用點市電的負荷沖擊很小。本集成技術方案為戶外公路或已有露天停車場、加油站點工況下的直流充電站提供了選擇性思路。這種措施下的車位固定式安裝電動汽車快速充電站系統，可以滿足安裝使用地點的供電穩定與電網安全、駛入電動汽車充電、補電需求，是一種有效雙贏的快速充電站用技術系統。

沖擊負荷；直流充電樁；新能源發電；儲能系統；戶外車位

0 引言

隨著當前各式移動式或固定式電動汽車充電樁的安裝，電動汽車充電的隨機接入給配電網帶來了不可忽視的影響。作為快速充電的直流充電樁雖然都有自己獨立的很多相關控制與管理技術，但由于快速充電系統屬于配網終端的大功率負載，鑒于這種大功率負載的使用具有時空隨機性強的特點[1]，可能造成充電時間過度重疊或者是充電集中服務地段的配電網負荷過載[2]，為確定配網終端供電的穩定性與電能質量需求，某些區域在現有技術系統結構下對大容量快速充電站甚至需要采用10 kV電網專用分配負荷下的配電網絡與線路才能建設[3]，當然也有一些離網式儲能充電站采用太陽能發電系統設計完成建設[4-6]。結合大量文獻對充電站的經濟運行及建站選址定容的研究來看[7-13]，雖然逐步完善和優化配電網絡[14]是一個方面，但這些文獻指出的幾類方式仍沒有充分評估項目實施時一些客觀現實問題。比如：① 專用線路充電站與市電網聯接由于涉及到供電負荷的分配與當地用戶條件下的電能質量管理，從供電技術來說，往往受到一些不可抗拒的限制條件(申請專用10 kV高壓負荷線路或大功率低壓用電終端用戶而增加升級電力變壓器容量等)而無法落實安裝建設。② 全離網式充電站因與市電電網完全隔離，雖然不涉及電網專用線路，但由于相關環境和系統結構導致適用性與分布布置靈活性降低，從而降低系統的有效利用率，市場接收度很低。③ 按照當地配電網接納能力建設充電站的方法與電動汽車跨區域出行需求之間存在很大程度的不匹配。也即充電站的實際建設并不是全部按照基礎設施的配套建設全由政府處理，同時電動車用戶按照之前的汽油車應用習慣來處置自己的駕駛、停放及充電行為，使得充電樁的應用存在不確定的時空分布特點[15]。故此，著眼于汽油車應用習慣的電動汽車充電領域的突破點是尋求有效利用原有工農業配網供電線路容量，實現終端用戶額定負載下的符合電網供電穩定與質量管理要求，本文正是對此做出的設計選型方案。

1 總體結構

基于實際應用和沖擊負荷的綜合考慮，本文設計完成了一種基于三路電源輸入的儲能系統充電樁站系統[16]。這一系統基于戶外已有停車站場的應用環境，組建設計如圖1所示的各功能單元并工廠化集成，實現風能與太陽能發電獨立輸入，外加常規配網市電限定容量的三端輸入模式對儲能系統充電，由儲能系統對外傳送電能的就地快速建設。

圖1 系統方框圖

為確保集成系統的穩定有效輸出，系統采用直流母線系統聯合整體功能管理及性能平衡的核心控制MCU(Microcontroller Unit)方案：電源補充輸入端管理MCU、儲能系統直流母線監管MCU和對汽車充電組件管理的內置MCU。它們在系統中按照約定模式完成對應功能模塊下進行基于制約輔助通訊信息條件的控制指令處理與輸出，相對獨立而又相互“提醒”協調系統指令，完成對儲能系統的充放電管理和輸入輸出的電流限制保護管理。系統中增加的一組基于風光發電的儲能電池組則是基于整體系統管理單元的供電維持與安全而設計。

1.1 光伏與風電

由于風電、光伏等可再生能源均存在一系列不穩定、不連續等缺點，故在中小型應用場合中，只有充分利用這些不同能源之間的互補性才能獲得比較穩定的有意義的電能[17-18]，當然也有研究針對風光互補發電系統進行的優化設計[19]。而直流充電樁需要短時大電流負荷輸出，后續的能量補充即時性需求顯然更需要對其充電裝置進行小沖擊負荷下的優化設計方可有效降低發電成本和運行成本，降低充電樁對電網的功率依賴[4]。結合戶外應用及其集成系統的占地面積與可利用空域的可能性，考慮到成本與建設復雜性，光伏板采用戶外箱頂固定角度安裝方式，風力發電機組采用外箱對角側綁落地固定雙機并聯運行。在綜合系統性價比后，技術方案選擇設計一種雙端口輸入離網型變換器實現雙電源的同時有效利用和最小化功率損耗應用：光伏發電120 V輸入，風力發電96 V輸入。

1.2 儲能輸入

為良好協調充電樁的應用體驗，本文設計了基于直流母線的本地能量信息管理控制機制下的多源微電網系統[20]，這種系統以新能源發電全數接納和配網市電關鍵補充為控制核心，實現一種全時段補給、分時段補充的能量輸入控制。儲能補充輸入切換控制基本流程如圖2所示。

圖2 輸入切換控制流程圖

電源補充輸入端管理MCU在監測本地輸入端信息的同時還接受來自外部的協同控制指令與谷電設定中斷控制，并通過控制流程完成應有的輸入端切換協調系統整體能量的有效管理。當輸入補充能源無法按照預計維持儲能系統的基本能量維持時，控制程序會給出強制關閉輸出端充電機的啟動指令渠道，進而保證儲能緩沖系統的良好循環與控制以期實現最大效益[21]。此狀態下時，只有當輸入端被強制切換至大于32 A市電電流輸入時，汽車充電樁才能進入待充電狀態，否則將一直等待直流母線的電壓恢復后自動返回正常工作流程。

特定地，當本技術方案下產品應用場所的配網市電線路容量容許時，儲能輸入控制采用全時段谷電中斷軟開關方式實施輸入線路總能量管理。這種處理策略能在最大化利用新能源發電提高建設性價比的同時保持儲能系統在接收電動汽車充電負荷時的緩沖能力，進而提升終端用戶所在配網供電網路的穩定運行性能。

1.3 儲能系統

單從光伏或風能的利用率及對電網的影響角度說，合理利用儲能技術是提高可再生能源發電接納能力的有效技術之一，同時也對電網的運行經濟性等產生更多的積極作用[22]。同時，對應于當前較為關注的V2G(Vehicle to Grid)技術而言，如何提高電力供需平衡且減小對電網的負荷沖擊具有不可忽視的積極意義。儲能系統的引入，不僅可以有效增加電源的備用容量，而且可以實現調節符合峰谷差或者是電動汽車充電離開時間的能量自我恢復周期[23]。同時，對于儲能系統而言，電池的充放電管理BMS (Battery Management System)也是電池儲能系統BESS(Batter Energy Storage System)能否良好發揮這一性能的重要因素之一。當BESS中電池出現充電不足或者過充等不良時，會因為這些電池本體結構導致電池容量下降影響系統的性能。所以BESS對儲能電池的充電方式或是能量的有效補充對系統的性能有著重大影響。

本文的研究方向是利用既有的儲能技術，并使之成為緩沖負載沖擊負荷的尖峰能量[24-26]。通過配置合適的容量，方案采用動力電池-超級電容器組成的混合方式組成儲能單元，充分利用超級電容響應速度快、功率密度高等特點，并結合動力電池梯度利用時依舊可以儲存幾倍于尖峰負荷能量、充電負荷多種隨機性因素下的隨機服務過程等因素，獲取簡潔有效的儲能系統總容量，以期獲得投資成本最低狀態下的技術經濟效益。

2 組件設計

系統設計集成時，首先考慮的是高速公路停車點、加油站停車服務區點及戶外大型停車場等場所，并基于這些場所的車輛停留時間不長等因素，借助環境優勢，采用風能光伏發電與市電協同補充儲能系統，減小快速充電站對接入對配電網的不利影響和短時間內對市電容量的依賴程度[21]。不過，傳統上的風光互補系統是把風電和光伏單純并聯，因電壓電流等因素并不能同時給負載供電，易造成資源浪費。雖也有一些風光互補系統采用各自獨立變換器實現，但對小型風光互補系統并不適用[27]。在風光互補能源系統中太陽能陣列電池是低壓源，而風力發電則被設置成了高壓源，相對地，可以利用這個特點來設置一種新的變換器電能轉換簡化結構提高系統發電能力[28]。圖3所示是常規混合供電(圖3(a))與本文設計的基本系統(圖3(b))結構對比圖。也有同樣采用雙輸入端口電路的方案[29]，使得這種結構能滿足低成本與簡單化控制策略下各自獨立供電的能量管理集約型需求。但是這些管理并不適用于本技術方案的實際用電管理，所以新系統采用了新的雙輸入方式實現電源能量的最大利用率。

圖3 混合儲能結構對比圖

2.1 控制系統

對應光伏發電對電動汽車充電系統整體設計而言國內外已有諸多研究與試驗，不過這些控制系統大體系統集成基于結構、控制策略或調度模型、運行效率與經濟效益評價等問題研究[30-32]。而本文是基于實際應用與經濟適用性來考慮集成系統的控制的，特別是把新能源的最大化利用與動力電池的梯度利用作為儲能系統關鍵部件的技術思路來完成設計。本方案設計時采用了如圖4及圖5所示的方式，實現儲能輸入充電和基于直流母線的對外通過專用充電機對電動汽車充電的管理模式。

圖4 儲能輸入管理

圖5 儲能系統管理

按照設計方案，本系統中采用的儲能電池是降級使用的動力電池，雖然當前對優化配置這些電池容量問題下的梯度利用方式尚存在需要處理的技術因素[27]，但系統是以光伏、風能與配網市電三端電源輸入狀態下的最大利潤為目標，進而采用一種基本充放電能量測試挑選的方法滿足系統需求。

本技術方案在儲能系統管理中引入了成熟技術的獨立BESS系統而不是常規儲能充放粗獷監控，為使得儲能電池的階梯利用性能發揮到最優狀態。而分支管理中的欠壓計費中斷控制程序，則主要基于直流母線欠壓狀態下禁止汽車充電機的快速充電計費模式自動關閉，從而提醒應用者了解系統故障而自覺終止操作。由于系統集成時采用的是超級電容器與電池的混合型儲能單元，為避免高峰放電后儲能系統再次接入配電市電時帶來不必要的負荷沖擊，進而選擇了谷電時段的儲能單元分組機械投切到能量補充狀態，進一步完善集成系統的小沖擊負荷性能。

2.2 雙端變換器

目前多輸入直流變換器基于設計目的不同電路結構拓撲有著各自的控制與特點，本項目借鑒脈沖電壓源單元反激型半橋變換器的電路特點[28]，綜合各電路的優缺點變化得到如圖6所示不對稱式雙輸入直流變換器。

圖6 變換器拓撲結構

本轉換器選用主從方式管理兩路功率輸入：先滿足門檻的電壓源最先進入第一電源輸入啟動控制模式，第二電壓源在符合啟動門檻后隨之默認進入第二電源接入模式，主控管Q1與Q2端實現互補導通控制。電路優化處理時，因在類似的脈沖直流變換器串聯組合中，反極性串聯所需要的隔直電容較小且兩電源有公共地而更具實際應用意義。同時，由于實際工作中肯定存在只有一路電源投入工作的運行狀況，所以在電路中采用輔助控制開關管Q3與Q4，實現零關斷以簡化電路結構提高能源輸出。為匹配負載電壓與偏磁方面考慮[33-34]，采用了帶隔直電容的倍壓整流電路結構。

3 結論

本文所述裝置在V2G應用技術中是一種用戶友好型系統裝置。按照本項目下的技術理論并以工廠化量產為主要目的設計制作了工程樣機方案。作為戶外型儲能充電樁站，由于減小了工況限制環境下對市電配電網絡的容量要求，為高速公路停車場、加油站點布置直流充電樁增加了預期可能性參考選型方案。從實際戶外的布置測量和試驗結果可知，在本系統方案下的風光發電與市電網絡谷電補充充電儲能的汽車直流充電樁的技術方案下，當系統使用150 AH電池組、汽車充電最大輸出650 V/120 A 的情況下，市電網絡輸入小于32 A即可滿足理論快速充電后儲能系統的能量補充要求。當然，對照工廠試驗的情況可知，這個數據成立的前提是裝置系統布置點的環境日均風速為1.6~3.3 m/s、時間不少于8 h、光照時間不小于4 h工況。同時，長期的市電供電被限制在32 A時，在大負載整體系統被接入時(電動汽車快速充電)，儲能系統的后續能量補充效果大大被削弱，電動汽車充電離開時間間隔被拉長。作為V2G應用技術的一部分，本文所述技術方案下的戶外場所直流充電樁建設方案的優越性是非常顯著且有意義的。特別地，基于應用技術而設計的風電與光伏的雙回路最大效率輸出應用，在各類中小功率的供電聯合應用場合有著很好的借鑒意義與推廣價值。

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Development of a small impulse load DC charging pile for outdoor parking spaces

GUO Qinglong

(Green-net New-energy Technology Co., Ltd., Zhuhai 519060, China)

This paper introduces the fast charging electric vehicle station of small impulse load is used for outdoor parking directly placed. The two DC charging piles controlled by the subsystem control can work simultaneously or work independently, which is the standard configuration of the capacity of the energy storage charging station system. The energy complement of the integrated energy storage system is completed by solar power generation, wind power generation and commercial power supply hybrid control input, while the storage system allows the user terminal distribution impact load on the grid is very little. The scheme is the technical support for the construction of DC charging piles for the parking spaces on the side of the highway (parking), outdoor parking and service area of the filling station. This mutual benefit and all-win comes from the DC charging station construction technology program that can be directly placed in the parking area. It also comes from the integration of the DC charging station and the new energy power generation system technology. What’s more, it can realize the stability and safety of the end-user distribution network while providing the energy supplement for the electric vehicles.

impulse load; DC charging pile; new energy power generation; distributed energy storage system (DESS); outdoor parking space

2017-09-11

郭青龍(1975—)，男，本科，高級工程師，從事直流電源與智能電器的研制工作。E-mail：13326669315@163.com