0 引言

    隨著電動汽車的快速發(fā)展，電動汽車充電站的建設(shè)和運行方式已成為業(yè)內(nèi)的關(guān)注熱點^[1],。傳統(tǒng)的充電站單純依靠電網(wǎng)進行供電,，然而采用電網(wǎng)供電需要燃燒大量的化石燃料，這種模式的充電站不僅會給電網(wǎng)帶來巨大的沖擊,，而且實際的節(jié)能減排的效果甚微,，因此研究光儲式電動汽車充電站具有重要的意義^[2-5]。

    國內(nèi)外有很多學(xué)者和機構(gòu)對光儲式電動汽車充電站進行研究,，文獻[6]介紹了光儲式電動汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式,，實現(xiàn)了充電站微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式的切換，但是其儲能變換器只采用了電流環(huán)控制,，使得通過儲能單元來穩(wěn)定直流母線電壓的效果不是很好,；文獻[7]針對于微網(wǎng)系統(tǒng)提出了一種能量管理控制策略，根據(jù)光伏系統(tǒng)和蓄電池狀態(tài),，選擇變換器的工作模式,，實現(xiàn)光伏和蓄電池兩種電源協(xié)調(diào)工作，但其儲能裝置需要不停地充放電來保證直流母線的穩(wěn)定,，導(dǎo)致儲能元件的壽命縮短,；文獻[8]根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)運行特點,，選取直流母線電壓作為儲能單元切換開關(guān)和充放電電流參考信號標(biāo)量，實現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,，但是并未考慮儲能電池的過充過放問題,。

    本文介紹了光儲式電動汽車充電站的系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，為了減小了蓄電池充放電的頻率,，延長蓄電池的使用壽命,，提出了一種改進的儲能控制策略，并通過實驗驗證了該方法的有效性,。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行方式

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    圖1為光儲式電動汽車充電站系統(tǒng),，直流母線電壓設(shè)計為600 V，主要由光伏單元,、儲能單元,、電動汽車充電單元和中心控制單元組成。各單元的作用如下：(1)光伏單元主要由光伏電池板陣列和單向DC/DC變換器組成,，單向DC/DC變換器采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,，MPPT）控制；(2)儲能單元主要由蓄電池和雙向DC/DC變換器組成,，根據(jù)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)控制雙向變換器實現(xiàn)充換電站的能量調(diào)節(jié),；(3)根據(jù)充換電站的能量需求，在光伏陣列和儲能單元不能為負荷提供足夠的能量時,，需要控制DC/AC變換器使外部電網(wǎng)向充電站微網(wǎng)系統(tǒng)供電,，在光伏發(fā)電充足時，控制DC/AC變換器將多余電能送到電網(wǎng),；(4)中心控制單元通過系統(tǒng)整體的控制策略協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各個單元的運行,。

1.2 充換電站的運行方式

    系統(tǒng)的運行模式分為以下幾種：

    工作模式1：當(dāng)光伏電源提供的電能滿足充電負載所需或配電網(wǎng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)獨立運行,。這時光伏電源提供給充電負載的多余電能將儲存在儲能單元當(dāng)中,。此時的功率平衡方程為：

式中，P_pv為光伏發(fā)出的功率,，P_{chuxi_bat}為儲能單元吸收的功率,，P_{ev_bat}為充電機為電池提供的功率。

    工作模式2：當(dāng)光伏電源提供的電能不滿足充電負載所需,，且系統(tǒng)獨立運行,。這時需要儲能單元放電來維持功率的平衡。此時的功率平衡方程為：

式中,，P_{chufa_bat}為儲能單元發(fā)出的功率,。

    工作模式3：當(dāng)光伏和儲能電池共同作用不可以滿足需求時，系統(tǒng)并網(wǎng)運行,，不足的功率由電網(wǎng)通過并網(wǎng)變流器提供,。此時的功率平衡方程為：

式中,，P_gridfa為配電網(wǎng)發(fā)出的功率。

    工作模式4：當(dāng)光伏電源發(fā)出的功率可以滿足需求并且儲能電池已到充電的極限時,，系統(tǒng)并網(wǎng)運行,，盈余的功率由直流微電網(wǎng)通過并網(wǎng)變流器接入電網(wǎng)。此時的功率平衡方程為：

式中,，P_gridxi為配電網(wǎng)吸收的功率,。

2 電動汽車充電站運行控制

    對于光儲式電動汽車充電站，直流母線的電壓穩(wěn)定是反映系統(tǒng)功率平衡的重要指標(biāo),。本系統(tǒng)直流母線電壓的穩(wěn)定需要各個單元的協(xié)調(diào)控制,，其中包括光伏電池的最大功率跟蹤的實現(xiàn)，儲能單元的充放電控制,，直流微網(wǎng)與電網(wǎng)之間能量轉(zhuǎn)換的控制。

2.1 光伏發(fā)電最大功率跟蹤

    本文采用擾動觀察法實現(xiàn)光伏的最大功率點跟蹤,。其原理是通過擾動光伏板的輸出電壓,，觀測功率的變化情況，若擾動后的輸出功率大于擾動前,，則繼續(xù)增加擾動,，使電壓隨同方向變化；反之,，則施加擾動,，使電壓往反方向變化，直至找到最大的功率輸出點,。最大功率跟蹤算法流程圖如圖2所示,。

2.2 儲能單元的控制

    儲能單元通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連接，圖3所示為雙向DC/DC變換器的結(jié)構(gòu),，其中U_bat為儲能電池的端電壓,；L為儲能側(cè)電感；I_o為變換器到母線之間的電流,；U_dc為母線側(cè)電壓,。

    雙向DC/DC變換器具有Buck模式和Boost模式雙重功能。當(dāng)T2管工作,，T1管關(guān)斷時,，雙向DC/DC變換器處于Boost模式，儲能電池處于放電狀態(tài),，此時以電感電流I_bat和電容電壓U_dc作為狀態(tài)變量,，采用平均狀態(tài)方法可以得到狀態(tài)方程為：

    同理，當(dāng)電路工作在Buck狀態(tài)時,，T1管工作,，T2管關(guān)斷,，可推出Buck狀態(tài)下電流環(huán)的控制方程為：

    充電站系統(tǒng)對變換器采用電壓電流雙環(huán)控制，在已有的控制方程基礎(chǔ)上加入電壓外環(huán),，將反饋的實際母線電壓與參考值進行比較,，所產(chǎn)生的差值作為PI的輸出信號，輸出信號為電流的參考值,?？傻玫诫妷弘娏麟p環(huán)控制框圖如圖4所示。

    在系統(tǒng)中直流母線電壓的穩(wěn)定是在一種存在著小范圍波動的穩(wěn)定,，這種波動使得儲能端雙向DC-DC變換器頻繁切換工作模式,，導(dǎo)致儲能電池頻繁地充放電來維持直流母線電壓的穩(wěn)定。為了避免這種情況,，本文采用分層控制方法進行控制,，如圖5所示，將直流電壓分為三部分,，U_h1和U_l1為設(shè)定的兩個閾值,，是儲能電池充電和放電的臨界值，考慮到直流母線電壓不宜過大地波動,，U_h1設(shè)定為610 V,，U_l1設(shè)定為590 V。

2.3 并網(wǎng)單元的控制

    當(dāng)光伏電源發(fā)出的電能不能滿足充電站負荷且電池達到放電極限時需要接入電網(wǎng)維持直流母線電壓的穩(wěn)定,；當(dāng)光伏電源輸出的電能遠超過充電站所需并且電池已經(jīng)達到充電極限時也需要接入電網(wǎng),，使盈余的電能能夠逆變上網(wǎng)。以上兩種情況需要實現(xiàn)電網(wǎng)與充電站間能量的雙向流動,，所以要求并網(wǎng)變流器既可以工作在整流狀態(tài)也要能工作在逆變狀態(tài),，圖6所示為本文采用的三相PWM雙向變流器結(jié)構(gòu)圖。

    圖中e_a,、e_b,、e_c表示網(wǎng)側(cè)的三相電源電壓，R為阻尼電阻,，L為濾波電感,。假設(shè)電網(wǎng)是理想化的三相對稱電壓源，則有：

式中：e_d,、e_q分別為變流器交流電源電壓的d,、q分量；i_d,、i_q分別是變流器交流側(cè)電流的d,、q分量；U_d、U_q分別為變流器交流側(cè)電壓的d,、q分量,；S_d、S_q分別為開關(guān)函數(shù)的d,、q分量,。

    對于并網(wǎng)單元控制系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，如圖7所示,。電壓外環(huán)主要維持直流母線電壓的穩(wěn)定,，并且電壓的參考值與實際母線電壓的差值經(jīng)過PI控制器輸出后級指令電流的參考值；電流內(nèi)環(huán)使得交流側(cè)電流跟蹤電壓外環(huán)輸出的指令電流參考值,。為了實現(xiàn)無功功率流動為零,，令q軸的指令電流參考值為零，從而更好地實現(xiàn)變流器在逆變和整流兩種工作狀態(tài)之間的切換,。

2.4 充電站系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

    因為儲能電池的電量在一定的范圍內(nèi)才能進行正常的充放電,，當(dāng)儲能電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）低于20%時,，防止電池由于過放導(dǎo)致?lián)p壞,，儲能電池便不再放電，同時接入電網(wǎng)維持直流母線電壓的穩(wěn)定,。同理，當(dāng)儲能電池SOC高于80%時,，儲能電池不再充電,，接入電網(wǎng)使得盈余電能能夠通過變流器逆變上網(wǎng)，從而達到電網(wǎng)的自動控制,。根據(jù)上述情況,，可以得到系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制的流程圖如圖8所示。

3 實驗驗證

    搭建了母線電壓為25 V的實驗平臺,，光伏電池用直流穩(wěn)壓源代替,，儲能電池采用12 V，2.6 Ah的鋰電池,，充電站的負荷由電子負載代替,，實驗主要針對光照充足和光照不足及兩種狀態(tài)之間的切換進行驗證。

    在光照充足的情況下,，光伏系統(tǒng)供電充足,，此時儲能電池工作在充電狀態(tài)，且直流母線電壓穩(wěn)定在28 V,。在60 ms時,，負載由150 Ω下降至45 Ω，模擬充電站的負荷變化，此時母線電壓有小范圍的波動并很快穩(wěn)定在28 V,，充電電流從1.8 A下降至1.4 A,，如圖9所示。

    在光照不足的情況下,，光伏供電不足,，此時儲能電池工作在放電狀態(tài)，且直流母線電壓穩(wěn)定在22 V,。在60 ms時,，負載由150 Ω下降至45 Ω，此時母線電壓有小范圍的波動并很快穩(wěn)定在22 V,，放電電流從0.2 A上升至1 A,，如圖10所示。

    如圖11所示,，在60 ms時,，系統(tǒng)由光照充足切換到光照不足，用于模擬光伏電源的隨機性,。從圖中可以看出母線電壓由28 V迅速跳變到22 V,，儲能電流也由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)光伏電池輸出和儲能電池荷電狀態(tài),，將系統(tǒng)分為四種工作模式,，針對這種情況提出了電動汽車充電站系統(tǒng)的控制策略，使得系統(tǒng)內(nèi)各單元能夠協(xié)調(diào)運行,，在不同的模式下均能使系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)功率,，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

    考慮到儲能電池頻繁充放電對其使用壽命的影響,，采用了母線電壓分層控制的方法,，根據(jù)不同的母線電壓層級確定儲能電池的工作狀態(tài)，使得儲能單元能夠在不同的電壓層級下有效運行和平穩(wěn)切換,，實現(xiàn)了對儲能單元的保護,。

    通過實驗驗證了本文針對光儲式電動汽車充電站充放電控制策略的有效性和準(zhǔn)確性。

參考文獻

[1] MID-EUM C,，SEONG-WOO K,，SEUNG-WOO S.Energy management optimization in a battery/supercapacitor hybrid energy storage system[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2012,，3(1)：463-472.

[2] VANDOORN T L,，KOONING J D M D，MEERSMAN B,，et al.Voltage-based control of a smart transformer in a microgrid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,，2012，60(4)：1291-1305.

[3] YU X，SHE X,，NI X,，et al.System integration and hierar-chical power management strategy for a solid-state trans-former interfaced microgrid system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014,，29(8)：4414-4425.

[4] 程啟明,，徐聰，程尹曼,，等.基于混合儲能技術(shù)的光儲式充電站直流微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制[J].高電壓技術(shù),，2016，42(7)：2073-2083.

[5] 陳曉光,，徐冰亮,，董爾佳，等.光儲式電動汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)研究[J].黑龍江電力,，2016,，38(2)：123-126.

[6] 陳根，程啟明,，程尹曼,，等.光儲式電動汽車充電站微網(wǎng)運行及V2G實現(xiàn)研究[J].華東電力，2014,，42(6)：1168-1174.

[7] 廖志凌,，阮新波.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2009,，29(21)：46-52.

[8] 姜世公,，李琰，王衛(wèi).一種微網(wǎng)系統(tǒng)孤島運行條件下的能量管理策略[J].電工技術(shù)學(xué)報,，2014,，29(2)：130-135.

作者信息：

張  莉,，張  松

（大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院,，遼寧 大連116024）