0 引言

    隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)和運(yùn)行方式已成為業(yè)內(nèi)的關(guān)注熱點(diǎn)^[1]。傳統(tǒng)的充電站單純依靠電網(wǎng)進(jìn)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(huì)給電網(wǎng)帶來巨大的沖擊，而且實(shí)際的節(jié)能減排的效果甚微，因此研究光儲(chǔ)式電動(dòng)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(jī)構(gòu)對(duì)光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[6]介紹了光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式，實(shí)現(xiàn)了充電站微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式的切換，但是其儲(chǔ)能變換器只采用了電流環(huán)控制，使得通過儲(chǔ)能單元來穩(wěn)定直流母線電壓的效果不是很好；文獻(xiàn)[7]針對(duì)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(shí)現(xiàn)光伏和蓄電池兩種電源協(xié)調(diào)工作，但其儲(chǔ)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(chǔ)能元件的壽命縮短；文獻(xiàn)[8]根據(jù)微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，選取直流母線電壓作為儲(chǔ)能單元切換開關(guān)和充放電電流參考信號(hào)標(biāo)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，但是并未考慮儲(chǔ)能電池的過充過放問題。

    本文介紹了光儲(chǔ)式電動(dòng)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(jìn)的儲(chǔ)能控制策略，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

    圖1為光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站系統(tǒng)，直流母線電壓設(shè)計(jì)為600 V，主要由光伏單元、儲(chǔ)能單元、電動(dòng)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(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制；(2)儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)能單元不能為負(fù)荷提供足夠的能量時(shí)，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(shí)，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(gè)單元的運(yùn)行。

1.2 充換電站的運(yùn)行方式

    系統(tǒng)的運(yùn)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(fù)載所需或配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。這時(shí)光伏電源提供給充電負(fù)載的多余電能將儲(chǔ)存在儲(chǔ)能單元當(dāng)中。此時(shí)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(chǔ)能單元吸收的功率，P_{ev_bat}為充電機(jī)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(fù)載所需，且系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。這時(shí)需要儲(chǔ)能單元放電來維持功率的平衡。此時(shí)的功率平衡方程為：

式中，P_{chufa_bat}為儲(chǔ)能單元發(fā)出的功率。

    工作模式3：當(dāng)光伏和儲(chǔ)能電池共同作用不可以滿足需求時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，不足的功率由電網(wǎng)通過并網(wǎng)變流器提供。此時(shí)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(chǔ)能電池已到充電的極限時(shí)，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)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(shí)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(dòng)汽車充電站運(yùn)行控制

    對(duì)于光儲(chǔ)式電動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)，儲(chǔ)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(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)光伏的最大功率點(diǎn)跟蹤。其原理是通過擾動(dòng)光伏板的輸出電壓，觀測功率的變化情況，若擾動(dòng)后的輸出功率大于擾動(dòng)前，則繼續(xù)增加擾動(dòng)，使電壓隨同方向變化；反之，則施加擾動(dòng)，使電壓往反方向變化，直至找到最大的功率輸出點(diǎn)。最大功率跟蹤算法流程圖如圖2所示。

2.2 儲(chǔ)能單元的控制

    儲(chǔ)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(chǔ)能電池的端電壓；L為儲(chǔ)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(shí)，雙向DC/DC變換器處于Boost模式，儲(chǔ)能電池處于放電狀態(tài)，此時(shí)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(shí)，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(duì)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(shí)際母線電壓與參考值進(jìn)行比較，所產(chǎn)生的差值作為PI的輸出信號(hào)，輸出信號(hào)為電流的參考值。可得到電壓電流雙環(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(dòng)的穩(wěn)定，這種波動(dòng)使得儲(chǔ)能端雙向DC-DC變換器頻繁切換工作模式，導(dǎo)致儲(chǔ)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(jìn)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(gè)閾值，是儲(chǔ)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(dòng)，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(fù)荷且電池達(dá)到放電極限時(shí)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(yuǎn)超過充電站所需并且電池已經(jīng)達(dá)到充電極限時(shí)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與充電站間能量的雙向流動(dòng)，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(duì)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(duì)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(shí)際母線電壓的差值經(jīng)過PI控制器輸出后級(jí)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(shí)現(xiàn)無功功率流動(dòng)為零，令q軸的指令電流參考值為零，從而更好地實(shí)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?yàn)閮?chǔ)能電池的電量在一定的范圍內(nèi)才能進(jìn)行正常的充放電，當(dāng)儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）低于20%時(shí)，防止電池由于過放導(dǎo)致?lián)p壞，儲(chǔ)能電池便不再放電，同時(shí)接入電網(wǎng)維持直流母線電壓的穩(wěn)定。同理，當(dāng)儲(chǔ)能電池SOC高于80%時(shí)，儲(chǔ)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(dá)到電網(wǎng)的自動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    搭建了母線電壓為25 V的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，光伏電池用直流穩(wěn)壓源代替，儲(chǔ)能電池采用12 V，2.6 Ah的鋰電池，充電站的負(fù)荷由電子負(fù)載代替，實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)光照充足和光照不足及兩種狀態(tài)之間的切換進(jìn)行驗(yàn)證。

    在光照充足的情況下，光伏系統(tǒng)供電充足，此時(shí)儲(chǔ)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(shí)，負(fù)載由150 Ω下降至45 Ω，模擬充電站的負(fù)荷變化，此時(shí)母線電壓有小范圍的波動(dòng)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(shí)儲(chǔ)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(shí)，負(fù)載由150 Ω下降至45 Ω，此時(shí)母線電壓有小范圍的波動(dòng)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(shí)，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(jī)性。從圖中可以看出母線電壓由28 V迅速跳變到22 V，儲(chǔ)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(chǔ)能電池荷電狀態(tài)，將系統(tǒng)分為四種工作模式，針對(duì)這種情況提出了電動(dòng)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(yùn)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(yùn)行。

    考慮到儲(chǔ)能電池頻繁充放電對(duì)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(jí)確定儲(chǔ)能電池的工作狀態(tài)，使得儲(chǔ)能單元能夠在不同的電壓層級(jí)下有效運(yùn)行和平穩(wěn)切換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)能單元的保護(hù)。

    通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文針對(duì)光儲(chǔ)式電動(dòng)汽車充電站充放電控制策略的有效性和準(zhǔn)確性。

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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）