充放儲(chǔ)一體化電站孤島運(yùn)行的離網(wǎng)及維持控制策略

劉高維，馮俊淇，余志文，賈玉健，解 大

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

電動(dòng)汽車是零排放、零污染的新能源綠色產(chǎn)品， 具有良好的發(fā)展前景.隨著電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用［1］，作為未來(lái)電網(wǎng)中比重龐大的負(fù)荷，同時(shí)又兼具大規(guī)模能量存儲(chǔ)能力的電動(dòng)汽車電池，在實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的過(guò)程中，勢(shì)必要扮演一個(gè)舉足輕重的角色［2-4］.電動(dòng)汽車的動(dòng)力服務(wù)作為一項(xiàng)龐大的負(fù)荷，將可能占據(jù)整個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷的極大比重，其運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)安全會(huì)產(chǎn)生重大影響；而另一方面，電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池作為一種儲(chǔ)能裝置，其能量存儲(chǔ)的總量對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)又是一種保障和優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行的積極資源［5］.

從國(guó)外電動(dòng)汽車充電站的實(shí)際情況來(lái)看，根據(jù)技術(shù)與充電方式的不同，電動(dòng)汽車充電站的運(yùn)營(yíng)模式可以分為“整車充電”與“電池更換”2種模式［6］.近幾年隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，集電動(dòng)汽車換電站、充放電站、儲(chǔ)能站、梯次電池利用功能為一體的充放儲(chǔ)一體化電站有著可觀的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)越來(lái)越多的一體化電站系統(tǒng)并接到電網(wǎng)上時(shí)，就帶來(lái)了電網(wǎng)保護(hù)的新現(xiàn)象——孤島現(xiàn)象.

孤島現(xiàn)象是指當(dāng)電網(wǎng)由于電氣故障或自然因素等原因中斷供電時(shí)，充放儲(chǔ)一體化電站系統(tǒng)仍然向周圍的負(fù)載供電，從而形成一個(gè)電力公司無(wú)法控制的自給供電孤島.如果不采取有效的孤島運(yùn)行控制策略，會(huì)產(chǎn)生許多嚴(yán)重的后果，如孤島中的電壓和頻率無(wú)法控制，可能會(huì)對(duì)部分設(shè)備造成損壞；孤島中的線路仍然帶電，可能會(huì)危及檢修人員的人身安全等.可見(jiàn)，研究充放儲(chǔ)一體化電站孤島運(yùn)行離網(wǎng)及維持控制策略具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［7］.

1 充放儲(chǔ)一體化電站簡(jiǎn)介

上海嘉定安亭集中充換放儲(chǔ)一體化電站于2011年11月奠基，這是上海市電力公司承擔(dān)的國(guó)家“863”計(jì)劃“先進(jìn)能源技術(shù)領(lǐng)域智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（一期）”項(xiàng)目中，電動(dòng)汽車智能充放儲(chǔ)一體化電站系統(tǒng)及工程示范課題的配套工程，也是上海首座集乘用車、商用車充換放儲(chǔ)電于一體的電站.

該電站位于上海電動(dòng)汽車國(guó)際示范區(qū)嘉定安亭鎮(zhèn)，占地2 513.1m3，設(shè)計(jì)負(fù)荷容量1 900kV·A.站內(nèi)設(shè)5kW充電樁19臺(tái)、35kW快速充電機(jī)2臺(tái)及乘用車電池快換系統(tǒng)、商用車電池快換系統(tǒng)各1套.這些裝置可同時(shí)為19輛乘用車提供慢速常規(guī)充電，為2輛乘用車快速充電，同時(shí)可為40輛乘用車和12輛商用車提供電池更換服務(wù).

充放儲(chǔ)一體化電站融合了換電站、充放電站、儲(chǔ)能站、梯次利用等多種功能，在滿足電動(dòng)汽車能源供給的同時(shí)降低了電動(dòng)汽車使用成本，作為儲(chǔ)能為電網(wǎng)提供靈活、安全、可靠的用電以及其他增值服務(wù)，該體系將助推電動(dòng)汽車發(fā)展，支持智能電網(wǎng)建設(shè)，提高資源利用效率.

電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化站應(yīng)當(dāng)分別實(shí)現(xiàn)充電站、更換站、儲(chǔ)能站的功能，滿足電動(dòng)汽車能源供給，提高電池利用效率，并且能夠?qū)?chǔ)能電池以及功率、能量進(jìn)行優(yōu)化控制，與電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)與互動(dòng)，為電網(wǎng)提供增值服務(wù)，一定程度上改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)多方共贏.為了實(shí)現(xiàn)一體化站多項(xiàng)功能，一體化站應(yīng)當(dāng)具備調(diào)度中心、多用途變流裝置、電池充換電系統(tǒng)以及梯次電池利用系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 充放儲(chǔ)一體化站總體結(jié)構(gòu)Figure 1 General layout of EV integrative station

圖1展示了一體化站的主要組成部分：調(diào)度中心、多用途變流裝置、電池更換系統(tǒng)、梯次電池系統(tǒng).一體化站的子系統(tǒng)承擔(dān)著一體化站的各項(xiàng)功能，各部分功能互異，但又互相聯(lián)系，并共享上級(jí)信息，在調(diào)度中心的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下，使一體化站正常工作在各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中，從而在較優(yōu)的狀態(tài)下完成基本一體化站的基礎(chǔ)功能——對(duì)電動(dòng)汽車功能，以及拓展輔助功能——對(duì)電網(wǎng)的輔助服務(wù)［8-12］.

充放儲(chǔ)一體化電站工程建設(shè)系統(tǒng)主要包括整車充電系統(tǒng)、電池快換系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)以及分控中心.

整車充電系統(tǒng)：包括室外場(chǎng)地，乘用車快速充電位，配置2臺(tái)35kW直流充電機(jī)；地下車庫(kù)，乘用車慢充車位，配置10臺(tái)5kW交流充電樁，預(yù)留遠(yuǎn)景擴(kuò)容空間；立體充電車庫(kù)，乘用車慢充車位，配置9臺(tái)5kW交流充電樁.

乘用車快換充電系統(tǒng)：設(shè)置1個(gè)換電工位，設(shè)計(jì)換電能力為40車次／日；整系統(tǒng)主要包括移動(dòng)充電倉(cāng)、電池轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)、半自動(dòng)換電機(jī)械手等.

商用車快換系統(tǒng)：設(shè)置1個(gè)換電工位，設(shè)計(jì)換電能力為20車次／日；主要包括電池箱、充電機(jī)柜、電池架、電池快速更換設(shè)備等.

10kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用10kV雙路電源進(jìn)線；采用單母線接線，不設(shè)置分段開(kāi)關(guān)；采用中置式開(kāi)關(guān)柜，設(shè)進(jìn)線計(jì)量柜、PT及避雷器柜和出線柜；布置于地下一層，進(jìn)線計(jì)量柜電纜上進(jìn)線，饋線柜母排上出線.

0.4 kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：?jiǎn)文妇€分段接線；采用抽屜柜形式；設(shè)置進(jìn)線柜、饋線柜、分?jǐn)嗦?lián)絡(luò)柜、有源濾波柜和無(wú)功補(bǔ)償柜.

配電變壓器：采用干式低損耗節(jié)能型變壓器；計(jì)算負(fù)荷遠(yuǎn)景為充換電站負(fù)荷1 860kV·A；選用2臺(tái)1 600kV·A的配電變壓器，負(fù)荷率為0.58，1臺(tái)停運(yùn)保證86%負(fù)荷.

有源濾波（APF）選擇：APF容量由站內(nèi)總體充電機(jī)容量大小所決定，采用集中補(bǔ)償；根據(jù)計(jì)算，有源濾波的計(jì)算容量為320.76kV·A；每段母線需配置1臺(tái)200kV·A（380V，300A）有源濾波器.

無(wú)功補(bǔ)償容量選擇：按功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95的目標(biāo)，計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償容量為171.88kVar；設(shè)計(jì)每段母線配置1臺(tái)100kVar無(wú)功補(bǔ)償.

2 孤島運(yùn)行狀態(tài)下的虛連接控制

2.1 一體化站并網(wǎng)模式下的控制

并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，一體化站呈現(xiàn)配電網(wǎng)特性，即為配電網(wǎng)的一部分，服從系統(tǒng)調(diào)度，配電網(wǎng)提供支持，使一體化站的電壓、頻率都在允許范圍內(nèi).一體化站則根據(jù)站內(nèi)功率匹配的情況，可同時(shí)利用站內(nèi)光伏發(fā)電和從大電網(wǎng)吸取電能，并能在自身電力充足時(shí)由儲(chǔ)能電池向大電網(wǎng)輸送多余電能.在正常運(yùn)行模式下，從調(diào)度上來(lái)說(shuō)，一體化站通常是作為一個(gè)負(fù)荷在電網(wǎng)中存在，即使向大電網(wǎng)饋電，其饋電量也較小，通常不在電力部門(mén)調(diào)度范圍之內(nèi)［13］.但是隨著一體化站數(shù)量的增加，儲(chǔ)能電池的容量越來(lái)越大，一體化站在電網(wǎng)中的地位也越來(lái)越不能忽視，因此一體化站必須有一套在正常模式下的控制策略［14］.

大電網(wǎng)中可能有多個(gè)一體化站，正常運(yùn)行時(shí)，各站應(yīng)該配合調(diào)度中心的調(diào)度，調(diào)整自己內(nèi)部的出力或負(fù)荷狀態(tài)，以主網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)壯運(yùn)行為目標(biāo).在正常運(yùn)行時(shí)，保證敏感負(fù)荷供電的情況下應(yīng)該優(yōu)先滿足大電網(wǎng)調(diào)度的要求，在整體控制策略與本站控制相互抵觸時(shí)，采用“抑制”的方法來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)，即在確定的條件下，抑制站內(nèi)區(qū)域的局部控制，實(shí)現(xiàn)全局控制的目標(biāo)［15］.

2.2 虛連接技術(shù)

常規(guī)的針對(duì)帶儲(chǔ)能系統(tǒng)配電網(wǎng)控制的研究均是基于并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2種運(yùn)行狀態(tài)展開(kāi)的，這難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其靈活、快速、智能的控制，僅是2種狀態(tài)不足以描述配電網(wǎng)與電網(wǎng)的運(yùn)行情況.

外部電網(wǎng)故障類型多種多樣，一概轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)過(guò)于絕對(duì)和死板，例如，當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，外部電網(wǎng)在極短的時(shí)間內(nèi)即可恢復(fù)正常，而按照常規(guī)微網(wǎng)控制策略，充放儲(chǔ)一體化電站進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)，會(huì)帶來(lái)甩負(fù)荷、重新同期等復(fù)雜后果，尤其是在電網(wǎng)故障解除后才開(kāi)始進(jìn)行同期，而重新同期的時(shí)間往往較長(zhǎng)，不能保證一體化站的快速并網(wǎng)，降低了系統(tǒng)的可靠性.如果充分發(fā)揮充放儲(chǔ)一體化電站的靈活可控性，在主網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)轉(zhuǎn)入虛連接狀態(tài)，通過(guò)鎖相環(huán)或其他方式獲取主網(wǎng)電壓相位，控制一體化站與電網(wǎng)在一定時(shí)間內(nèi)保持虛擬同步，確保主網(wǎng)故障消除后能夠瞬時(shí)并網(wǎng)，無(wú)疑將大大提高一體化站調(diào)度的靈活性和可靠性.因此，依據(jù)非正常狀態(tài)時(shí)限特性，筆者討論更加詳細(xì)的狀態(tài)劃分方法，研究基于新型虛連接技術(shù)的智能化的充放儲(chǔ)一體化電站調(diào)度控制策略.

虛連接控制方法：當(dāng)外部電網(wǎng)出現(xiàn)包括故障、檢修或電能質(zhì)量達(dá)不到要求在內(nèi)的情況下，充放儲(chǔ)一體化電站轉(zhuǎn)入虛連接狀態(tài)——一體化站與外部電網(wǎng)物理上是斷開(kāi)連接，但兩者的連結(jié)節(jié)點(diǎn)信息相符；一體化站獲得外部電網(wǎng)的電壓、相位信號(hào)來(lái)作為本站的同步信號(hào)；一體化站通過(guò)該同步信號(hào)保持運(yùn)行預(yù)先設(shè)定的時(shí)間.當(dāng)一體化站與外部電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，通過(guò)低頻減載來(lái)控制自身保持良好運(yùn)行狀態(tài).當(dāng)外部電網(wǎng)解決故障時(shí)，即可達(dá)到一體化站和外部電網(wǎng)的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)方便.

采用虛連接控制技術(shù)，對(duì)于電網(wǎng)發(fā)生的瞬時(shí)性故障與永久性故障，可以智能地做出不同的控制決策，充分發(fā)揮電力電子開(kāi)關(guān)的靈活快速可控性，使得脫網(wǎng)后的充放儲(chǔ)一體化站交流側(cè)電壓時(shí)刻保持與電網(wǎng)的虛擬同步，當(dāng)故障回復(fù)后可以直接快速平滑并網(wǎng)，避免重新同期耗費(fèi)大量時(shí)間，提高整體運(yùn)行的可靠性.

2.3 孤島運(yùn)行控制策略研究

處于虛連接狀態(tài)時(shí)一體化站獲得外部電網(wǎng)的電壓相位信號(hào)來(lái)作為本站的同步信號(hào)，一體化站通過(guò)該同步信號(hào)保持運(yùn)行預(yù)先設(shè)定的時(shí)間——在140 ms內(nèi)保持主網(wǎng)側(cè)與一體化站連接節(jié)點(diǎn)的高度一致.

當(dāng)一體化站與外部電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，通過(guò)低頻減載來(lái)控制自身保持良好運(yùn)行狀態(tài)：預(yù)先將微電網(wǎng)設(shè)置呈放射狀，具有一條負(fù)荷母線和多條饋線，母線通過(guò)主隔離設(shè)備與外部電網(wǎng)連接；多條饋線分別可設(shè)置為不可中斷的負(fù)荷供電、可中斷負(fù)荷供電、多源供電；當(dāng)一體化站與外部電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，可中斷負(fù)荷供電，快速切斷與外部電網(wǎng)的連接.

虛連接狀態(tài)下，由于鎖相獲取的主網(wǎng)電壓向量誤差隨時(shí)間累加以及一體化站儲(chǔ)能系統(tǒng)容量限制兩方面的因素，一體化站能夠維持的虛連接狀態(tài)時(shí)間有限，并且隨時(shí)間而有不同的狀態(tài)指標(biāo).為此，筆者將虛連接狀態(tài)分為短時(shí)同步與長(zhǎng)時(shí)優(yōu)化2種狀態(tài).

1）短時(shí)同步.

根據(jù)瞬時(shí)性故障與重合閘時(shí)限，將短時(shí)定義為140ms，即7個(gè)周波.短時(shí)虛連接狀態(tài)運(yùn)行目標(biāo)為保持主網(wǎng)側(cè)與一體化站側(cè)連接節(jié)點(diǎn)信息的高度一致，其關(guān)鍵在于精確獲取主網(wǎng)電壓向量.

2）長(zhǎng)時(shí)優(yōu)化.

一體化站與主網(wǎng)也可能長(zhǎng)時(shí)間斷開(kāi)，為保持重新連接時(shí)的虛連接狀態(tài)，需要長(zhǎng)時(shí)間使一體化站自身保證一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)，其關(guān)鍵在于潮流計(jì)算與優(yōu)化控制.

一體化站的儲(chǔ)能部分僅在短時(shí)同步期用于功率快速補(bǔ)償，不長(zhǎng)時(shí)間輸出功率，在長(zhǎng)時(shí)優(yōu)化時(shí)，直接參與頻率控制，采取代理分布式控制，通過(guò)依據(jù)剩余容量和潮流計(jì)算結(jié)果協(xié)調(diào)控制.首先通過(guò)潮流計(jì)算和頻率控制要求得出需要切除的負(fù)荷量，然后根據(jù)動(dòng)態(tài)的負(fù)荷優(yōu)先級(jí)信息做出切負(fù)荷動(dòng)作；采用具有記憶回路的鎖相環(huán)設(shè)置在外部電網(wǎng)側(cè)來(lái)獲取主網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)電壓相位信息，通過(guò)寄存器實(shí)時(shí)記錄并刷新一個(gè)周期的相位數(shù)據(jù)信息.一體化站通過(guò)虛連接控制進(jìn)行離網(wǎng)操作的流程如圖2所示.

圖2 一體化站離網(wǎng)控制流程Figure 2 Diagram of EV integrative station off-grid control flow

虛連接控制系統(tǒng)：物理網(wǎng)路設(shè)置呈放射狀，具有一條負(fù)荷母線和多條饋線，母線通過(guò)主隔離設(shè)備與外部電網(wǎng)連接；多條饋線分別可設(shè)置為不可中斷的負(fù)荷供電、可中斷負(fù)荷供電、多源供電.

同步信號(hào)獲取單元：用以獲得外部電網(wǎng)的電壓相位信號(hào)來(lái)作為本微電網(wǎng)的同步信號(hào)；

長(zhǎng)時(shí)優(yōu)化控制單元：用于一體化站與外部電網(wǎng)斷開(kāi)時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間后，通過(guò)低頻減載來(lái)控制自身保持良好運(yùn)行狀態(tài).

3 孤島運(yùn)行離網(wǎng)狀態(tài)下的能量／功率管理策略

孤島狀態(tài)下，一體化站完全失去電網(wǎng)供電，僅靠接入系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)（建設(shè)規(guī)模為30kW）和站內(nèi)UPS遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能維持整車充電系統(tǒng)、電池快換系統(tǒng)以及分控中心的正常工作，必須采用站內(nèi)梯次儲(chǔ)能系統(tǒng)的后備電力，對(duì)站內(nèi)負(fù)載進(jìn)行支持［16-17］.

在整車充電系統(tǒng)中，采用孤島運(yùn)行離網(wǎng)狀態(tài)下整車充電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示，左邊為梯次站的電池組，與其相連接的為進(jìn)行恒壓控制的Buck＿boost1變換器，用來(lái)維持電容電壓的穩(wěn)定；右邊為充換站的電池組，與其相連接的為進(jìn)行恒流控制的Buck＿boost2變換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒流充電.

圖3 孤島運(yùn)行離網(wǎng)狀態(tài)下整車充電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)Figure 3 Main circuit structure of whole vehicle charging system in off-grid of islanded operation

電池快換系統(tǒng)和分控中心內(nèi)，進(jìn)入孤島狀態(tài)之前由10kV母線雙路電源進(jìn)線供電，通過(guò)2臺(tái)1 600 kV·A的配電變壓器經(jīng)0.4kV母線橋供電；進(jìn)入孤島狀態(tài)離網(wǎng)運(yùn)行后，采用孤島運(yùn)行離網(wǎng)狀態(tài)下電池快換系統(tǒng)及分控中心主電路結(jié)構(gòu)（圖4），利用2組PWM變流裝置，它們的直流側(cè)以并聯(lián)方式連接了若干臺(tái)Buck-boost變換器，每臺(tái)變換器連接梯次站內(nèi)一組電池組.

圖4 孤島運(yùn)行離網(wǎng)狀態(tài)下電池快換系統(tǒng)及分控中心主電路結(jié)構(gòu)Figure 4 Main circuit structure of battery quick-change system and control center in off-grid of islanded operation

采用這種結(jié)構(gòu)既可以滿足站內(nèi)主要負(fù)荷的用電需求，又可以在一體化站與外部電物理上在斷開(kāi)連接的情況下，保持兩者的連結(jié)節(jié)點(diǎn)信息相符；當(dāng)外部電網(wǎng)解決故障時(shí)，即可達(dá)到一體化站和外部電網(wǎng)的無(wú)縫連接.

4 結(jié)語(yǔ)

筆者研究了充放儲(chǔ)一體化電站作為分布式儲(chǔ)能單元接入的孤島問(wèn)題.充放儲(chǔ)一體化電站處于孤島運(yùn)行方式時(shí)，采用電力電子元件保證其安全離網(wǎng)和保持基本功能.當(dāng)孤島運(yùn)行離網(wǎng)狀態(tài)下，站內(nèi)整車充電系統(tǒng)、電池快換系統(tǒng)以及分控中心通過(guò)梯次站供電，并通過(guò)對(duì)外部電網(wǎng)的電壓、相位信號(hào)來(lái)作為本站的同步信號(hào)；當(dāng)外部電網(wǎng)解決故障時(shí)，即可達(dá)到一體化站和外部電網(wǎng)的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)方便，提高了充放儲(chǔ)一體化電站運(yùn)行的可靠性.

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