充放儲一體化電站接入電網(wǎng)的能量流動控制策略

劉高維，楊敏霞，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）

隨著電動汽車和儲能技術(shù)的快速發(fā)展，具備電動汽車換電站、充放電站、儲能站、梯次電池利用功能的充放儲一體化電站，也越來越受到關(guān)注。一體化站的運(yùn)行與電網(wǎng)的狀態(tài)密切相關(guān)。本文將對電網(wǎng)處于正常運(yùn)行和不正常運(yùn)行狀態(tài)下充放儲一體化電站的能量流動控制策略進(jìn)行探討。緊急事故狀態(tài)指電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障電力系統(tǒng)處于緊急狀態(tài)，甚至發(fā)生系統(tǒng)解列，一體化站必須迅速離網(wǎng)運(yùn)行，本文不做探討，但是電網(wǎng)局部發(fā)生較輕的故障對電網(wǎng)正常運(yùn)行影響不大時，本文將把他看作為電網(wǎng)處于不正常的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行探討。

1 充放儲一體化電站簡介

電動汽車充放儲一體化站要求具有充電、更換、儲能的功能，滿足電動汽車能源供給，提高電池利用效率，并且能夠?qū)δ茈姵匾约肮β省⒛芰窟M(jìn)行優(yōu)化控制，與電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)與互動，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，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［1］。

圖1 充放儲一體化站總體結(jié)構(gòu)

一體化站的各項(xiàng)功能互相聯(lián)系，各系統(tǒng)共享上級信息，由調(diào)度中心統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)行，完成對電動汽車和電網(wǎng)的各種服務(wù)。電池充換系統(tǒng)分為充電區(qū)、換電池區(qū)和電池維護(hù)區(qū)：充電區(qū)備有快慢速充電裝置可以滿足整車充電，也能按照充電計劃對大量的儲備電池進(jìn)行合理的充放電控制；換電池區(qū)為用戶提供快速更換電池組服務(wù)；電池維護(hù)區(qū)對更換下來的電池組進(jìn)行檢測、重新配組等操作，并將不同梯次的電池分別送入充電區(qū)和梯次電池儲能站。

梯次電池利用系統(tǒng)是退役電池的再利用場所。電動汽車用電池經(jīng)過一段時間的使用后性能會下降，當(dāng)蓄電池的動力性能衰減到一定程度后就不適合電動汽車?yán)^續(xù)使用，但這些退役之后的蓄電池仍然具有一定的充放電功能，通過串并聯(lián)組合輔以有效的充放電管理可以組成梯次電池利用系統(tǒng)為提高電網(wǎng)運(yùn)行服務(wù)，例如在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期充滿電，在電網(wǎng)高峰期向電網(wǎng)放電，為電網(wǎng)“削峰填谷”做出貢獻(xiàn)。一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障，梯次電池利用系統(tǒng)還可以作為應(yīng)急電源維持一體化站的運(yùn)行，繼續(xù)為汽車提供充電服務(wù)，減少停電造成的損失。梯次電池利用系統(tǒng)的設(shè)計可以進(jìn)一步發(fā)揮電池剩余價值，降低電池使用成本，并為電網(wǎng)提供增值服務(wù)。

2 電網(wǎng)正常運(yùn)行時的能量流動控制

2.1 電網(wǎng)峰荷狀態(tài)

通過電池單體的SOC對整個電池系統(tǒng)的儲能水平進(jìn)行估算［2－3］，電池系統(tǒng)的儲能水平可以劃分為20%以下，20%～80%和80%以上三種，電池充電系統(tǒng)與梯次電池利用系統(tǒng)的儲能水平，總共有9種組合情況，為了優(yōu)化電池系統(tǒng)與電網(wǎng)運(yùn)行，一體化站的運(yùn)行狀態(tài)見圖2。

圖2 電網(wǎng)正常狀態(tài)峰荷下的運(yùn)行狀態(tài)

圖2中：A表示電池充電系統(tǒng)（以下簡稱充電站），B表示梯次電池利用系統(tǒng)（以下簡稱梯次站），G為電網(wǎng)；?表示充電站A不動作，與梯次站B和電網(wǎng)G都沒有能量交換，?表示梯次站B不動作，與充電站A和電網(wǎng)都沒有能量交換。

在電網(wǎng)峰值任意時刻的一組充電站、梯次站內(nèi)電池剩余電量［4］，構(gòu)成了圖2中的狀態(tài)點(diǎn)，每個狀態(tài)點(diǎn)有不同的最優(yōu)控制策略。為了說明方便，本文假設(shè)充電站容量與梯次站容量相同。

1）充電站只從梯次站充電，梯次站只向充電站放電 當(dāng)充電站內(nèi)儲能非常少（20%以下）、梯次站內(nèi)為滿容量（80%以上），充電站只需要由梯次站充電，同時梯次站也只向充電站放電。當(dāng)充電站內(nèi)儲能和梯次站內(nèi)儲能都一般（20%～80%）時，由于充電站并非所有電池都需充電，梯次站仍能滿足充電站的充電需求，故也不需要從電網(wǎng)取電。在這種策略下，梯次站直接向充電站供電，只需經(jīng)過一次變流就可完成充電過程，能量利用效率較高。另外，由于電網(wǎng)處于峰荷狀態(tài)，充電站的充電繞開了電網(wǎng)側(cè)，減少了電網(wǎng)負(fù)載的負(fù)擔(dān)。

2）充電站只從梯次站充電，梯次站向充電站放電的同時向電網(wǎng)放電進(jìn)行一定的支持 當(dāng)充電站內(nèi)儲能一般（20%～80%），而梯次站內(nèi)為滿容量（80%以上）時，充電站的充電需求較小，梯次站內(nèi)儲能充足，在滿足充電站的充電需求后，將多余的電能輸入到電網(wǎng)為峰荷狀態(tài)的電網(wǎng)減壓。

3）充電站同時從梯次站和電網(wǎng)充電，梯次站只向充電站放電以緩解電網(wǎng)的壓力 當(dāng)充電站內(nèi)儲能已經(jīng)很少（低于20%），而梯次站內(nèi)儲能一般（20%～90%）時，單獨(dú)依靠梯次站不能滿足充電站的全部充電需求，必須由電網(wǎng)提供部分支持，充電站將同時從梯次站和電網(wǎng)充電。由于梯次站向充電站放電減少了充電站給電網(wǎng)帶來負(fù)擔(dān)，在一定程度上緩解電網(wǎng)峰荷壓力。

4）充電站不動作，梯次站向電網(wǎng)放電 當(dāng)充電站儲能非常高（超過80%）時無需重充電，考慮到一體化站應(yīng)保留足夠余量提高突發(fā)事件的應(yīng)對能力，一般不向電網(wǎng)輸電。如果梯次站儲能非常高可以像電網(wǎng)輸出電能，即使梯次站儲能一般（20%～80%），也可以對電網(wǎng)進(jìn)行適度支持。

5）充電站從電網(wǎng)充電，梯次站不動作 當(dāng)梯次站內(nèi)儲能非常少（20%以下），充電站為了滿足電動汽車用戶的充電需求，只能由電網(wǎng)為充電站充電。由于電網(wǎng)處于峰荷狀態(tài)，不考慮向梯次站充電。電網(wǎng)對充電站充電會增加電網(wǎng)的負(fù)荷，如果充電站儲能非常少（20%以下）影響會大些；如果充電站儲能一般（20%～80%），電網(wǎng)只需對充電站適度充電，影響會小些。

6）充電站和梯次站不動作 當(dāng)充電站儲能接近滿容量（高于80%）時無需充電，在電網(wǎng)處于峰荷下即使梯次站的能量處于較低水平（低于20%）也不對梯次站充電。

2.2 電網(wǎng)谷荷或者輕載

電網(wǎng)正常運(yùn)行并處于谷荷狀態(tài)，或者電網(wǎng)已進(jìn)入不正常狀態(tài)發(fā)生了輕載的情況，如果充電站和梯次站的SOC很小，那么都應(yīng)當(dāng)通過電網(wǎng)充電，只有當(dāng)充電站和梯次站的SOC很大時才需要對一體化站的能量流動控制優(yōu)化，因此把儲能水平劃分為80%以下和80%以上兩種，得到4種組合情況見圖3。

1）電網(wǎng)同時對充電站和梯次站充電 充電站和梯次站的儲能未滿（低于80%），而電網(wǎng)處于谷荷或者輕載狀態(tài)時，電網(wǎng)對充電站和梯次站充電，用以提高負(fù)荷率或者減輕電網(wǎng)輕載的現(xiàn)象。

圖3 電網(wǎng)谷荷甚至輕載下的運(yùn)行狀態(tài)

2）電網(wǎng)對梯次站充電，充電站不動作 當(dāng)充電站儲能幾乎滿容量（超過80%），而梯次站未滿（低于80%），電網(wǎng)只對梯次站充電，用以提高負(fù)荷率或者減輕電網(wǎng)輕載的現(xiàn)象。

3）充電站與梯次站不動作 當(dāng)充電站和梯次站儲能為滿容量（超過80%）不需要充電，電網(wǎng)負(fù)荷處在低谷狀態(tài)，也不需要充電站或者梯次站的支持，因此充電站和梯次站都無需動作。

3 電網(wǎng)不正常狀態(tài)下的能量流動控制

當(dāng)電網(wǎng)進(jìn)入重載不正常運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行時，可以利用一體化站內(nèi)的所有儲能對電網(wǎng)進(jìn)行支持。如果充電站和梯次站的SOC很大，那么都應(yīng)當(dāng)向電網(wǎng)放電，只有當(dāng)充電站和梯次站的SOC很小時才需要對一體化站的能量流動控制優(yōu)化。因此將電池系統(tǒng)的儲能水平可以劃分為20%以下和20%以上兩種；充電站與梯次站的儲能水平有四種組合情況，如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)處于重載下的運(yùn)行狀態(tài)

1）充電站和梯次站均對電網(wǎng)放電 充電站和梯次站的儲能均未耗盡（超過20%），由于電網(wǎng)處于不正常的狀態(tài)，因此兩個站均優(yōu)先對電網(wǎng)進(jìn)行電能支持，輔助電網(wǎng)改善重載程度，將電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)整到正常的狀態(tài)中。此時的放電策略在實(shí)際操作中應(yīng)根據(jù)兩個站的儲能水平以及變化過程，當(dāng)儲能接近滿容量的時候可全力放電，而儲能減少至接近不足狀態(tài)時應(yīng)該過渡到適度放電甚至過渡到其他狀態(tài)，暫停對電網(wǎng)放電。

2）充電站對電網(wǎng)放電，梯次站不動作 如果充電站容量尚未耗盡（超過20%），可根據(jù)自身的儲能水平對電網(wǎng)進(jìn)行放電支持；如果梯次站容量已經(jīng)非常不足（低于20%），那么即使電網(wǎng)處于重載狀態(tài)下也無法對電網(wǎng)進(jìn)行支持。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)避免這種情況出現(xiàn)。

3）充電站不動作，梯次站對電網(wǎng)放電 如果充電站容量已經(jīng)非常不足（低于20%），那么即使電網(wǎng)處于重載狀態(tài)下也無法對電網(wǎng)進(jìn)行支持；如果梯次站容量尚未耗盡（超過20%），那么可根據(jù)自身的儲能水平對電網(wǎng)進(jìn)行放電支持。

4）充電站和梯次站不動作 充電站和梯次站儲能非常不足（低于20%），即使電網(wǎng)有需求也無法對電網(wǎng)進(jìn)行支持。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)盡量避免這種情況出現(xiàn)。

4 結(jié)語

采用充放儲一體化站接入電網(wǎng)下的能量單元流動控制策略，根據(jù)SOC預(yù)測技術(shù)得到的充放儲一體化換電站儲能電量的估計，結(jié)合電網(wǎng)的各種運(yùn)行狀態(tài)，通過合理的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)充放儲一體化電站與電網(wǎng)之間的互補(bǔ)支持，有利于電網(wǎng)減少負(fù)荷峰谷差的壓力，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然，在制定控制策略時，必須考慮到充電站的換電池區(qū)為大量的更換電池用戶提供快速更換電池組服務(wù)，在充滿的情況下，電池的SOC都在80%以上；而梯次站內(nèi)的電池動力性能較差，故當(dāng)電網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，充電站只充不放；僅當(dāng)電網(wǎng)處于重載不正常運(yùn)行狀態(tài)時，才由充電站放電對電網(wǎng)進(jìn)行支持。

此外，一體化站和電網(wǎng)的互動還可以改善電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量，特別是當(dāng)區(qū)域內(nèi)有多個一體化站時可完成更多電能質(zhì)量改善任務(wù)。例如電網(wǎng)供電的電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時，如果一體化站能量較為充足，可根據(jù)要求對電網(wǎng)輸出補(bǔ)償電流進(jìn)行治理，包括負(fù)荷電壓波動補(bǔ)償、諧波治理以及無功補(bǔ)償?shù)?，達(dá)到改善一體化站接入點(diǎn)的電能質(zhì)量的目的；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，而一體化站能量較為充足時，可根據(jù)需要對電網(wǎng)輸送有功功率以及無功功率，輔助電網(wǎng)其他保護(hù)調(diào)節(jié)措施進(jìn)行故障處理以及電網(wǎng)恢復(fù)；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重事故時，一體化站應(yīng)該迅速離網(wǎng)已保證自身安全，并在有需要時與附近的關(guān)鍵負(fù)荷等形成微電網(wǎng)，為關(guān)鍵負(fù)荷進(jìn)行不斷電支持。

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