光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)研究

陳曉光,徐冰亮,董爾佳,徐明宇,武國良

(黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

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光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)研究

陳曉光,徐冰亮,董爾佳,徐明宇,武國良

(黑龍江省電力科學(xué)研究院,哈爾濱 150030)

介紹了光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)、控制方式、工作過程,通過實(shí)驗(yàn)研究了在微網(wǎng)負(fù)載的種類和大小不同的情況下,微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的切換對電網(wǎng)或負(fù)載的沖擊和影響。

光儲式;充電站;微網(wǎng)系統(tǒng);運(yùn)行方式切換

近年來,電動(dòng)汽車充電設(shè)施在黑龍江省逐漸得到推廣和應(yīng)用,同時(shí),國家政策對光伏發(fā)電等分布式能源的發(fā)展也提供了大力支持[1]?；诖?本文提出將光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池儲能裝置以及電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成微電網(wǎng),通過調(diào)整控制方式[2-3],實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行間的無縫切換[4],使該微網(wǎng)系統(tǒng)既可以并網(wǎng)運(yùn)行,也可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。

1 光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文建立了一套帶有儲能裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng),這套系統(tǒng)與原有的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成了一個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng),即光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)[5-6],其原理圖如圖1所示。

光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)由太陽能發(fā)電裝置、鉛酸蓄電池儲能單元、電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)和電費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)成。其中,太陽能發(fā)電裝置光伏組件的容量為19.14 kW,通過3臺并網(wǎng)逆變器與系統(tǒng)連接;鉛酸蓄電池儲能單元的容量為150 A×12 V×8,通過3臺雙向并網(wǎng)逆變器與系統(tǒng)連接。系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)原理圖

該控制切換設(shè)備由固體開關(guān)及相應(yīng)的控制和通信設(shè)備組成,完成對整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。微網(wǎng)系統(tǒng)的具體運(yùn)行方式可以根據(jù)電網(wǎng)的情況自行切換,與原理圖相對應(yīng)的微網(wǎng)系統(tǒng)圖如圖3所示。

通過控制斷路器2、斷路器3、斷路器4以及改變并網(wǎng)逆變器和雙向逆變器的運(yùn)行方式可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行與離網(wǎng)運(yùn)行間的無縫切換。

圖2 光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

圖3 光儲式電動(dòng)汽車充換電實(shí)驗(yàn)站光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

2 光儲式電動(dòng)汽車充電站微網(wǎng)控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)概述

微網(wǎng)控制系統(tǒng)包括配電網(wǎng)調(diào)度層、集中控制層和就地控制層,如圖4所示。在微網(wǎng)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)中,每一層不但要完成自己獨(dú)立的控制功能,同時(shí)還要相互協(xié)作。

2.1.1 就地控制層

就地控制層的設(shè)備主要包括光伏逆變器、蓄電池用雙向逆變器以及電動(dòng)汽車充電柜等。這一層的主要功能是:故障情況下微網(wǎng)系統(tǒng)的快速保護(hù);光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤、孤島控制以及功率調(diào)節(jié);蓄電池儲能裝置的充放電控制等。

2.1.2 集中控制層

集中控制層的主要設(shè)備為微網(wǎng)系統(tǒng)控制切換箱,它將控制器集成在一起,實(shí)現(xiàn)對于整個(gè)系統(tǒng)的集中統(tǒng)一控制,具體包括并/離網(wǎng)切換控制、頻率控制、電壓控制以及微網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)載的控制等。

圖4 微網(wǎng)控制系統(tǒng)解決方案

2.1.3 配網(wǎng)調(diào)度層

相對于配網(wǎng)系統(tǒng)而言,可以將微網(wǎng)系統(tǒng)看成一個(gè)可調(diào)度的單元,既可以并入配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行,也可以在配電網(wǎng)系統(tǒng)故障時(shí)與系統(tǒng)斷開,孤網(wǎng)運(yùn)行。因此,配網(wǎng)調(diào)度層的主要功能就是配網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度、饋線控制以及分布式發(fā)電的控制等。

2.2 控制方式

2.2.1P/Q控制方式

在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下,本微網(wǎng)系統(tǒng)采用P/Q控制方式,通過直接控制逆變器實(shí)現(xiàn)P/Q控制。在并網(wǎng)狀態(tài)下,微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)、頻率以及電壓擾動(dòng)由大電網(wǎng)承擔(dān),光伏發(fā)電系統(tǒng)不參與頻率調(diào)節(jié)和電壓調(diào)節(jié),而是直接采用電網(wǎng)頻率和電壓作為調(diào)節(jié)基礎(chǔ),通過逆變器的控制作用,按照給定參考值進(jìn)行有功功率和無功功率輸出。

在這種控制方式及Park變換下,通過選擇同步旋轉(zhuǎn)軸,可將輸出側(cè)電壓abc分量轉(zhuǎn)化為dq0分量,同時(shí)使q軸電壓分量ugq=0,則輸出側(cè)的功率為

Preq=ugd×igd+ugq×igq=ugd×igd

Qreq=-ugd×igd+ugq×igq=-ugd×igd

可得內(nèi)環(huán)(電流)的dq軸參考值為

igd,ref=Pref/ugd

igq,ref=-Qref/ugd

電流的dq軸參考值igd,ref、igq,ref與實(shí)測電壓值igd、igq的差通過PI調(diào)節(jié)器的作用,可以為逆變器提供輸出電壓參考uid,ref、uiq,ref。而且,根據(jù)逆變器出口濾波電感的參數(shù)Lt,可以設(shè)置控制逆變器的dq軸電壓的參考分量uid,ref、uiq,ref,通過Park反變換,將其轉(zhuǎn)化為abc坐標(biāo)分量,從而實(shí)現(xiàn)對逆變器的控制?？刂瓶驁D如圖5所示。

圖5 P/Q控制框圖

2.2.2U/f控制方式

在孤網(wǎng)狀態(tài)下,本微網(wǎng)系統(tǒng)主要采用U/f控制進(jìn)行電壓和頻率調(diào)節(jié)。通過設(shè)定電壓和頻率參考值,在PI控制器作用下實(shí)時(shí)控制逆變器輸出端口電壓和頻率,可為恒壓、恒頻電源使用。

逆變器的電壓和頻率控制主要是為微電網(wǎng)的孤網(wǎng)運(yùn)行提供強(qiáng)有力的電壓和頻率支撐并具有一定負(fù)荷功率的跟隨特性。通過設(shè)定頻率以及電壓的參考值,在PI調(diào)節(jié)器作用下實(shí)時(shí)檢測逆變器出口的頻率和電壓,作為恒頻、恒壓的微小電源來使用?？刂品绞饺鐖D6所示。

圖6 U/f控制框圖

由圖6可見,逆變器采用U/f控制時(shí),只采集端口的電壓信息,其頻率采用恒定參考值,即電源頻率恒定。

3 微網(wǎng)系統(tǒng)工作過程

在正常情況下微網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行,白天陽光充足時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)為電動(dòng)車充電樁和光伏控制室內(nèi)用電負(fù)荷供電,同時(shí)為蓄電池儲能,多余的電力通過雙向電能計(jì)量系統(tǒng)送入電網(wǎng),晚上利用電網(wǎng)為電動(dòng)車充電樁和光伏控制室內(nèi)用電負(fù)荷供電;當(dāng)電網(wǎng)因某些原因停止供電時(shí),微網(wǎng)系統(tǒng)控制切換設(shè)備中的監(jiān)控裝置會檢測到電網(wǎng)的異常情況,并使光伏發(fā)電的系統(tǒng)并網(wǎng)側(cè)開關(guān)以及負(fù)荷側(cè)開關(guān)自動(dòng)斷開,同時(shí)使光伏接入開關(guān)閉合,這樣,微網(wǎng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運(yùn)行方式,維持電動(dòng)汽車充電樁和光伏控制室的電力供應(yīng),確保了重要負(fù)荷的持續(xù)可靠供電。

在微網(wǎng)系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí),由蓄電池組和雙向逆變器組成的儲能系統(tǒng)的作用是維持整個(gè)系統(tǒng)的電壓、頻率的穩(wěn)定以及功率的平衡。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率小于負(fù)載的用電功率時(shí),蓄電池組工作在放電狀態(tài),也就是說,此時(shí)由光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池組共同為負(fù)載提供電力;當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率大于負(fù)載的用電功率時(shí),蓄電池組工作在充電狀態(tài),將大于用電負(fù)荷的那一部分電能暫時(shí)存在蓄電池中備用,以維持系統(tǒng)電壓和頻率的穩(wěn)定,保證為負(fù)載提供持續(xù)的電力供應(yīng)。

4 微網(wǎng)系統(tǒng)并/離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)及分析

在負(fù)載的種類和大小不同的情況下,測試光儲充電站微網(wǎng)系統(tǒng)由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運(yùn)行或由孤網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)運(yùn)行的過程中所需要的切換時(shí)間及波形,研究微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的切換對于電網(wǎng)或負(fù)載的沖擊和影響。

實(shí)驗(yàn)一:微網(wǎng)系統(tǒng)空載,輸出電流為0,電壓波形如圖7所示。

圖7 微網(wǎng)系統(tǒng)空載系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的波形

由圖7可見,在正常情況下,系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行,電網(wǎng)電壓為微網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電壓。當(dāng)電網(wǎng)因故障突然失電時(shí),微網(wǎng)系統(tǒng)可以在不間斷供電的情況下自動(dòng)將運(yùn)行方式由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運(yùn)行,轉(zhuǎn)換過程在兩個(gè)周波內(nèi)完成。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出,孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的過程也是在不間斷供電的情況下完成的,但是持續(xù)時(shí)間較長,約30 s。當(dāng)電網(wǎng)故障消失恢復(fù)供電時(shí),系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)電壓,然后開始自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位,直到系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位之間的差值滿足并網(wǎng)允許的條件時(shí),系統(tǒng)并網(wǎng)開關(guān)閉合,實(shí)現(xiàn)孤網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)的運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)二:微網(wǎng)系統(tǒng)輕載。微網(wǎng)系統(tǒng)通過電動(dòng)汽車直流充電樁連接容量為3.5 kW的負(fù)載。重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)過程。

在電網(wǎng)因故障突然失電時(shí),微網(wǎng)系統(tǒng)仍然可以在不間斷供電的情況下自動(dòng)將運(yùn)行方式由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運(yùn)行,轉(zhuǎn)換過程在兩個(gè)周波內(nèi)完成。值得注意的是,相對于大電網(wǎng)而言,孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由于光伏發(fā)電系統(tǒng)容量有限,負(fù)載產(chǎn)生的諧波引起系統(tǒng)電壓波形畸變較為嚴(yán)重,所以對于微網(wǎng)系統(tǒng)中有非線性負(fù)載接入的情況,為了不影響其他負(fù)載的正常工作,應(yīng)加裝濾波裝置。

孤網(wǎng)運(yùn)行過程中,微網(wǎng)系統(tǒng)中的蓄電池為負(fù)載供電,當(dāng)蓄電池的電量下降到一定程度時(shí),光伏發(fā)電系統(tǒng)開始并網(wǎng)發(fā)電,即給負(fù)載供電,同時(shí)還給蓄電池充電。這一過程反復(fù)進(jìn)行,從而持續(xù)維持對負(fù)載的電力供應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)三:微網(wǎng)系統(tǒng)中載。微網(wǎng)系統(tǒng)通過電動(dòng)汽車直流充電樁連接容量為9 kW的負(fù)載。重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)過程。

中載情況下微網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式切換過程與輕載時(shí)相似,并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)仍然可以在兩個(gè)周波左右的時(shí)間完成,負(fù)載供電不間斷,只是由于非線性負(fù)載容量的增大,系統(tǒng)電壓波形的畸變更加嚴(yán)重,電能質(zhì)量更加不理想。

實(shí)驗(yàn)四:微網(wǎng)系統(tǒng)重載。微網(wǎng)系統(tǒng)通過電動(dòng)汽車直流充電樁連接容量為11 kW的負(fù)載。重復(fù)實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)過程，電壓波形如圖8所示。

圖8 微網(wǎng)系統(tǒng)重載系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的波形

從圖8可以看到,重載情況下并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤網(wǎng)的過程和空載時(shí)一樣,實(shí)際上是因?yàn)樵谇袚Q的一瞬間負(fù)載過大,系統(tǒng)無法支撐而將負(fù)載切掉。也就是說,這種情況下微網(wǎng)系統(tǒng)無法繼續(xù)為負(fù)載提供電力,使切換失敗。

由上述實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

1) 對于光儲式電動(dòng)汽車充換電實(shí)驗(yàn)站微網(wǎng)系統(tǒng),當(dāng)所帶負(fù)載小于等于微網(wǎng)系統(tǒng)容量的50%時(shí),在電網(wǎng)出現(xiàn)故障而停止供電的情況下,系統(tǒng)可以自動(dòng)由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為孤網(wǎng)運(yùn)行,并且切換過程可以在兩個(gè)周波左右的時(shí)間內(nèi)完成,負(fù)載供電不間斷。

2) 當(dāng)所帶負(fù)載大于微網(wǎng)系統(tǒng)容量的50%時(shí),在電網(wǎng)出現(xiàn)故障的情況下,系統(tǒng)無法自動(dòng)完成由并網(wǎng)運(yùn)行到孤網(wǎng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。

3) 在孤網(wǎng)運(yùn)行的情況下,由于系統(tǒng)容量有限,如果系統(tǒng)負(fù)載為非線性負(fù)載,則系統(tǒng)電壓畸變比較嚴(yán)重,為了不影響微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)其他負(fù)載的電力供應(yīng),應(yīng)該配備相應(yīng)的濾波裝置。

5 結(jié) 語

本文全面論述了光儲式電動(dòng)汽車充電站微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制方式、工作過程,并通過微電網(wǎng)并/離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn),研究了運(yùn)行方式切換對電網(wǎng)或負(fù)載沖擊的影響，為電動(dòng)汽車充電設(shè)施在黑龍江省的應(yīng)用以及分布式光伏發(fā)電的發(fā)展提供了參考和借鑒。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Research on microgrid system of charging station forphotovoltaic electric vehicles

CHEN Xiaoguang, XU Bingliang, DONG Erjia, XU Mingyu, WU Guoliang

(Heilongjiang Electric Power Research Institute, Harbin150030, China)

This paper introduced the structure, control mode and working process of the microgrid system of charging station for photovoltaic electric vehicles, and analyzed the impact and influence of its operation mode switch on grid or load under different types and sizes of microgrid load.

photovoltaic; charging station; microgrid system; operation mode switch

2015-11-12。

陳曉光(1982—)，男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。

TM910.6; U469.72

A

2095-6843(2016)02-0123-04