電動(dòng)汽車智能充放儲(chǔ)一體化電站無(wú)功電壓調(diào)控策略

楚皓翔 ，解 大 ，婁宇成 ，楊敏霞 ，張 宇

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

0 引言

隨著社會(huì)工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，燃油汽車帶來(lái)的可再生能源消耗、環(huán)境污染問(wèn)題變得日益嚴(yán)重。各種新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生，其中電動(dòng)汽車以其低能耗、輕污染、簡(jiǎn)單輕便等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到人們的廣泛關(guān)注，并成為新能源汽車的重要發(fā)展方向［1］。電動(dòng)汽車在能量利用率方面的明顯優(yōu)勢(shì)以及不斷增長(zhǎng)的社會(huì)需求都使得電動(dòng)汽車的發(fā)展變得必要和迫切［2］。

能源供給設(shè)施作為電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)，與電動(dòng)汽車的發(fā)展密切相關(guān)。大量文獻(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的規(guī)劃布局以及電動(dòng)汽車對(duì)電網(wǎng)的影響進(jìn)行了分析和研究。文獻(xiàn)［3］將電動(dòng)汽車充電設(shè)施規(guī)劃劃分為不同階段，并分析各階段的特征，提出充電方式的選擇方法及其對(duì)應(yīng)的充電需求。文獻(xiàn)［4］提出了電池更換站布局最優(yōu)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，采用具備全局隨機(jī)尋優(yōu)能力的改進(jìn)粒子群優(yōu)化（PSO）算法，達(dá)到全局尋優(yōu)目的。文獻(xiàn)［5］以運(yùn)行成本的期望和方差為目標(biāo)建立換電站能力管理模型，采用基于免疫克隆選擇的多目標(biāo)智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)［6-7］從負(fù)荷、電網(wǎng)損耗和電壓等幾個(gè)方面分析了電動(dòng)汽車充電對(duì)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)［8］對(duì)一體化電站的調(diào)度及功能設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并研究了不同狀態(tài)下的工作狀況。文獻(xiàn)［9-11］分析了不同充電策略的電動(dòng)汽車的接入對(duì)電網(wǎng)的影響，從充電時(shí)間、充電模式、不同滲透率等方面分析無(wú)需充電、時(shí)段控制充電和有序充電等多情景下電動(dòng)汽車充電對(duì)配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)［12-13］分析了電動(dòng)汽車不協(xié)調(diào)充電對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，利用V2G運(yùn)行模式對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)控，并研究了接入式電動(dòng)汽車在電站建設(shè)階段的角色及其對(duì)電網(wǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行的影響。文獻(xiàn)［14］對(duì)電動(dòng)汽車換電站、電池儲(chǔ)能站、可中斷負(fù)荷等進(jìn)行分析建模，結(jié)合功率平衡、備用需求等約束，建立微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行優(yōu)化模型。文獻(xiàn)［15］提出了一種在線計(jì)算電壓控制器參考輸入電壓的新算法，補(bǔ)償電壓跌落發(fā)生器（VSG）固有下垂特性和線路阻抗的電壓跌落。文獻(xiàn)［16］利用無(wú)功出力分配關(guān)系和空載輸出電壓的偏離程度構(gòu)造勢(shì)函數(shù)，并根據(jù)勢(shì)函數(shù)對(duì)各分布式電源的空載輸出電壓進(jìn)行集中調(diào)整，達(dá)到改善無(wú)功出力分配的目的。文獻(xiàn)［17］提出了基于下垂特性的外環(huán)功率控制策略，保證了微電網(wǎng)內(nèi)多臺(tái)分布式電源變流器的無(wú)互聯(lián)信號(hào)線并聯(lián)應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了變流器離網(wǎng)到并網(wǎng)狀態(tài)的無(wú)縫切換。但其分析多臺(tái)變流器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，認(rèn)為其調(diào)差系數(shù)相同，即下垂特性曲線斜率相同。本文研究的智能充放儲(chǔ)一體化電站由充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，2個(gè)系統(tǒng)通過(guò)各自的變流器并聯(lián)到網(wǎng)側(cè)同一根母線上。充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)更重要的角色是為電動(dòng)汽車充電，無(wú)功補(bǔ)償更多地應(yīng)該由梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)。因此需要研究2個(gè)調(diào)差系數(shù)不同的變流器并聯(lián)系統(tǒng)的無(wú)功電壓調(diào)控特性。

本文的智能充放儲(chǔ)一體化電站融合了充電站、換電站和儲(chǔ)能站的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)與電網(wǎng)的能量雙向互動(dòng)，既可為電動(dòng)汽車服務(wù)，又可為電網(wǎng)提供削峰填谷、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理、緊急支持等輔助服務(wù)。本文基于一體化電站充當(dāng)無(wú)功電源，補(bǔ)償本地負(fù)載的無(wú)功電流，有效抑制動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量的目的，對(duì)一體化電站運(yùn)行特性、2個(gè)變流器系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的綜合下垂特性進(jìn)行分析研究，并設(shè)計(jì)了無(wú)功電壓調(diào)控增值效益流程圖和緊急控制流程圖。算例分析表明，所提調(diào)控策略既實(shí)現(xiàn)了一體化電站的就地?zé)o功補(bǔ)償，又維持了輸出電壓水平，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行。

1 充放儲(chǔ)一體化電站運(yùn)行特性

1.1 充放儲(chǔ)一體化電站的組成

作為電動(dòng)汽車的能量供給系統(tǒng)，充放儲(chǔ)一體化電站可提高電池利用效率，對(duì)充放儲(chǔ)一體化電站各單元的功率、能量進(jìn)行優(yōu)化配置，可實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)、負(fù)荷的協(xié)調(diào)互動(dòng)，其主要由多用途變流裝置、充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)3個(gè)部分組成，如圖1所示［8］。多用途變流裝置由2組脈沖寬度調(diào)制（PWM）四象限變流器并聯(lián)組成，分別連接充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，為2個(gè)系統(tǒng)提供與電網(wǎng)功率交換服務(wù)。充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)既可以通過(guò)一組多用途變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的有功、無(wú)功交換，又可以通過(guò)充電機(jī)給電動(dòng)汽車充電或利用換電機(jī)器人實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池組的更換。梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過(guò)另一組多用途變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的有功、無(wú)功交換，也可直接對(duì)電池充換系統(tǒng)進(jìn)行充電。

圖1 智能充放儲(chǔ)一體化電站的組成Fig.1 Configuration of integrated EV station of intelligent charging，discharging and storage

1.2 一體化電站的電壓源等值空間矢量脈寬調(diào)制算法

空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）是根據(jù)電壓（或電流）瞬時(shí)空間矢量來(lái)控制逆變器交流輸出的一種控制策略［18］。

穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，逆變器輸出側(cè)可等效為負(fù)載，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2（a）所示。

逆變器的IGBT開關(guān)狀態(tài)如式（1）所示，則三相逆變器共有23=8種開關(guān)狀態(tài)，將正弦變化且互差120°相位角的三相交流電壓通過(guò)Clark變換，得到式（2）中相應(yīng)的αβ坐標(biāo)系下的分量Uα、Uβ。

上述8種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量中包含2個(gè)零矢量和6個(gè)基本工作矢量U1—U6，工作矢量依次相差60°，分為6個(gè)扇區(qū)，如圖2（b）所示。則任意空間矢量U均可分解到扇區(qū)相鄰2個(gè)矢量上，使各個(gè)分量工作一定時(shí)間從而使平均輸出滿足U的要求。這樣，可以通過(guò)控制IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通次序和時(shí)間，在交流側(cè)輸出所需的交流電壓，從交流輸出側(cè)看，可將一體化電站看作一可控電壓源。

圖2 等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及空間電壓矢量圖Fig.2 Equivalent topological structure and space voltage vector graph

1.3 充放儲(chǔ)一體化電站電壓源等值電路運(yùn)行特性

由上文可知，通過(guò)SVPWM算法將一體化電站等值為一電壓源，輸出電抗器作為內(nèi)部等值電抗，一體化電站即可以等值于同步發(fā)電機(jī)，等值電路如圖3所示。

圖3 智能充放儲(chǔ)一體化電站電壓源等值電路Fig.3 Equivalent circuit of voltage source of integrated EV station

圖3中，Us為系統(tǒng)電壓矢量，Iis為某一運(yùn)行狀態(tài)下一體化電站的輸出電流，則一體化電站作為等效電壓源的內(nèi)電壓Eis可計(jì)算為：

其中，Xis為內(nèi)部等值電抗。

由式（3）可知，假設(shè)一體化電站輸入輸出電流幅值恒定，則其內(nèi)電壓矢量構(gòu)成一體化電站等值電壓源運(yùn)行特性圓，如圖4所示。

Eis作為受控電壓源，根據(jù)式（3），不同的 Eis將產(chǎn)生不同的輸出電流Iis。Eis與系統(tǒng)電壓Us之間的夾角為內(nèi)功角φis，Iis與系統(tǒng)電壓Us之間的夾角為功率因數(shù)角θis，由θis可以判斷一體化電站運(yùn)行的模式。圖 4 中，Iis1、Iis2、Iis3、Iis4分別為一體化電站輸出電流分別位于4個(gè)象限時(shí)的示例。

圖4 智能充放儲(chǔ)一體化電站等值電壓源的運(yùn)行特性圓Fig.4 Operating characteristic circle of equivalent voltage source of integrated EV station

a.當(dāng)輸出電流為Iis1時(shí)，運(yùn)行于第四象限，一體化電站發(fā)出有功、無(wú)功，按照式（3）計(jì)算可知一體化電站的等效內(nèi)電壓矢量為Eis1，為等效發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式，θis運(yùn)行區(qū)間為（270°，0°），即

b.當(dāng)輸出電流為Iis2時(shí)，運(yùn)行于第三象限，一體化電站吸收有功、發(fā)出無(wú)功，按式（3）計(jì)算可知一體化電站的等效內(nèi)電壓矢量為Eis2，為等效靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）容性運(yùn)行模式，θis運(yùn)行區(qū)間為（180°，270°），即

c.當(dāng)輸出電流為Iis3時(shí)，運(yùn)行于第二象限，一體化電站吸收有功、發(fā)出無(wú)功，按照式（3）計(jì)算可知一體化電站的等效內(nèi)電壓矢量為Eis3，為等效負(fù)載運(yùn)行模式，θis運(yùn)行區(qū)間為（90°，180°），即

d.當(dāng)輸出電流為Iis4時(shí)，運(yùn)行于第一象限，一體化電站發(fā)出有功、吸收無(wú)功，按照式（3）計(jì)算可知一體化電站的等效內(nèi)電壓矢量為Eis4，為等值發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行模式，θis運(yùn)行區(qū)間為（0°，90°），即

若一體化電站的輸出電流幅值恒定，當(dāng)電流與系統(tǒng)電壓的相角發(fā)生變化時(shí)，可以調(diào)節(jié)一體化電站與電網(wǎng)之間的有功功率和無(wú)功功率大小及方向，對(duì)應(yīng)的一體化電站的等效內(nèi)電壓構(gòu)成一個(gè)圓，該特性圓的圓心為半徑為特性圓方程如式（4）所示。

顯然，如果希望輸出電流的幅值增加或減少，則式（4）右側(cè)的將變化，即一體化電站的特性圓半徑將增大或減小，一體化電站的特性圓是一個(gè)以為圓心、以為半徑的同心圓族，最大的外圓受一體化電站最大輸出電流限制。

從電網(wǎng)角度考慮，為控制電網(wǎng)無(wú)功潮流，正常情況下，一體化電站都應(yīng)該作為容性無(wú)功電源來(lái)使用。即一體化電站的功率運(yùn)行點(diǎn)應(yīng)該落在P≤0、Q≥0和P＞0、Q≥0這2個(gè)區(qū)域內(nèi)，此時(shí)等效內(nèi)電壓位于圖4的AC連線右側(cè)推薦運(yùn)行范圍，即實(shí)線區(qū)域，對(duì)應(yīng)一體化電站輸出電流Iis第三、四象限，即，區(qū)域的一體化電站作為負(fù)荷運(yùn)行于充電模式，區(qū)域的一體化電站作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行于放電模式。

2 一體化電站的無(wú)功電壓調(diào)控策略

2.1 一體化電站無(wú)功電壓調(diào)節(jié)特性

一體化電站作為容性無(wú)功電源為電網(wǎng)補(bǔ)償無(wú)功時(shí)，應(yīng)該滿足以下要求：首先，一體化電站投入和退出運(yùn)行時(shí)能平穩(wěn)地改變無(wú)功負(fù)荷，不致發(fā)生無(wú)功功率的沖擊；其次，并聯(lián)運(yùn)行的一體化電站或不在同一直流母線并聯(lián)運(yùn)行的多用途變流裝置之間的無(wú)功功率分配合理。本文涉及的一體化電站有充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，2個(gè)系統(tǒng)通過(guò)各自變流器變流后并聯(lián)到電網(wǎng)，在參與無(wú)功調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)并聯(lián)運(yùn)行要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的合理分配。

2.1.1 單變流器運(yùn)行的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)特性

為滿足上述運(yùn)行要求，定義一體化電站變流器的調(diào)差系數(shù)為：

其中，UisN為一體化電站變流器額定電壓；Uis1、Uis2分別為空載運(yùn)行和作為SVG運(yùn)行于額定無(wú)功電流IQN-is時(shí)一體化電站的變流器電壓，如圖5（a）所示，一般取Uis2=UisN；“*”表示取標(biāo)幺值。

圖5 智能充放儲(chǔ)一體化電站無(wú)功調(diào)節(jié)特性Fig.5 Reactive power regulating characteristics of integrated EV station

上述特性曲線在有的研究報(bào)告中又稱為微源的無(wú)功電壓下垂特性曲線。由式（5）可見，一體化電站變流器調(diào)差系數(shù)δis表示一體化電站輸出的無(wú)功電流從零增加到額定值時(shí)，一體化電站變流器電壓的相對(duì)變化。一體化電站變流器調(diào)差系數(shù)越小，無(wú)功電流變化時(shí)其電壓變化越小。

如前文所述，一體化電站變流器要求在投入或退出電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，能平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移負(fù)荷，避免引起對(duì)電網(wǎng)的沖擊。當(dāng)一體化電站無(wú)功電流減小時(shí)，只需將調(diào)節(jié)特性曲線平行下移至無(wú)功電流減小到零的位置，一體化電站就能夠退出運(yùn)行，同時(shí)不發(fā)生無(wú)功功率的突變。同理，一體化電站投入運(yùn)行時(shí)，只要令其調(diào)節(jié)特性曲線處于初始電壓為額定電壓的位置，待一體化電站并入電網(wǎng)后再進(jìn)行向上移動(dòng)特性曲線的操作，可使無(wú)功電流逐漸增加到運(yùn)行要求值。移動(dòng)一體化電站調(diào)節(jié)特性曲線的操作通過(guò)調(diào)節(jié)控制算法中的整定值即可實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 雙變流器并聯(lián)運(yùn)行的無(wú)功電壓調(diào)節(jié)特性

圖5（b）為一體化電站中2臺(tái)變流器并聯(lián)于同一母線時(shí)的無(wú)功調(diào)節(jié)特性曲線，變流器1、2的調(diào)節(jié)特性分別對(duì)應(yīng)特性曲線①和②。2臺(tái)變流器端電壓都等于母線電壓Us=Uis1，每臺(tái)變流器所負(fù)擔(dān)的無(wú)功電流是確定的，分別為IQ1-is和IQ2-is。

當(dāng)無(wú)功負(fù)荷增加時(shí)，母線電壓下降，一體化電站變流器中無(wú)功電壓調(diào)差控制器動(dòng)作，設(shè)新的穩(wěn)定電壓值為Uis2，這時(shí)每臺(tái)變流器負(fù)擔(dān)的無(wú)功電流分別為I′Q1-is和 I′Q2-is。變流器 1 和變流器 2 分別承擔(dān)一部分增加的無(wú)功負(fù)荷，2臺(tái)變流器間無(wú)功負(fù)荷的分配取決于各自的調(diào)差系數(shù)。圖5（b）中，無(wú)功電流為零時(shí)，一體化電站變流器端電壓為Uis0；無(wú)功電流為額定值IQN-is時(shí)，變流器端電壓為UisN，則母線電壓為Uis時(shí)變流器的無(wú)功電流可由式（6）表示，其標(biāo)幺值形式如式（7）所示。

若母線電壓從 Uis*變?yōu)?U′is*，則由式（7）可得一體化電站的無(wú)功電流變化量的標(biāo)幺值如式（8）所示。

其中，ΔUG*為母線電壓變化的標(biāo)幺值。

式（8）表明，當(dāng)母線電壓波動(dòng)時(shí)，一體化電站無(wú)功電流的增量與電壓偏差成正比，與調(diào)差系數(shù)成反比，而與電壓整定值無(wú)關(guān)。式（8）中負(fù)號(hào)表示在正調(diào)差（δis＞0）情況下，當(dāng)母線電壓降低時(shí)，一體化電站變流器無(wú)功電流將增加。2臺(tái)有正調(diào)差特性的變流器在公共母線上并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，其電壓偏差相同。由式（8）可知，調(diào)差系數(shù)較小的變流器承擔(dān)較多的無(wú)功電流增量。

2.2 一體化電站無(wú)功電壓調(diào)控流程設(shè)計(jì)

由上述分析可知，一體化電站具有良好的無(wú)功電壓控制能力。參與無(wú)功電壓控制的一體化電站能夠增加電網(wǎng)的無(wú)功電壓裕度，又不會(huì)帶來(lái)額外的功率損耗，因此對(duì)電網(wǎng)而言，一體化電站的無(wú)功電壓控制是一個(gè)非常重要的增值效益。

圖6為一體化電站無(wú)功電壓控制增值效益流程。首先根據(jù)一體化電站運(yùn)行計(jì)劃表提供的充放電曲線計(jì)算一體化電站輸入/輸出的總有功功率，根據(jù)調(diào)度表計(jì)算每臺(tái)多用途變流裝置與系統(tǒng)交互的有功功率，并求得每臺(tái)多用途變流裝置充放電的有功電流；然后根據(jù)一體化電站所在區(qū)域電網(wǎng)的無(wú)功功率增量值求得一體化電站總輸出無(wú)功電流，基于上述結(jié)果可求解出一體化電站的總輸入/輸出電流、無(wú)功電流最大值、每臺(tái)多用途變流裝置所承擔(dān)的無(wú)功電流。在一體化電站控制的每個(gè)IGBT開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以確定每臺(tái)多用途變流裝置的目標(biāo)輸出值及其矢量，計(jì)算矢量之和然后即可計(jì)算出一體化電站中每臺(tái)多用途變流裝置的參考電壓矢量，輸出開關(guān)表控制每臺(tái)多用途變流裝置的機(jī)內(nèi)電勢(shì)，然后進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期；如果開關(guān)周期已累計(jì)到1個(gè)完整的正弦周期，則計(jì)算出每臺(tái)變流裝置輸入/輸出的有功功率、無(wú)功功率、有功電流、無(wú)功電流，累計(jì)得到一體化電站總有功功率和無(wú)功功率，計(jì)算本周期無(wú)功增量引起的系統(tǒng)電壓偏差，以及由電壓偏差導(dǎo)致的有功功率和無(wú)功功率偏差，若確定偏差校正，則對(duì)下一周期值進(jìn)行校正。程序運(yùn)行可由調(diào)度中斷，計(jì)算的同步電壓矢量采用系統(tǒng)電壓。

圖6 增值策略流程圖Fig.6 Flowchart of value-added strategy

當(dāng)一體化電站所在電網(wǎng)處于緊急狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)無(wú)功功率大量缺失、系統(tǒng)電壓達(dá)到或突破危險(xiǎn)閾值，一體化電站應(yīng)作為緊急備用調(diào)節(jié)的發(fā)電機(jī)，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行緊急支持，以使電網(wǎng)回復(fù)到警戒狀態(tài)或安全狀態(tài)，圖7為緊急狀態(tài)下一體化電站無(wú)功電壓緊急控制流程圖。此時(shí)一體化電站首先從上級(jí)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）接口獲得電網(wǎng)進(jìn)入緊急狀態(tài)的消息。如前文所述，電網(wǎng)進(jìn)入緊急狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)電壓裕度越限或無(wú)功功率備用不足，一體化電站需要判斷電網(wǎng)是否進(jìn)入緊急狀態(tài)，如進(jìn)入緊急狀態(tài)則一體化電站應(yīng)立即停止充電計(jì)劃而進(jìn)入緊急控制。

緊急控制中一體化電站從上級(jí)SCADA系統(tǒng)獲得接入點(diǎn)潮流信息及電壓變化量，通過(guò)上述信息可以計(jì)算出系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的總?cè)笔Я?，一體化電站按照調(diào)度事先給定的優(yōu)化輸出表輸出有功功率和無(wú)功功率，在電網(wǎng)SCADA系統(tǒng)沒有提供新變化數(shù)據(jù)的情況下保持一體化電站的輸出狀態(tài)（一般SCADA系統(tǒng)通信時(shí)間為20個(gè)正弦周期），然后確定下一次的輸出值?？刂破陂g需要檢測(cè)一體化電站是否達(dá)到解列的要求、是否被調(diào)度中斷等條件。

3 算例分析

某一體化電站包括充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，這2個(gè)系統(tǒng)分別經(jīng)過(guò)8臺(tái)125 kW的變流器和2臺(tái)125 kW的變流器與電網(wǎng)并聯(lián)，電氣接線圖與圖1（b）相同。一體化電站中無(wú)功負(fù)荷工作時(shí)引起的無(wú)功消耗要求進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償，無(wú)功負(fù)荷如表1所示，表中負(fù)荷均由變流器網(wǎng)側(cè)380 V供電。

表1 智能充放儲(chǔ)一體化電站無(wú)功負(fù)荷Table 1 Reactive power loads of integrated EV station

表1中，商用車和乘用車換電機(jī)器人啟動(dòng)時(shí)消耗無(wú)功功率為正常工作時(shí)的5～8倍，按7倍考慮計(jì)算其啟動(dòng)最大無(wú)功功率。

圖7 緊急控制策略流程圖Fig.7 Flowchart of emergency control strategy

由于該一體化電站的充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的變流器功率因數(shù)可調(diào)范圍為-1～1，則無(wú)功補(bǔ)償容量理論上可以在0～1250 kvar范圍內(nèi)變化。正常運(yùn)行時(shí)，充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率因數(shù)均為0.96。充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)的8臺(tái)125 kW變流器的調(diào)差系數(shù)均為0.05，由于其工作特性完全相同，進(jìn)行無(wú)功電壓調(diào)節(jié)時(shí)，可以看作1臺(tái)1000 kW的變流器，等效調(diào)差系數(shù)δ1=0.05；梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的2臺(tái)125 kW變流器的調(diào)差系數(shù)均為0.01，同理可等效為1臺(tái)500 kW的變流器，等效調(diào)差系數(shù)δ2=0.01。2組變流器額定運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率及調(diào)差系數(shù)如表2所示。

表2 智能充放儲(chǔ)一體化電站變流器參數(shù)Table 2 Inverter parameters of integrated EV station

由于充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)各自的變流器并聯(lián)到電網(wǎng)，根據(jù)前文分析，考慮一體化電站對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)按并聯(lián)運(yùn)行無(wú)功調(diào)節(jié)模式考慮，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的合理分配?？紤]最嚴(yán)苛的情況，即3臺(tái)換電機(jī)器人同時(shí)啟動(dòng)的情況，可得母線電壓波動(dòng)、一體化電站損耗（標(biāo)幺值）在無(wú)功補(bǔ)償前后的對(duì)比以及無(wú)功分配的情況，如表3所示。

表3 無(wú)功補(bǔ)償前后電站損耗、母線電壓波動(dòng)和無(wú)功增量對(duì)比Table 3 Comparison of station loss，bus voltage fluctuation and reactive power increase between before and after reactive power compensation

由表3可知，當(dāng)一體化電站無(wú)功負(fù)荷增加時(shí)，可通過(guò)充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)提供無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)無(wú)功就地補(bǔ)償，并能保證一體化電站輸出電壓的水平。事實(shí)上，即使3臺(tái)換電機(jī)器人同時(shí)投入運(yùn)行，在啟動(dòng)瞬間的母線電壓也只降低了2.29%，較好地維持了一體化電站的輸出電壓水平。

由于充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)最重要的用途是為電動(dòng)汽車提供電能，對(duì)電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償更多地應(yīng)由梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)完成。上述計(jì)算表明，3臺(tái)換電機(jī)器人同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)無(wú)功增量為128.45 kvar，而梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的無(wú)功增量為160.56kvar。可見梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)承擔(dān)了更多的無(wú)功補(bǔ)償增量，這也為充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)保存足夠電量為電動(dòng)汽車充電提供了保證。

4 結(jié)論

一體化電站作為區(qū)域性的有源電站，可以通過(guò)SVPWM控制算法，等效為一個(gè)電壓幅值和相位可調(diào)的電壓源，調(diào)節(jié)其運(yùn)行特性，可以向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率。本文主要完成了以下3個(gè)方面的工作：

a.分析了一體化電站的運(yùn)行特性圓及推薦運(yùn)行區(qū)域；

b.分析并推導(dǎo)了一體化電站中充放儲(chǔ)換電站變流器與梯次電池儲(chǔ)能站變流器并聯(lián)運(yùn)行的綜合下垂特性公式；

c.提出了一體化電站不同運(yùn)行模式下的基于無(wú)功電壓調(diào)控的增值策略和緊急控制策略。

最后通過(guò)算例分析論證了一體化電站既能根據(jù)無(wú)功負(fù)荷增量實(shí)現(xiàn)就地?zé)o功補(bǔ)償，又能維持母線電壓水平，并通過(guò)無(wú)功功率合理分配保證了充放儲(chǔ)換電系統(tǒng)的電量，說(shuō)明該一體化電站具有良好的無(wú)功電壓調(diào)控能力。