基于混合儲能的電動汽車充電站微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制：程啟明,徐聰,程尹曼,黃偉,郭凱
研究背景
電動汽車（EV）與電網(wǎng)或微網(wǎng)互聯(lián)是EV發(fā)展的一個(gè)趨勢。光儲式EV充電站是一種直流微網(wǎng)，它是利用光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)供電相結(jié)合的供電方式，在一定程度上降低了EV負(fù)荷對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)又可充分利用光伏發(fā)電，在日照強(qiáng)烈時(shí)多發(fā)電，將剩余電能賣給電網(wǎng)，提高充電站的收益。在直流微網(wǎng)中，能量的平衡控制可歸結(jié)為直流母線電壓的調(diào)整和電能質(zhì)量的管理。根據(jù)直流母線電壓的分層下垂變化，實(shí)現(xiàn)各變換器之間的協(xié)調(diào)控制。由于下垂控制無法實(shí)現(xiàn)對直流電壓的恒定控制，微網(wǎng)系統(tǒng)無可避免要面對新能源發(fā)電波動或者負(fù)荷的切換引起的電壓波動。為此，微網(wǎng)系統(tǒng)中通常需要增加儲能裝置來抑制功率波動，但是單一的儲能裝置很難同時(shí)滿足功率與能量兩方面要求。目前，對于超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)研究較多，雖然超級電容具有功率密度高、充電速度快等優(yōu)點(diǎn)，但也存在儲能密度小、安裝位置或使用不當(dāng)會造成電解質(zhì)泄漏、內(nèi)阻較大和價(jià)格較貴等缺點(diǎn)。飛輪儲能裝置具有儲能密度高、功率密度大、壽命長、工作溫度寬、損耗小、環(huán)保無污染和維護(hù)低等特點(diǎn)，近年來飛輪儲能的研究及應(yīng)用受到重視。因此，基于飛輪與蓄電池混合儲能的電動汽車充電站直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究對于維持直流微網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定、提高微網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。
主要創(chuàng)新點(diǎn)
本文設(shè)計(jì)的光儲式EV充電站微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文設(shè)計(jì)的光儲式電動汽車充電站是由光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合儲能、EV充放電系統(tǒng)、DC/DC和AC/DC變換器、交直流負(fù)荷和中央控制單元等部分組成。光儲式EV充電站主要以直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)方式運(yùn)行，并配制了混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化微網(wǎng)的能量配置，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、EV充放電的協(xié)調(diào)控制。同時(shí)，交流側(cè)母線與直流母線通過雙向AC/DC變換模塊實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，并通過固態(tài)切換開關(guān)（SST）實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)與主網(wǎng)之間的聯(lián)網(wǎng)（即并網(wǎng)）和離網(wǎng)（即孤島）模式切換。
本文儲能系統(tǒng)采用飛輪與蓄電池混合儲能的方式，利用飛輪快速充放電的特性，對系統(tǒng)中的高頻功率和部分低頻功率進(jìn)行補(bǔ)償，平滑蓄電池的輸入功率，從而在蓄電池提供電壓支撐時(shí)達(dá)到維持直流母線電壓平滑穩(wěn)定、并提高蓄電池使用壽命的目的。蓄電池用于平衡基準(zhǔn)功率以維持母線電壓平滑穩(wěn)定。
直流微網(wǎng)中直流母線電壓是反映系統(tǒng)內(nèi)功率平衡的唯一指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了直流母線5層電壓（分層）協(xié)調(diào)控制策略，它根據(jù)直流母線電壓的分層下垂變化，實(shí)現(xiàn)各變換器之間的協(xié)調(diào)控制，從而實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)中功率的協(xié)調(diào)優(yōu)化分配。圖2為直流母線電壓分層控制策略。圖中，直流母線電壓共分為5層，每層對應(yīng)有相應(yīng)變流器的電壓下垂控制，以保證系統(tǒng)中的功率平衡。其中：第1層控制，系統(tǒng)功率過剩，由光伏發(fā)電系統(tǒng)單向DC/DC變換器降功率控制維持直流母線功率的平衡并提供電壓支撐；第2、5層控制，由蓄電池儲能通過雙向DC/DC變換器電壓-電流下垂控制，維持母線電壓的穩(wěn)定；第3、4層控制，由雙向AC/DC變換器通過與交流側(cè)功率的交換，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定控制。
為便于分層控制中不同電壓層各變換器的控制策略快速切換，本文還增設(shè)功率監(jiān)測環(huán)節(jié)。即在電壓未達(dá)到某一電壓層而實(shí)際功率需要這一電壓層平衡控制時(shí)，立即切換到該層的控制策略，達(dá)到最終電壓平滑過渡的目的。
本文針對3種孤島運(yùn)行模式和種并網(wǎng)運(yùn)行模式不同工況進(jìn)行了仿真分析研究。仿真結(jié)果表明，在所有工況下，所提控制策略都能使直流母線電壓在不同電壓層間有效切換，維持光儲充電站直流微網(wǎng)系統(tǒng)的直流母線電壓平衡，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的靈活、可靠運(yùn)行。
結(jié)論
1）飛輪和蓄電池混合儲能的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制對于直流母線電壓的平滑過渡效果明顯，能改善微網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量，更有利于各變換器之間的協(xié)調(diào)控制以及系統(tǒng)中電氣設(shè)備的使用壽命的改善。
2）直流微網(wǎng)電壓分層控制中，直流電壓是系統(tǒng)中不同變換器之間實(shí)現(xiàn)下垂無互聯(lián)控制的重要依據(jù)。但僅靠直流電壓響應(yīng)控制會使系統(tǒng)在切換不同模式時(shí)發(fā)生振蕩失穩(wěn)。因此需要設(shè)置功率監(jiān)測來改善控制性能，提高控制的靈活性。
3）本文提出的光儲式電動汽車直流微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)及其控制策略具有通用性，它們對于新能源的入網(wǎng)和就地消納，以及電動汽車和電網(wǎng)之間的互動研究具有很好的參考和實(shí)用價(jià)值。
后續(xù)研究內(nèi)容
1）本文僅從充電站的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)控制分析，并未著眼于其工程建設(shè)和量化規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)等，這一點(diǎn)有待進(jìn)一步深入和細(xì)化。
2）混合儲能中飛輪僅作為蓄電池儲能的功率和能量補(bǔ)充，在蓄電池為直流母線電壓提供支撐時(shí)，平滑部分高頻和低頻功率。對于飛輪在混合系統(tǒng)中的用途還有待拓展，例如，在蓄電池?zé)o法維持系統(tǒng)的功率平衡時(shí)，由飛輪進(jìn)一步作為母線電壓的支撐等。
