光储式电动汽车充电站微网系统研究

陈晓光,徐冰亮,董尔佳,徐明宇,武国良

(黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)



光储式电动汽车充电站微网系统研究

陈晓光,徐冰亮,董尔佳,徐明宇,武国良

(黑龙江省电力科学研究院,哈尔滨 150030)

介绍了光储式电动汽车充电站微网系统的具体结构、控制方式、工作过程,通过实验研究了在微网负载的种类和大小不同的情况下,微网系统运行方式的切换对电网或负载的冲击和影响。

光储式;充电站;微网系统;运行方式切换

近年来,电动汽车充电设施在黑龙江省逐渐得到推广和应用,同时,国家政策对光伏发电等分布式能源的发展也提供了大力支持[1]。基于此,本文提出将光伏发电系统、蓄电池储能装置以及电动汽车充电系统相结合构成微电网,通过调整控制方式[2-3],实现并网运行和孤网运行间的无缝切换[4],使该微网系统既可以并网运行,也可以离网独立运行。

1 光储式电动汽车充电站微网系统结构

本文建立了一套带有储能装置的光伏发电系统,这套系统与原有的电动汽车充电系统相结合构成了一个微网系统,即光储式电动汽车充电站微网系统[5-6],其原理图如图1所示。

光储式电动汽车充电站微网系统由太阳能发电装置、铅酸蓄电池储能单元、电动汽车充电系统和电费计量系统构成。其中,太阳能发电装置光伏组件的容量为19.14 kW,通过3台并网逆变器与系统连接;铅酸蓄电池储能单元的容量为150 A×12 V×8,通过3台双向并网逆变器与系统连接。系统的示意图如图2所示。

图1 微网系统原理图

该控制切换设备由固体开关及相应的控制和通信设备组成,完成对整个微网系统的协调控制。微网系统的具体运行方式可以根据电网的情况自行切换,与原理图相对应的微网系统图如图3所示。

通过控制断路器2、断路器3、断路器4以及改变并网逆变器和双向逆变器的运行方式可以实现并网运行与离网运行间的无缝切换。

图2 光储式电动汽车充电站微网系统示意图

图3 光储式电动汽车充换电实验站光伏发电系统图

2 光储式电动汽车充电站微网控制系统

2.1 控制系统概述

微网控制系统包括配电网调度层、集中控制层和就地控制层,如图4所示。在微网控制系统的控制结构中,每一层不但要完成自己独立的控制功能,同时还要相互协作。

2.1.1 就地控制层

就地控制层的设备主要包括光伏逆变器、蓄电池用双向逆变器以及电动汽车充电柜等。这一层的主要功能是:故障情况下微网系统的快速保护;光伏发电系统的最大功率跟踪、孤岛控制以及功率调节;蓄电池储能装置的充放电控制等。

2.1.2 集中控制层

集中控制层的主要设备为微网系统控制切换箱,它将控制器集成在一起,实现对于整个系统的集中统一控制,具体包括并/离网切换控制、频率控制、电压控制以及微网系统负载的控制等。

图4 微网控制系统解决方案

2.1.3 配网调度层

相对于配网系统而言,可以将微网系统看成一个可调度的单元,既可以并入配电网系统运行,也可以在配电网系统故障时与系统断开,孤网运行。因此,配网调度层的主要功能就是配网系统的调度、馈线控制以及分布式发电的控制等。

2.2 控制方式

2.2.1P/Q控制方式

在并网运行状态下,本微网系统采用P/Q控制方式,通过直接控制逆变器实现P/Q控制。在并网状态下,微网内负荷波动、频率以及电压扰动由大电网承担,光伏发电系统不参与频率调节和电压调节,而是直接采用电网频率和电压作为调节基础,通过逆变器的控制作用,按照给定参考值进行有功功率和无功功率输出。

在这种控制方式及Park变换下,通过选择同步旋转轴,可将输出侧电压abc分量转化为dq0分量,同时使q轴电压分量ugq=0,则输出侧的功率为

Preq=ugd×igd+ugq×igq=ugd×igd

Qreq=-ugd×igd+ugq×igq=-ugd×igd

可得内环(电流)的dq轴参考值为

igd,ref=Pref/ugd

igq,ref=-Qref/ugd

电流的dq轴参考值igd,ref、igq,ref与实测电压值igd、igq的差通过PI调节器的作用,可以为逆变器提供输出电压参考uid,ref、uiq,ref。而且,根据逆变器出口滤波电感的参数Lt,可以设置控制逆变器的dq轴电压的参考分量uid,ref、uiq,ref,通过Park反变换,将其转化为abc坐标分量,从而实现对逆变器的控制。控制框图如图5所示。

图5 P/Q控制框图

2.2.2U/f控制方式

在孤网状态下,本微网系统主要采用U/f控制进行电压和频率调节。通过设定电压和频率参考值,在PI控制器作用下实时控制逆变器输出端口电压和频率,可为恒压、恒频电源使用。

逆变器的电压和频率控制主要是为微电网的孤网运行提供强有力的电压和频率支撑并具有一定负荷功率的跟随特性。通过设定频率以及电压的参考值,在PI调节器作用下实时检测逆变器出口的频率和电压,作为恒频、恒压的微小电源来使用。控制方式如图6所示。

图6 U/f控制框图

由图6可见,逆变器采用U/f控制时,只采集端口的电压信息,其频率采用恒定参考值,即电源频率恒定。

3 微网系统工作过程

在正常情况下微网系统并网运行,白天阳光充足时光伏发电系统为电动车充电桩和光伏控制室内用电负荷供电,同时为蓄电池储能,多余的电力通过双向电能计量系统送入电网,晚上利用电网为电动车充电桩和光伏控制室内用电负荷供电;当电网因某些原因停止供电时,微网系统控制切换设备中的监控装置会检测到电网的异常情况,并使光伏发电的系统并网侧开关以及负荷侧开关自动断开,同时使光伏接入开关闭合,这样,微网系统转换为孤网运行方式,维持电动汽车充电桩和光伏控制室的电力供应,确保了重要负荷的持续可靠供电。

在微网系统孤网运行时,由蓄电池组和双向逆变器组成的储能系统的作用是维持整个系统的电压、频率的稳定以及功率的平衡。当光伏发电系统的输出功率小于负载的用电功率时,蓄电池组工作在放电状态,也就是说,此时由光伏发电系统和蓄电池组共同为负载提供电力;当光伏发电系统的输出功率大于负载的用电功率时,蓄电池组工作在充电状态,将大于用电负荷的那一部分电能暂时存在蓄电池中备用,以维持系统电压和频率的稳定,保证为负载提供持续的电力供应。

4 微网系统并/离网切换实验及分析

在负载的种类和大小不同的情况下,测试光储充电站微网系统由并网运行转换为孤网运行或由孤网运行转换为并网运行的过程中所需要的切换时间及波形,研究微网系统运行方式的切换对于电网或负载的冲击和影响。

实验一:微网系统空载,输出电流为0,电压波形如图7所示。

图7 微网系统空载系统并网转孤网运行时的波形

由图7可见,在正常情况下,系统并网运行,电网电压为微网系统的输出电压。当电网因故障突然失电时,微网系统可以在不间断供电的情况下自动将运行方式由并网运行转换为孤网运行,转换过程在两个周波内完成。

根据实验结果还可以看出,孤网转并网的过程也是在不间断供电的情况下完成的,但是持续时间较长,约30 s。当电网故障消失恢复供电时,系统检测到电网电压,然后开始自动调整系统输出电压的频率和相位,直到系统输出电压的频率和相位与电网电压的频率和相位之间的差值满足并网允许的条件时,系统并网开关闭合,实现孤网转并网的运行。

实验二:微网系统轻载。微网系统通过电动汽车直流充电桩连接容量为3.5 kW的负载。重复实验一的实验过程。

在电网因故障突然失电时,微网系统仍然可以在不间断供电的情况下自动将运行方式由并网运行转换为孤网运行,转换过程在两个周波内完成。值得注意的是,相对于大电网而言,孤网运行时由于光伏发电系统容量有限,负载产生的谐波引起系统电压波形畸变较为严重,所以对于微网系统中有非线性负载接入的情况,为了不影响其他负载的正常工作,应加装滤波装置。

孤网运行过程中,微网系统中的蓄电池为负载供电,当蓄电池的电量下降到一定程度时,光伏发电系统开始并网发电,即给负载供电,同时还给蓄电池充电。这一过程反复进行,从而持续维持对负载的电力供应。

实验三:微网系统中载。微网系统通过电动汽车直流充电桩连接容量为9 kW的负载。重复实验一的实验过程。

中载情况下微网系统的运行方式切换过程与轻载时相似,并网转孤网仍然可以在两个周波左右的时间完成,负载供电不间断,只是由于非线性负载容量的增大,系统电压波形的畸变更加严重,电能质量更加不理想。

实验四:微网系统重载。微网系统通过电动汽车直流充电桩连接容量为11 kW的负载。重复实验一的实验过程，电压波形如图8所示。

图8 微网系统重载系统并网转孤网运行时的波形

从图8可以看到,重载情况下并网转孤网的过程和空载时一样,实际上是因为在切换的一瞬间负载过大,系统无法支撑而将负载切掉。也就是说,这种情况下微网系统无法继续为负载提供电力,使切换失败。

由上述实验可以得出以下结论:

1) 对于光储式电动汽车充换电实验站微网系统,当所带负载小于等于微网系统容量的50%时,在电网出现故障而停止供电的情况下,系统可以自动由并网运行转换为孤网运行,并且切换过程可以在两个周波左右的时间内完成,负载供电不间断。

2) 当所带负载大于微网系统容量的50%时,在电网出现故障的情况下,系统无法自动完成由并网运行到孤网运行的转换。

3) 在孤网运行的情况下,由于系统容量有限,如果系统负载为非线性负载,则系统电压畸变比较严重,为了不影响微网系统内其他负载的电力供应,应该配备相应的滤波装置。

5 结 语

本文全面论述了光储式电动汽车充电站微电网的系统结构、控制方式、工作过程,并通过微电网并/离网切换实验,研究了运行方式切换对电网或负载冲击的影响，为电动汽车充电设施在黑龙江省的应用以及分布式光伏发电的发展提供了参考和借鉴。

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(责任编辑 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。

陈晓光(1982—)，男,硕士研究生,研究方向为电力系统及其自动化。

TM910.6; U469.72

A

2095-6843(2016)02-0123-04