安科瑞光储充一体化充电站的控制策略研究

徐悦 安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

0.引言

通过对光储充一体化充电站配置要求的分析，提出一种以光伏系统、储能系统、VIENNA整流器和直流充电设施构成的光储充一体化充电站系统。在功率流向关系的基础上，根据工作充电桩数量提出了一种光储充一体化充电站的协调控制策略。通过MATLAB/Simulink平台仿真验证了其可行性和有效性。

近年来，我国新能源产业与其重要组成部分的新能源汽车飞速发展，与新能源汽车配套的充电产业更是迎来了更大的发展机遇。光储充一体化充电站结合光伏发电技术、储能技术与充电桩技术，利用可再生能源，同时还能利用储能系统实现削峰填谷，有效提高光伏利用率和充电站经济性。光储充一体化充电站作为充电站的新思路，亟需对其系统构成和控制策略进行分析研究。

目前，电动汽车的充电方式主要分为传导式与无线式充电，其中传导式充电依据输出电流类型又分为直流充电和交流充电;充电站根据系统内部的母线传输电能的形式及主要子系统交换电能的形式，可以分为直流母线配电和交流母线配电。以直流母线配电形式的含光伏充电站，为了维持较高工作效率，应尽量保持DC/DC直流变换器工作在较高能量转换率。在直流微网中，直流母线电压是系统内功率平衡和能量控制平衡的重要指标。根据直流母线电压变化量和蓄电池状态，协调控制各个变换器，是一种适用典型结构的直流微电网控制策略。通常在微网系统中加入储能，可以解决可靠性不足、能量波动和电压波动等问题。引入更多形式储能后，需要改进储能控制策略，协调不同储能，再根据直流母线电压变化量，协调控制直流微电网。电动汽车的充电需求由于在时间和空间上都具有灵活性，从充电站的角度，充电站需要采用一定的方法，削峰填谷，均衡充电需求。随着电动汽车数量的增加，电动汽车充电不可避免地对电力系统的电能质量、可靠性和经济运行造成负面影响。充电站为了引导有序充电，可以引入分时电价，分散各个充电站接入位置，提高可再生能源利用率。

本文首先根据直流母线配电的光储充一体化充电站系统的系统构成，提出一种充电站结构。之后，以该结构为研究对象，根据工作中充电桩数量和子系统功率流向，提出针对光伏Boost变换器、储能电池双向DC/DC变换器、电容双向DC/DC变换器和VIENNA整流器的协调控制策略。通过MATLAB/Simulink平台仿真验证了协调控制策略的可行性和有效性。

1.光储充一体化充电站系统结构

直流母线配电的光储充一体化充电站系统主要包括供配电系统、直流充电设施、储能系统和光伏发电系统等。其中，光伏、储能和直流充电设施通过直流母线进行能量交换，这三个子系统均使用DC/DC变换器，充电站在并网处使用AC/DC整流器。本文提出的直流配电的光储充一体化充电站结构如图1所示。

图1中，并网处AC/DC整流器采用VIENNA整流器。由于VIENNA整流器直流侧采用两个等值电容，开关管的电压应力仅有直流输出电压的一半;同时，其结构设计决定了不存在上下桥臂直通的问题，不需要考虑死区问题，非常适用于并网处ACDC整流器。储能系统处直流变换器采用双向DC/DC电路，保证能量双向流动的同时还要参与维持直流母线电压的稳定。直流母线配电的充电站系统使得充电桩无需常规直流充电桩的整流单元，只需DC/DC变换器即可为汽车充电。

2.光伏发电系统DC/DC变换器控制策略

直流母线配电的光储充一体化充电站的光伏发电系统主要由光伏阵列和单向DC/DC变换器(BOOST电路)构成。

由于光伏发电功率随机波动，在直流母线电压允许范围内，BOOST电路采用电导增量法实现功率点跟踪(MPPT)。当光伏发电功率过剩，直流母线电压不断升高时，BOOST电路工作模式从MPPT模式切换至恒压控制模式(CVC)，如图2所示。

3.VIENNA整流器控制策略

理想的VIENNA整流器直流侧电容大小相同，并且上下电容、电压相等，即。如图3所示。

4.储能系统双向DC/DC变换器控制策略

储能系统在光储充一体化充电站中有平滑能量波动，维持母线电压等作用。直流母线配电的充电站通常采用非隔离型双向DC/DC变换器。非隔离型双向DC/DC变换器成本较低，易于控制，其电路结构如图5所示。

在光伏充电站运行过程中，光伏出力存在大大小小的波动，其中一些波动会影响储能系统双向DC/DC变换器的工作模式(Buck/Boost)，频繁的波动会使储能电池在充放电之间反复切换，对储能电池造成损伤。因此，储能系统可以加入电容平滑功率波动。功率波动中的高频部分通过低通滤波器过滤，而电池储能承担低频功率波动。对于双向DC/DC变换器，一般采用电压外环电流内环的双闭环控制结构，控制框图如图6所示。

5.光伏并网逆变器控制策略

由于光伏并网逆变器不参与光储充一体化充电站的充电工作，可以根据需要选择在逆变器中加入隔离变压器，以提高充电站发出电能质量。单级逆变拓扑在效率、动态响应速度、稳定性和可靠性等指标上均高于两级拓扑。因此，光伏系统可以使用单级拓扑，经并网点直接将光伏系统所发出的闲置能量输送至电网。光伏并网逆变器可以使用的一些控制策略比较见表1。

6.光储充一体化充电站协调控制

图7所示为直流配电的光储充一体化充电站的控制系统。

基于以上分析，本文提出一种充电站协调控制策略。该协调控制策略主要依据工作中充电桩数量、光伏出力和储能状态，将充电站分为以下六种典型工作模式。

工作中充电桩数量低时，此时仅光伏系统和储能系统出力可能满足充电需求，充电站无需电网提供能量，即模式一～模式三。

模式一：光伏系统发电功率足够汽车充电功率，多余能量储存至储能。此时系统功率表达式为

式中，PPV为光伏系统发出功率；PBAT为储能系统吸收功率；PEV为电动汽车所需功率。

模式二：光伏系统发电功率多于汽车充电功率，储能能够向汽车充电。此时功率表达式为

模式三：光伏系统发电功率不足，储能系统可以补充不足功率。此时功率表达式为

当光伏系统与储能系统不能满足充电需求时，充电桩需要电网提供能量，即模式四与模式五。

模式四：光伏系统发电功率不足，储能系统不能补充不足功率。此时功率平衡方程为

式中，PGRID为电网提供功率。模式五：光伏系统处于空闲状态，不提供能量，充电站由电网提供能量向电动汽车充电。此时功率平衡方程为

模式六：充电桩处于空闲状态，光伏系统发出功率由逆变器并网向电网输送。

充电站运行时一般在以上六种模式切换。为了避免储能电池损坏，SOC低于20%时，储能SOC控制进入放电警戒；SOC高于80%时，储能SOC控制进入充电警戒。充电站工作模式划分见表2。

7.光储充一体化充电站的仿真建模及协调控制仿真分析

根据本文所提出光储充一体化充电站的系统构成及其控制策略，在MATLAB\Simulink中搭建光储充一体化充电站的仿真建模，如图8所示。充电站仿真建模参数:直流母线电压设定为700V;储能系统采用电压为200V，容量为200A·h的铅酸电池。其中充电桩侧DC/DC变换器采用电路如图9所示，该变化器设定输出电压为350V。

对充电站的主要工作模式进行仿真，仿真结果如图10～12所示。

8.安科瑞充电桩收费运营云平台系统选型方案

8.1概述

AcrelCloud-9000安科瑞充电柱收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的电动电动自行车充电站以及各个充电整法行不间断地数据采集和监控，实时监控充电桩运行状态，进行充电服务、支付管理，交易结算，资要管理、电能管理，明细查询等。同时对充电机过温保护、漏电、充电机输入/输出过压，欠压，绝缘低各类故障进行预警；充电桩支持以太网、4G或WIFI等方式接入互联网，用户通过微信、支付宝，云闪付扫码充电。

8.2应用场所

适用于民用建筑、一般工业建筑、居住小区、实业单位、商业综合体、学校、园区等充电桩模式的充电基础设施设计。

8.3系统结构

系统分为四层：

1）即数据采集层、网络传输层、数据层和客户端层。

2）数据采集层：包括电瓶车智能充电桩通讯协议为标准modbus-rtu。电瓶车智能充电桩用于采集充电回路的电力参数，并进行电能计量和保护。

3）网络传输层：通过4G网络将数据上传至搭建好的数据库服务器。

4）数据层：包含应用服务器和数据服务器，应用服务器部署数据采集服务、WEB网站，数据服务器部署实时数据库、历史数据库、基础数据库。

5）应客户端层：系统管理员可在浏览器中访问电瓶车充电桩收费平台。终端充电用户通过刷卡扫码的方式启动充电。

小区充电平台功能主要涵盖充电设施智能化大屏、实时监控、交易管理、故障管理、统计分析、基础数据管理等功能，同时为运维人员提供运维APP，充电用户提供充电小程序。

8.4安科瑞充电桩云平台系统功能

8.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站点分布情况，对设备状态、设备使用率、充电次数、充电时长、充电金额、充电度数、充电桩故障等进行统计显示，同时可查看每个站点的站点信息、充电桩列表、充电记录、收益、能耗、故障记录等。统一管理小区充电桩，查看设备使用率，合理分配资源。

8.4.2实时监控

实时监视充电设施运行状况，主要包括充电桩运行状态、回路状态、充电过程中的充电电量、充电电压/电流，充电桩告警信息等。

8.4.3交易管理

平台管理人员可管理充电用户账户，对其进行账户进行充值、退款、冻结、注销等操作，可查看小区用户每日的充电交易详细信息。

8.4.4故障管理

设备自动上报故障信息，平台管理人员可通过平台查看故障信息并进行派发处理，同时运维人员可通过运维APP收取故障推送，运维人员在运维工作完成后将结果上报。充电用户也可通过充电小程序反馈现场问题。

8.4.5统计分析

通过系统平台，从充电站点、充电设施、、充电时间、充电方式等不同角度，查询充电交易统计信息、能耗统计信息等。

8.4.6基础数据管理

在系统平台建立运营商户，运营商可建立和管理其运营所需站点和充电设施，维护充电设施信息、价格策略、折扣、优惠活动，同时可管理在线卡用户充值、冻结和解绑。

8.4.7运维APP

面向运维人员使用，可以对站点和充电桩进行管理、能够进行故障闭环处理、查询流量卡使用情况、查询充电\充值情况，进行远程参数设置，同时可接收故障推送

8.4.8充电小程序

面向充电用户使用，可查看附近空闲设备，主要包含扫码充电、账户充值，充电卡绑定、交易查询、故障申诉等功能。

8.5系统硬件配置

9.结束语

本文根据直流母线配电的充电站系统的系统构成，设计了以光伏系统、储能系统、VIENNA整流器和直流充电设施构成的光储充一体化充电站，并提出了针对该充电站的协调控制策略。该协调控制依据子系统间功率流动关系和工作中充电桩数量将充电站划分为六种工作模式，通过对不同工作模式下各子系统的控制，维持充电站整体功率平衡。通过MATLAB\Simulink对该充电站进行仿真建模，并对充电站的主要工作模式进行仿真，证明了提出的协调控制策略的可行性。

参考文献

[1]钱程.储能式电动汽车充电桩的设计D]，安徽理工大学，2018.

[2]王迎州,艾青,何建民,余加民.光储充一体化充电站的控制策略研究

[3]企业微电网设计与应用手册2022.05版.

作者简介

徐悦，女，安科瑞电气股份有限公司。