電動汽車充儲放一體化充電站及充放電方法
2023-06-19 04:13:26
電動汽車充儲放一體化充電站及充放電方法
【專利摘要】本發明公開了一種電動汽車充儲放一體化充電站，包括AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器、儲能堆和單向DC/DC變流器；所述AC/DC變流器的交流側與電網相連，將來自電網的交流電轉換成直流電，輸送給母線；所述雙向DC/DC變流器一端與母線相連，另一端與儲能堆相連，實現儲能堆與母線之間的雙向能量傳輸；所述單向DC/DC變流器為電動汽車提供電源，將母線上的直流電輸送給電動汽車；所述儲能堆用於存儲電能，通過雙向DC/DC變流器實現自充放電。本發明在保證電動汽車正常充電基礎上，改善了充電系統與儲能系統的連接方式及儲能堆的充放電方式，能有效地降低充電站的充電峰值負荷、平滑充電負荷曲線，並實現了對儲能電池的淺充淺放，降低充電站的配電容量和延長動力電池的循環壽命。
【專利說明】電動汽車充儲放一體化充電站及充放電方法【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種由電池組向負載供電領域，具體涉及一種電動汽車充儲放一體化電站及充放電方法。
【背景技術】
[0002]目前，國內電動汽車的推廣應用大多停留在公共領域，例如，客車、計程車、環衛車等公務用車，這些電動汽車主要在白天運行，導致白天充電期間，充電負荷疊加於電網高峰負荷，使得電網負荷進一步增大。同時，電動汽車動力電池充電容量達到80%以下時，將從電動汽車上退役，但此部分電池可作為儲能使用。
[0003]因此，為降低電動汽車充電對電網負荷的衝擊和實現動力電池的梯級利用，各地紛紛建設一定容量的儲能堆，實現充電站充放儲一體化。
[0004]中國申請號201210279995.0的專利公開了一種電動汽車充放儲一體化系統，此系統在實現換電的同時，實現了儲能系統與電網間的放電和動力電池的梯級利用。但此種充放電方式存在的問題是，直接與電網互動進行削峰填谷要求儲能系統容量足夠大，否則效果並不明顯。同時，與電網互動過程複雜。
[0005]中國申請號201210514524.3的專利公開了一種電動汽車充放儲一體化電站功率流動三級變流裝置，此裝置解決了不同類型電池不能「因池而異」的充電技術問題，實現了電池組均衡的充電。但此裝置存在的問題是，增加了只有一種電池類型的充電站建設成本，適用性差。同時，並未解決充電站充電時對電網產生的負荷衝擊問題。
【發明內容】
[0006]有鑑於此，本發明的目的是提供一種電動汽車充儲放一體化電站充放電方法，有效地降低充電站的峰值功率、平滑充`電站的功率和實現電動汽車動力電池梯次利用。
[0007]本發明的目的之一是通過這樣的技術方案實現的，電動汽車充儲放一體化充電站，包括AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器、儲能堆和單向DC/DC變流器；所述AC/DC變流器的交流側與電網相連，將來自電網的交流電轉換成直流電，輸送給母線；所述雙向DC/DC變流器一端與母線相連，另一端與儲能堆相連，實現儲能堆與母線之間的雙向能量傳輸；所述單向DC/DC變流器為電動汽車提供電源，將母線上的直流電輸送給電動汽車；所述儲能堆用於存儲電能，通過雙向DC/DC變流器實現自充放電。
[0008]進一步，所述儲能堆由多個電池組串關聯而成。
[0009]進一步，所述儲能堆為新電池或電動汽車退役動力電池。
[0010]本發明的目的之二是通過以下技術方案實現的，電動汽車充儲放一體化充電站充放電方法，根據電網晝夜負荷峰谷差特性、充電站的充電負荷需求和配電容量以及AC/DC變流器的功率大小，確定充電站的目標平滑負荷；電動汽車充電期間，當充電負荷需求小於目標平滑負荷時，AC/DC變流器同時向電動汽車和儲能堆充電；當充電負荷需求等於目標平滑負荷時，AC/DC變流器只向電動汽車充電；當充電負荷需求大於目標平滑負荷時，由儲能堆和AC/DC變流器一起向電動汽車充電。
[0011]進一步，所述AC/DC變流器同時向電動汽車和儲能堆充電時，優先保證電動汽車充電，電力富裕的前提下，通過調節雙向DC/DC變流器的電壓，使得剩餘電力能夠通過雙向DC/DC變流器向儲能堆充電。
[0012]進一步,所述儲能堆和AC/DC變流器一起向電動汽車充電時,根據儲能堆的儲能量和充電尖峰時段長短，控制AC/DC變流器的輸出功率，不足電力由儲能堆通過雙向DC/DC變流器放電。
[0013]進一步，雙向DC/DC變流器充放電過程中，能夠動態跟隨充電站的充電負荷需求的變化，實現儲能堆的淺充淺放；
[0014]所述目標負荷平滑曲線的確定方法為:
[0015]以母線匯合點為參考點，注入直流母線方向為正，流出母線方向為負，則有
[0016]O < Pil ≤Pilo(I)
[0017]- Pi2tl < Pi2 ≤ Pi2tl (2)
[0018]由AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器和單向DC/DC變流器構成的電路中，任意時刻注入母線的功率代數和為零，即存在功率平衡，相應關係式表達為
[0019]Pn+Pi2+Pt=0(3)
[0020]則(3)式可轉換為
[0021]Pn= - (pi2+pt)(4)
[0022]Pil為AC/DC變流器的功率，Pilo為其最大輸出功率，Pi2為雙向DC/DC變流器的功率，其雙向可接受的功率大小均為Pi2tl, Wi2為儲能堆容量，Pt為充電站的日負荷功率，P0為平滑負荷，以上功率全為瞬時值，均有大小和方向；
[0023]建立以Pil為橫軸、Pi2為縱軸的二維坐標系，並將⑴、⑵、(4)式在此坐標系中進行表示；
[0024]由坐標系初步確定充儲放一體化充電站中儲能堆充電和放電時AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器和單向DC/DC變流器三者間的功率協調範圍，
[0025]直線Piltl= - (Pi2+Pt)、直線Pi2+Pt=0、直線Pi2tl和該坐標系縱軸圍成的區域表示儲能堆放電時的功率協調範圍，直線Piltl= - (Pi2+Pt)、直線Pi2+Pt=0、直線-Pi2tl和該坐標系橫軸圍成的區域表示儲能堆充電時的功率協調範圍；
[0026]作經過充電站的日負荷功率曲線Pt的最高點並與橫軸平行的直線，此直線與直線Pi2tl相交於一點；作經過此點並與直線Pi2+Pt=0平行的直線Pi2+Pt= - Pf，設此直線與縱軸相交於一點，作經過此點與橫軸平行的直線-Ptjl，此直線則為目標平滑負荷的初步值；
[0027]進一步地，將日負荷功率曲線Pt按自各峰值負荷對應時刻起，按At的時間間隔等分，並將日負荷功率曲線Pt按時間點延長線進行網格化處理，從而計算目標平滑負荷的為-Ptjl時，削減各峰值所需電量之和W，即
[0028]W = Σ^=1 P1- /^1At(5)
[0029]Δ t視實際情況進行設置，Λ t越小則(5)式計算越精確，Pi表示等分點對應的負荷值，
[0030]若此電量值小於或等於20%Wi2，以此時平滑負荷替代之前的目標平滑負荷的初步值，並定為最終的目標平滑負荷；若此電量值大於20%Wi2，則將平滑負荷-Ptjl以Λ P向Pt的負方向移動，繼續按(5)式進行計算，找出所需電量等於或小於逼近20%Wi2時的平滑負荷；Λ P表示Λ t時刻內平滑負荷-Ptll向縱軸移動的量。
[0031 ] 與現有技術相比，本發明提供的一種電動汽車充儲放一體化電站及充放電方法，在保證電動汽車正常充電的基礎上，改變了充電系統與儲能系統的連接方式及充電站的充放電方式，能有效地降低充電站的充電峰值負荷、平滑充電負荷，並實現了對儲能電池的淺充淺放，從而降低充電站的配電容量和延長動力電池的循環壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中:
[0033]圖1為電動汽車充儲放一體化電站的結構圖；
[0034]圖2為電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法控制示意圖；
[0035]圖3為當充電負荷小於目標平滑負荷時電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法的示意圖；
[0036]圖4為當充電負荷等於目標平滑負荷時電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法的示意圖；
[0037]圖5為當充電負荷大於目標平滑負荷時電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法的示意圖；
[0038]圖6為充電站的充放電功率協調區域圖；
[0039]圖7為平滑負荷確定圖；
[0040]圖8平滑負荷修正圖；
[0041]圖9充儲放過程儲能堆充放電曲線。
【具體實施方式】
[0042]以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。
[0043]圖1為電動汽車充儲放一體化電站的結構圖；圖2為電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法控制示意圖；圖3為當充電負荷小於目標平滑負荷時電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法的示意圖；圖4為當充電負荷等於目標平滑負荷時電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法的示意圖；圖5為當充電負荷大於目標平滑負荷時電動汽車充儲放一體化電站的充放電方法的示意圖。
[0044]如圖1所示，電動汽車充儲放一體化充電站，包括AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器、儲能堆和單向DC/DC變流器；所述AC/DC變流器的交流側與電網相連，將來自電網的交流電轉換成直流電，輸送給母線；所述雙向DC/DC變流器一端與母線相連，另一端與儲能堆相連，實現儲能堆與母線之間的雙向能量傳輸；所述單向DC/DC變流器為電動汽車提供電源，將母線上的直流電輸送給電動汽車；所述儲能堆用於存儲電能，通過雙向DC/DC變流器實現自充放電。
[0045]所述儲能堆由多個電池組並聯而成；所述儲能堆為新電池或電動汽車退役動力電池，其容量可根據削峰和平滑負荷的需求定。
[0046]所述AC/DC變流器的功率大小視充電站的充電需求定，所述雙向DC/DC變流器的功率大小視參與削峰的比例定，所述單向DC/DC的功率大小視電動汽車的充電需求定。
[0047]基於上述充電站，本發明還提供一種電動汽車充儲放一體化充電站的充放電方法，根據電網晝夜負荷峰谷差特性、充電站的充電負荷需求和配電容量以及AC/DC變流器的功率大小，確定充電站的目標平滑負荷。電動汽車充電期間，當充電負荷需求小於目標平滑負荷時，AC/DC變流器同時向電動汽車和儲能堆充電，其充放電示意圖如圖3所示。當充電負荷需求等於目標平滑負荷時，AC/DC變流器只向電動汽車充電，其充放電示意圖如圖4所示。當充電負荷需求大於目標平滑負荷時，由儲能堆和AC/DC變流器一起向電動汽車充電，其充放電示意圖如圖5所示。
[0048]所述AC/DC變流器同時向電動汽車和儲能堆充電時，優先保證電動汽車充電，電力富裕的前提下，通過調節雙向DC/DC變流器的電壓，使得剩餘電力能夠通過雙向DC/DC變流器向儲能堆充電。
[0049]所述儲能堆和AC/DC變流器一起向電動汽車充電時，根據儲能堆的儲能量和充電尖峰時段長短，控制AC/DC變流器的輸出功率，不足電力由儲能堆通過雙向DC/DC變流器放電。
[0050]雙向DC/DC變流器充放電過程中，能夠動態跟隨充電站的充電負荷需求的變化，實現儲能堆的淺充淺放；
[0051]假定AC/DC變流器的功率為Pil，其最大輸出功率為PilQ，雙向DC/DC變流器的功率為Pi2，其雙向可接受的功率大小均為Pi2tl (為計算方便，假設大小一樣，實際情況中可以不一樣)，儲能堆容量為wi2，削峰前整個充電站的日負荷功率為Pt，平滑負荷為P。，以上功率全為瞬時值，均有大小和方向，以母線匯合點為參考點，注入直流母線方向為正，流出母線方向為負，則有
[0052]O < Pil ≤ Pilo(I)
[0053]- Pi20 < Pi2 ( Pi20(2)
[0054]由AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器和單向DC/DC構成的電路中，任意時刻注入直流母線與流出直流母線的功率代數和為零(流入直流母線為正，流出直流母線為負)，即存在功率平衡，相應關係式表達為
[0055]Pn+Pi2+Pt=0(3)
[0056]則(3)式可轉換為
[0057]Pil= - (Pi2+Pt)(4)
[0058]目標平滑負荷的確定方法如下:
[0059]建立以Pil為橫軸、Pi2為縱軸的二維坐標系，並將⑴、⑵、(4)式在此坐標系中進行表示。
[0060]由圖形可初步確定此充儲放一體化充電站中儲能堆充電和放電時AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器和單向DC/DC三者間的功率協調範圍，具體如圖6所示，四邊形ABOC構成儲能堆放電時的功率協調範圍，四邊形CDEO構成儲能堆充電時的功率協調範圍。
[0061]初步確定平滑負荷:作經過充電站的日負荷功率曲線Pt的最高點並與水平軸平行的直線，設此直線與線段AB相交於F點，作經過此點並與直線Pi2+Pt=0平行的直線Pi2+Pt=-PF，設此直線與線段CO相交於G點，作經過此點與水平軸平行的直線-Ptjl，此直線則為平滑負荷的初步值，結果如圖7所示。
[0062]進一步地，將日負荷功率曲線Pt按自各峰值負荷點以Λ t為時間間隔進行等分，如圖8所示，並將日負荷功率曲線Pt按時間點延長線進行網格化處理，從而計算平滑負荷的為-Pt5l時，削減各峰值所需電量之和，即
[0063]W = ^ni^P1- Pm\At(5)
[0064]Δ t可視實際情況進行設置，Λ t越小則(5)式計算越精確。
[0065]若此電量值小於或等於20%Wi2，以此平滑負荷替代之前的平滑負荷Ptjl,並定為最終的平滑負荷；若此電量值大於20%Wi2，則將平滑負荷-Ptjl以ΛΡ向上移動，繼續按(5)式進行計算，找出所需電量等於或小於逼近20%Wi2時的平滑負荷，ΛΡ表示At時刻內平滑負荷-Ptjl向縱軸移動的量。充放電起始、結束時間為平滑負荷與日負荷功率曲線Pt交點。
[0066]相應的充儲放策略執行過程如下:
[0067]儲能堆利用晚上24:00以後的低谷電通過AC/DC變流器進行充電，並充滿。白天電動汽車充電功率達到a點時，儲能堆開始放電，放電曲線如圖9所示第一部分，放電至b點結束。隨後按圖4所示第二部分的充電曲線進行充電，充至c點結束。第二次放電從c點開始，至d點結束。
[0068]所述充電過程中，按式(5)計算，若充電電量大於20%Wi2時，充電期間的平滑負荷可稍許向下移動，但需保證儲能堆充滿。否則充至時間c點結束。
[0069]與現有技術相比，本發明提供的一種電動汽車充儲放一體化電站及充放電方法，在保證電動汽車正常充電的基礎上`，改變了充電系統與儲能系統的連接方式及充電站的充放電方式，能有效地降低充電站的充電峰值負荷、平滑充電負荷，並實現了對儲能電池的淺充淺放，從而降低充電站的配電容量和延長動力電池的循環壽命。
[0070]與現有技術相比，本發明提供的一種電動汽車充儲放一體化電站及充放電方法，在保證電動汽車正常充電的基礎上，改善了充電系統與儲能系統的連接方式及儲能堆的充放電方式，能有效地降低充電站的充電峰值負荷、平滑充電負荷曲線，並實現了對儲能電池的淺充淺放，從而降低充電站的配電容量和延長動力電池的循環壽命。
[0071]以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.電動汽車充儲放一體化充電站，其特徵在於:包括AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器、儲能堆和單向DC/DC變流器；所述AC/DC變流器的交流側與電網相連，將來自電網的交流電轉換成直流電，輸送給母線；所述雙向DC/DC變流器一端與母線相連，另一端與儲能堆相連，實現儲能堆與母線之間的雙向能量傳輸；所述單向DC/DC變流器為電動汽車提供電源，將母線上的直流電輸送給電動汽車；所述儲能堆用於存儲電能，通過雙向DC/DC變流器實現自充放電。
2.根據權利要求1所述的電動汽車充儲放一體化充電站，其特徵在於:所述儲能堆由多個電池組並聯而成。
3.根據權利要求2所述的電動汽車充儲放一體化充電站，其特徵在於:所述儲能堆為新電池或電動汽車退役動力電池。
4.電動汽車充儲放一體化充電站充放電方法，其特徵在於:根據電網晝夜負荷峰谷差特性、充電站的充電負荷需求和配電容量以及AC/DC變流器的功率大小，確定充電站的目標平滑負荷；電動汽車充電期間，當充電負荷需求小於目標平滑負荷時，AC/DC變流器同時向電動汽車和儲能堆充電；當充電負荷需求等於目標平滑負荷時，AC/DC變流器只向電動汽車充電；當充電負荷需求大於目標平滑負荷時，由儲能堆和AC/DC變流器一起向電動汽車充電。
5.根據權利要求4所述的電動汽車充儲放一體化充電站充放電方法，其特徵在於:所述AC/DC變流器同時向電動汽車和儲能堆充電時，優先保證電動汽車充電，電力富裕的前提下，通過調節雙向DC/DC變流器的電壓，使得剩餘電力能夠通過雙向DC/DC變流器向儲能堆充電。
6.根據權利要求4所述的電動汽車充儲放一體化充電站充放電方法，其特徵在於:所述儲能堆和AC/DC變流器一起向電動汽車充電時，根據儲能堆的儲能量和充電尖峰時段長短，控制AC/DC變流器的輸出功率，不足電力由儲能堆通過雙向DC/DC變流器放電。
7.根據權利要求5所述的電動`汽車充儲放一體化充電站充放電方法，其特徵在於:雙向DC/DC變流器充放電過程中，能夠動態跟隨充電站的充電負荷需求的變化，實現儲能堆的淺充淺放； 所述目標負荷平滑曲線的確定方法為: 以母線匯合點為參考點，注入直流母線方向為正，流出母線方向為負，則有 O < Pil ^ Pilo(I) _ Pi20〈 Pi2 ^ Pi20⑵ 由AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器和單向DC/DC變流器構成的電路中，任意時刻注入母線的功率代數和為零，即存在功率平衡，相應關係式表達為 Pii+Pi2+Pt=0(3) 則(3)式可轉換為 Pil= - (Pi2+Pt)(4) Pil為AC/DC變流器的功率,Piltl為其最大輸出功率，Pi2為雙向DC/DC變流器的功率，其雙向可接受的功率大小均為Pi2tl, Wi2為儲能堆容量，Pt為充電站的日負荷功率，P。為平滑負荷，以上功率全為瞬時值，均有大小和方向； 建立以Pil為橫軸、Pi2為縱軸的二維坐標系，並將(I)、(2)、(4)式在此坐標系中進行表不; 由坐標系初步確定充儲放一體化充電站中儲能堆充電和放電時AC/DC變流器、雙向DC/DC變流器和單向DC/DC變流器三者間的功率協調範圍， 直線Piltl= - (Pi2+Pt)、直線Pi2+Pt=0、直線Pi2tl和該坐標系縱軸圍成的區域表示儲能堆放電時的功率協調範圍，直線Piltl= - (Pi2+Pt)、直線Pi2+Pt=0、直線-Pi2tl和該坐標系橫軸圍成的區域表示儲能堆充電時的功率協調範圍； 作經過充電站的日負荷功率曲線Pt的最高點並與橫軸平行的直線，此直線與直線Pi2tl相交於一點；作經過此點並與直線Pi2+Pt=0平行的直線Pi2+Pt= - Pf，設此直線與縱軸相交於一點，作經過此點與橫軸平行的直線-Ptjl，此直線則為目標平滑負荷的初步值；進一步地，將日負荷功率曲線Pt按自各峰值負荷對應時刻起，按At的時間間隔等分，並將日負荷功率曲線Pt按時間點延長線進行網格化處理，從而計算目標平滑負荷的為-Ptjl時，削減各峰值所需電量之和W，即
【文檔編號】H02J7/02GK103762703SQ201410055592
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】汪會財, 劉永相, 鄭可, 侯興哲, 周全, 李林霞, 孫洪亮, 史樂峰, 楊澤偉 申請人:國家電網公司, 國網重慶市電力公司電力科學研究院