充放電控制裝置、方法和電動汽車換電站的製作方法
2023-06-08 04:08:01
充放電控制裝置、方法和電動汽車換電站的製作方法
【專利摘要】本發明提供充放電控制裝置、方法和電動汽車換電站。該充放電控制裝置，對併入電網的、由光伏發電部和儲能裝置構成的光儲系統進行控制，包括：存儲部，保存上述光伏發電部的輸出功率的多個控制周期的歷史數據信息；光儲系統初值目標計算部，根據保存在上述存儲部中的上述歷史數據信息，計算下一個控制周期的光儲系統的輸出功率的控制目標初始值曲線；光儲系統目標修正部，根據上述儲能裝置的容量和充放電功率的信息，對上述控制目標初始值曲線進行修正，獲得光儲系統的輸出功率的控制目標值曲線；和控制部，對上述儲能裝置的充放電進行控制，以使上述光儲系統的輸出符合上述光儲系統控制目標值曲線。
【專利說明】充放電控制裝置、方法和電動汽車換電站
【技術領域】
[0001] 本發明涉及充放電控制裝置、方法和電動汽車換電站，尤其涉及適用於光儲式電 動汽車充換電站中的充放電控制裝置和方法，屬於微電網領域。
【背景技術】
[0002] 隨著電動汽車的高速發展，其所使用的電池的充電問題也迎面而來。電動汽車的 充電模式中，一般包括充電式和換電式兩種模式。其中，充電式是指電動汽車駛入充電站後 通過外接電源進行充電的方式，這將耗費相當長的時間；而換電式是指電動汽車進入換電 站後，花費很短的時間換上已由換電站充好電的電池的方式。在這兩種模式的配套基礎設 施中，電動汽車換電站已引起國內外諸多機構的重視。
[0003] 目前，美國、日本、以色列、英國、法國等國家都在加速建設各自的電動汽車充電設 施，但主要以充電式為主，同時開展換電式的研究及試點工作。國家電網公司依據中國實 際，在2010年提出"換電為主，插充為輔，集中充電，統一配送"的原則，在國內加強推廣採 用換電式的電動汽車充電設施。
[0004] 與此同時，清潔可再生能源作為解決能源問題和環境問題的重要手段，已經成為 當今世界的發展趨勢。其中光伏發電因其安裝靈活，安全可靠，可作為換電站重要的能量來 源。另外，儲能系統作為可再生能源輸出的重要調控手段，已經被廣泛應用。光儲式電動汽 車換電站的推廣，不僅可以減少換電站對電網的能源需求，減輕電網負擔，更加清潔環保， 同時可以在不具備供電條件的地區建設換電設施，解決偏遠地區及高速公路的電動汽車換 電問題，大大提高電動汽車的使用範圍。因此該模式的研究對於電動汽車推廣，電動汽車換 電基礎設施網絡建設，以及建設節能環保型社會都有重要意義。
[0005] 專利文獻1中公開了一種上述的光儲式電動汽車充換電站，包括光伏發電系統、 蓄電池儲能系統、電動汽車充電站和站用負荷，所述光伏發電系統包括太陽能電池組件、並 網逆變器和光伏供電管理系統，掛接在光伏系統供電母線上；所述蓄電池儲能系統包括蓄 電池組、電池管理系統和雙向逆變器，掛接在負荷供電母線上；電動汽車充電站和站用負荷 均掛接在負荷供電母線上；所述光伏系統供電母線和負荷供電母線分別與交流電網下設的 380V母線相連，所述光伏系統供電母線和所述負荷供電母線之間通過光伏接入斷路器相 連。
[0006] 專利文獻1的光儲式電動汽車充換電站，通過光伏發電系統提供電力，電動汽車 用蓄電池作為儲能系統，整個系統併入城市配電網，既可以實現電動汽車充電、換電的需 要，又可以為配電網提供緊急備用電源，同時由於蓄電池儲能系統的緩衝作用，減小了光伏 發電的波動對電網的影響。在電網正常運行和電網出現故障時，均能保證電動汽車充電工 作和換電工作的順利進行。
[0007] 專利文獻1 :中國專利公開CN102355023A
【發明內容】
[0008] 不過，專利文獻1中並沒有考慮到這樣的問題，S卩，光伏發電系統的輸出受天氣因 素影響，難以準確預測及控制，這嚴重限制了光伏發電的安裝容量，同時對換電站的能量安 全管理提出了挑戰。
[0009] 目前的可再生能源預測方法主要分為基於歷史數據與基於影響因素模型兩類。控 制方法主要將光伏發電系統（即本發明後述的光伏發電部）與儲能系統（即本發明後述的儲 能裝置）共同的對外輸出設置為恆定的輸出目標值，卻並沒有充分考慮可再生能源的輸出 隨機性，存在調控效率低的問題。即，現有的控制方法雖然制定了恆定的輸出目標值，但實 際的光伏發電系統與儲能系統共同的對外輸出可能會在目標值附近存在很大的浮動。
[0010] 並且，上述專利文獻1所公開的光儲式電動汽車充換電站中，光伏發電系統、儲能 系統、充電站和站用負荷構成微網系統，工作在孤網和併網兩種狀態。由於光伏系統的輸出 受天氣因素影響，難以準確預測及控制，當工作在孤網狀態時，在光伏發電系統輸出高的情 況下，存在光伏能量浪費的問題，而當工作在併網狀態時，在安裝了大容量光伏發電裝置的 情況下，存在向電網逆向潮流的可能，由於其難以預測，將影響電網可靠性，而在加裝保護 裝置的情況下，則會導致光伏發電利用率降低。
[0011] 鑑於以上問題，本發明的充放電控制裝置，利用歷史數據建立光伏發電輸出的概 率分布，綜合考慮儲能裝置的蓄電池的功率及容量限制，制定下一周期的光伏輸出控制目 標並按照目標對儲能裝置進行充放電控制，進而還依據此目標及充電需求制定相應的電池 充電計劃和電網取電計劃。
[0012] 具體而言，本發明提供一種充放電控制裝置，對併入電網的、由光伏發電部和儲能 裝置構成的光儲系統進行控制，包括：存儲部，保存所述光伏發電部的輸出功率的多個控制 周期的歷史數據信息；光儲系統初值目標計算部，根據保存在所述存儲部中的所述歷史數 據信息，計算下一個控制周期的光儲系統的輸出功率的控制目標初始值曲線；光儲系統目 標修正部，根據所述儲能裝置的容量和充放電功率的信息，對所述控制目標初始值曲線進 行修正，獲得光儲系統的輸出功率的控制目標值曲線；和控制部，對所述儲能裝置的充放電 進行控制，使所述光伏發電部對所述儲能裝置充電或使所述儲能裝置放電，以使所述光儲 系統的輸出功率符合所述控制目標值曲線。
[0013] 另外，本發明提供一種電動汽車換電站，包括：由光伏發電部和儲能裝置構成的光 儲系統；對電動汽車的動力電池進行充電的動力電池充電部；和上述充放電控制裝置，所 述光儲系統始終併入電網。
[0014] 此外，本發明還提供一種充放電控制方法，對併入電網的、由光伏發電部和儲能裝 置構成的光儲系統進行控制，包括：光儲系統初值目標計算步驟，根據所述光伏發電部的輸 出功率的多個控制周期的歷史數據信息，計算下一個控制周期的光儲系統的輸出功率的控 制目標初始值曲線；光儲系統目標修正步驟，根據所述儲能裝置的容量和充放電功率的信 息，對所述控制目標初始值曲線進行修正，獲得光儲系統的輸出功率的控制目標值曲線；和 控制步驟，對所述儲能裝置的充放電進行控制，使所述光伏發電部對所述儲能裝置充電或 使所述儲能裝置放電，以使所述光儲系統的輸出功率符合所述控制目標值曲線。
[0015] 根據本發明的充放電控制裝置和方法，對光伏發電部和儲能裝置進行協調控制， 使光伏發電始終處於併網連接狀態，提高了光伏發電的利用率。通過制定固定的控制目 標曲線，充分發揮蓄電池的調節能力，使光儲系統按照固定的輸出功率輸出，減少了不確定 性，提升電網的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1是應用了本發明的充放電控制裝置的光儲式電動汽車換電站的示意圖。
[0017] 圖2表示換電站能量管理控制計劃的制定流程的示意圖。
[0018] 圖3是表示光儲系統控制目標初始值Μ曲線的示意圖。
[0019] 圖4是表示考慮儲能裝置的充放電平衡而對上述Μ曲線進行調整以獲得Μ'曲線 的示意圖。
[0020] 圖5是表示本發明的充放電控制裝置的效果的示意圖。
[0021] 圖6是表示本發明的充放電控制裝置的大致結構的示意框圖。
[0022] 圖7是表示本發明的充放電控制裝置的控制流程的示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面參照附圖對本發明的實施方式進行說明。不過，以下實施方式僅是本發明的 一個示例，本發明要求的保護範圍不受該實施方式所限定。
[0024] 圖1是表示應用了本發明的充放電控制裝置的光儲式電動汽車換電站的整體結 構框圖。其中，圖1左側表示的是電動汽車2駛入電動汽車換電站1中，將電量已使用完畢 或即將使用完畢的動力電池3更換為已由換電站充滿的電池的狀況。圖1右側表示了電動 汽車換電站1的大致結構。
[0025] 電動汽車換電站1中，光伏發電部4、儲能裝置5和汽車動力電池充電部9等部分 構成換電站的電力模塊，充放電控制裝置7構成控制模塊。其中，光伏發電部4和儲能裝置 5構成光儲系統8。光伏發電部4由大量太陽能發電組件構成，儲能裝置5由多個蓄電池構 成。儲能裝置5的作用在於，對光儲系統8的輸出（輸出功率)進行調整，當光伏發電部4的 輸出過高時，儲能裝置5充電而吸收光伏發電部4的輸出，當光伏發電部4的輸出過低時， 儲能裝置5放電而補充光伏發電部4的輸出，由此將光儲系統8的輸出控制為期望值。
[0026] 電力模塊中的各部分通過圖1中實線表示的電氣接線彼此連接以實現電力傳輸， 並且通過虛線表示的通信線路與充放電控制裝置7連接，由充放電控制裝置7進行整體的 控制。此處所使用的通信線路可以是現有技術中可應用的任何通信線路。電動汽車換電站 1內的上述各部分構成微網系統，並且被併入電網6中。
[0027] 電動汽車2在電動汽車換電站1中更換下的電量已使用完畢或即將使用完畢的動 力電池3,由電動汽車換電站1進行統一控制，按需求經動力電池充電部9進行充電。用於 充電的能量由光儲系統8和電網6共同提供。充放電控制裝置7用於控制光儲系統8的發 電和動力電池充電部9的充電等，對動力電池充電部9的充電狀態、儲能裝置5中的蓄電池 的狀態、光伏發電部4的狀態以及電網併網點的狀態進行監控。
[0028] 如上所述，光伏發電部4的輸出受天氣因素影響，難以準確預測及控制。現有的控 制系統通常根據歷史數據或影響因素，將光儲系統8的輸出設定為恆定的輸出目標，但這 樣的控制方式存在上述的種種問題。
[0029] 本發明的充放電控制裝置對控制方法進行了改進，具體而言，其分為控制計劃制 定與實時監控兩個階段，首先根據光伏發電部4輸出的歷史數據，制定符合光伏輸出的預 測曲線的光儲系統8發電計劃(光儲系統控制目標值)、動力電池3充電計劃以及電網6取 電計劃。然後依據所制定的計劃，對儲能裝置5進行充放電控制，安排動力電池充電部9的 充電，實時監控電網併網點功率。
[0030] 下面利用附圖2?4對本發明的充放電控制裝置7的控制方法進行說明。
[0031] 首先，能量管理的控制計劃制定流程如附圖2所示。
[0032] 1.利用歷史數據建立光伏發電部輸出的概率分布，綜合考慮儲能裝置中蓄電池的 功率及容量限制，制定下一周期的光儲系統控制目標值曲線（即圖中的①固定輸出曲線)。
[0033] 假定以數據採集及控制計劃制定的時間間隔為單位時間，實施例中計劃定製周期 為m個單位時間。例如，當以小時為單位時間且一個周期為一天時，m為24。
[0034] 本步驟分為以下三個子步驟：
[0035] 1).整理光伏發電輸出歷史數據，得到以下矩陣。
[0036] 式（1):
[0037]
【權利要求】
1. 一種充放電控制裝置，對併入電網的、由光伏發電部和儲能裝置構成的光儲系統進 行控制，其特徵在於，包括： 存儲部，保存所述光伏發電部的輸出功率的多個控制周期的歷史數據信息； 光儲系統初值目標計算部，根據保存在所述存儲部中的所述歷史數據信息，計算下一 個控制周期的光儲系統的輸出功率的控制目標初始值曲線； 光儲系統目標修正部，根據所述儲能裝置的容量和充放電功率的信息，對所述控制目 標初始值曲線進行修正，獲得光儲系統的輸出功率的控制目標值曲線；和 控制部，對所述儲能裝置的充放電進行控制，使所述光伏發電部對所述儲能裝置充電 或使所述儲能裝置放電，以使所述光儲系統的輸出功率符合所述控制目標值曲線。
2. 如權利要求1所述的充放電控制裝置，其特徵在於： 所述歷史數據信息通過以下方式得到： 在一個控制周期內設定多個數據採集時間點，測定每個控制周期中每個數據採集時間 點的所述光伏發電部的輸出功率。
3. 如權利要求2所述的充放電控制裝置，其特徵在於： 所述光儲系統初值目標計算部，對所述歷史數據信息進行整理，求取每個所述數據採 集時間點上曾經出現的所述光伏發電部的輸出功率及其出現的概率，分別作為光伏發電輸 出可能值和與該光伏發電輸出可能值對應的概率， 並且，對於每個所述數據採集時間點，將該數據採集時間點上的所有的光伏發電輸出 可能值以與其對應的概率為權重求和，得到該數據採集時間點的所述控制目標初始值， 各數據採集時間點的所述控制目標初始值按時間順序構成所述控制目標初始值曲線。
4. 如權利要求3所述的充放電控制裝置，其特徵在於： 所述光儲系統目標修正部，根據所述儲能裝置的容量和充放電功率的信息，確定用於 修正所述控制目標初始值曲線的平衡計算時間範圍， 對於每一個所述平衡計算時間範圍，計算位於所述控制目標初始值曲線上方的所有所 述光伏發電輸出可能值的概率和，作為上概率和；並且計算位於所述控制目標初始值曲線 下方的所有所述光伏發電輸出可能值的概率和，作為下概率和， 對每一個所述平衡計算時間範圍內最後的數據採集時間點的所述控制目標初始值進 行修正，以使所述上概率和與所述下概率和之差的絕對值小於預先確定的規定值，將修正 後的所述控制目標初始值作為該數據採集時間點的所述控制目標值， 反覆執行所述修正，獲得每一個採集時間點的所述控制目標值，由各數據採集時間點 的所述控制目標值按時間順序構成所述控制目標值曲線。
5. -種電動汽車換電站，其特徵在於，包括： 由光伏發電部和儲能裝置構成的光儲系統； 對電動汽車的動力電池進行充電的動力電池充電部；和 權利要求1?4中任一項所述的充放電控制裝置， 所述光儲系統始終併入電網。
6. 如權利要求5所述的電動汽車換電站，其特徵在於： 所述充放電控制裝置的控制部，還根據所述動力電池充電部中要充電的動力電池的數 量和容量大小，基於所述控制目標值曲線制定充電計劃曲線，以控制所述動力電池充電部 安排充電計劃。
7. 如權利要求6所述的電動汽車換電站，其特徵在於： 所述控制部制定所述充電計劃曲線時，還考慮所述電動汽車換電站的電網併網點的功 率限制和電網峰谷分時電價，制定電網取電計劃。
8. -種充放電控制方法，對併入電網的、由光伏發電部和儲能裝置構成的光儲系統進 行控制，其特徵在於，包括： 光儲系統初值目標計算步驟，根據所述光伏發電部的輸出功率的多個控制周期的歷史 數據信息，計算下一個控制周期的光儲系統的輸出功率的控制目標初始值曲線； 光儲系統目標修正步驟，根據所述儲能裝置的容量和充放電功率的信息，對所述控制 目標初始值曲線進行修正，獲得光儲系統的輸出功率的控制目標值曲線；和 控制步驟，對所述儲能裝置的充放電進行控制，使所述光伏發電部對所述儲能裝置充 電或使所述儲能裝置放電，以使所述光儲系統的輸出功率符合所述控制目標值曲線。
9. 如權利要求8所述的充放電控制方法，其特徵在於： 所述歷史數據信息通過以下方式得到： 在一個控制周期內設定多個數據採集時間點，測定每個控制周期中每個數據採集時間 點的所述光伏發電部的輸出功率。
10. 如權利要求9所述的充放電控制方法，其特徵在於： 所述光儲系統初值目標計算步驟中，對所述歷史數據信息進行整理，求取每個所述數 據採集時間點上曾經出現的所述光伏發電部的輸出功率及其出現的概率，分別作為光伏發 電輸出可能值和與該光伏發電輸出可能值對應的概率， 並且，對於每個所述數據採集時間點，將該數據採集時間點上的所有的光伏發電輸出 可能值以與其對應的概率為權重求和，得到該數據採集時間點的所述控制目標初始值， 各數據採集時間點的所述控制目標初始值按時間順序構成所述控制目標初始值曲線。
11. 如權利要求10所述的充放電控制方法，其特徵在於： 所述光儲系統目標修正步驟中，根據所述儲能裝置的容量和充放電功率的信息，確定 用於修正所述控制目標初始值曲線的平衡計算時間範圍， 對於每一個所述平衡計算時間範圍，計算位於所述控制目標初始值曲線上方的所有所 述光伏發電輸出可能值的概率和，作為上概率和；並且計算位於所述控制目標初始值曲線 下方的所有所述光伏發電輸出可能值的概率和，作為下概率和， 對每一個所述平衡計算時間範圍內最後的數據採集時間點的所述控制目標初始值進 行修正，以使所述上概率和與所述下概率和之差的絕對值小於預先確定的規定值，將修正 後的所述控制目標初始值作為該數據採集時間點的所述控制目標值， 反覆執行所述修正，獲得每一個採集時間點的所述控制目標值，由各數據採集時間點 的所述控制目標初始值按時間順序構成所述控制目標值曲線。
【文檔編號】H02J7/00GK104242364SQ201310237678
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年6月14日 優先權日:2013年6月14日
【發明者】於躍, 張靖, 李超 申請人:株式會社日立製作所