何照安，沈 迪，劉 源，李 攀，王 昊

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基于電動汽車群接入的光儲充放一體化微電網系統(tǒng)研究

何照安，沈 迪，劉 源，李 攀，王 昊

(西安特銳德智能充電科技有限公司 陜西 西安 710000)

基于電動汽車群接入的光儲充放一體化微電網系統(tǒng)研究，對電網的經濟穩(wěn)定運行和低碳的實現具有重要意義。以光儲充放一體化微電網系統(tǒng)為研究對象，將工業(yè)園區(qū)的變配電、光伏、儲能、充放電等各子系統(tǒng)進行高度整合，實現了用戶側的經濟用電，平抑電網接口峰谷差，為就地消納分布式清潔能源發(fā)電和充分利用配電容量提供了有效的保證。同時，該微電網系統(tǒng)使得電網側的能效大大提高，具有與電網系統(tǒng)調度需求側友好互動響應的特點。此外，電力電子柔性調節(jié)裝置的接入，提高了系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)能力，使該光儲充放一體化微電網系統(tǒng)兼具調節(jié)無功和諧波抑制等電能質量調節(jié)的作用。

電動汽車；充放電；分布式發(fā)電；儲能；微電網

0 引言

在當今社會中，汽車已經成為人們不可或缺的代步工具，與傳統(tǒng)內燃汽車相比，電動汽車具有以下顯著的優(yōu)點[1-2]：

(1) 電動汽車可以解決汽車對石油資源的依賴；

(2) 電動汽車可以較好地解決汽車對城市環(huán)境污染的問題；

(3) 電動汽車可以顯著提高能源利用率。

基于以上原因，各國先后出臺各種政策支持推動電動汽車的發(fā)展，根據我國政府規(guī)劃，預計2030年，全國將超過8 000萬輛電動汽車[3]，隨著電動汽車的廣泛普及，電動汽車用戶對快速充電設施的需求日益增加，而大量充電負荷無序地接入電網，對電網的瞬時沖擊較大，使得電網承受較大壓力。另外，隨著越來越多的風電、光伏等分布式新能源不斷接入電網，如何將其發(fā)電出力的隨機性與波動性的影響降至最低，也成為了新能源大規(guī)模利用的首要問題[4-5]。

微電網作為大電網的有益補充和延伸，不僅提供了一種分布式電源消納機制，也提高了電網運行的可靠性，是分布式發(fā)電技術的發(fā)展趨勢[6-8]。隨著清潔能源和電動汽車的大規(guī)模發(fā)展，以及直流用電設備的增多，直流配電技術也得到了高度關注[9]。因此，從技術發(fā)展趨勢看，利用電力電子技術將光伏、儲能電池、電動汽車等各種直流電源和負載通過直流母線耦合，再通過雙向變換的電力電子變換器與交流母線連接，構成交直流混合的新能源微電網系統(tǒng)，研究混合微電網中的運行、控制、管理等問題，對微電網技術的發(fā)展具有重大意義[10]。

以青島特銳德工業(yè)園光儲充放一體化微電網系統(tǒng)為例，首先，對青島特銳德工業(yè)園內的光儲充放一體化微電網項目進行簡要介紹，其次，對光儲充放一體化微電網系統(tǒng)的并網、離網運行方式控制策略進行了詳細的闡述。該微電網系統(tǒng)采用智能化運行與管理方式，利用能源管理系統(tǒng)實現穩(wěn)態(tài)經濟運行和動態(tài)穩(wěn)定控制，為分布式新能源消納與利用、大規(guī)模電動汽車有序充放電管理提供實現了商業(yè)化運營的基礎條件，具有示范借鑒作用。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

光儲充放一體化微電網系統(tǒng)(詳見圖1)是集高壓配電、箱變和低壓配電(含四象限變換、光伏、儲能、電動汽車充放電、能源管理)柔性互聯形成的交直流混合微電網系統(tǒng)，是針對園區(qū)應用的設計，可接入多種能源和負荷。運行方式以并網運行為主，通過能源管理系統(tǒng)和智能電力電子設備的調節(jié)控制，實現更經濟的用能。10 kV高壓配電部分采用三面SF6充氣式環(huán)網柜，分別起到進線、計量和出線作用；變壓器采用一臺10 kV干式雙分裂變壓器，型號為SCB10-GF-1250/12；低壓配電部分以四象限功率變換器和雙向 DC-DC 變換器為核心元件，將新能源發(fā)電系統(tǒng)、電池儲能系統(tǒng)和電動汽車充放電系統(tǒng)集成在一起，并通過能源管理系統(tǒng)進行監(jiān)視、控制。

圖1 光儲充放一體化微電網系統(tǒng)

1.2 光伏系統(tǒng)簡介

光伏系統(tǒng)提供整個微電網的直流電源，由兩個500 kWp光伏陣列組成，每個500 kWp光伏陣列由1臺500 kW的光伏變流器、7個直流匯流箱(十六匯一)、2 100塊240 Wp的光伏組件組成。光伏陣列每 20塊串聯為一組，每15回并聯接入一臺直流匯流箱，每7臺直流匯流箱接入一臺500 kWp光伏變流器連接，經光伏變流器整流后分別接入DC765V直流母線。

1.3 儲能系統(tǒng)

儲能系統(tǒng)承擔著為電網提供電能存儲功能，電池是儲能系統(tǒng)最重要的部分，本項目采用了 CATL 電池儲能系統(tǒng)，共計 4 臺，共 319.2 kWh，平均每臺79.8 kW，儲能電池額定充放電功率40 kW，工作電壓DC 582.4~759.2 V，標準充電時間2 h，標準放電電流0.5 C。

1.4 電動汽車充放電系統(tǒng)

電動汽車是系統(tǒng)的主要直流負荷，每段直流母線上均有直流終端17個，其中16個直流7 kW充電樁，為小型電動汽車充電，一個直流40 kW充電樁，為公交大巴充電，共計152 kW，整個系統(tǒng)直流負荷為152 kW×2=304 kW。

1.5 四象限變換器

四象變換器(圖2)是交直流變換的核心功率元件，它結合了光伏逆變器和儲能變流器的功能，既可以將直流母線的電能饋送到交流電網，又可以從交流電網向直流母線饋電。除了有功功率的變換外，同時還可實現無功的變換和諧波補償[11]。

四象變換器以單模塊 50 kW 為一個基本單元。整體電路由 EMI 濾波、輸入軟起、維也納整流、三電平全橋 LLC 諧振式和DC/DC 變換等部分組成。各部分的作用分別是：EMI 濾波模塊濾除高次諧波；輸入軟起模塊是為了減小啟動時的沖擊電流；維也納整流模塊將交流電轉換為直流電并維持一定電壓，還起到功率因數校正與諧波治理的作用；DC/DC 變換模塊控制充電過程中的電流、電壓。

圖2 四象限變換器運行特性

1.6 能源管理系統(tǒng)

能源管理的目的是對系統(tǒng)內的源、荷、儲和車等資源進行實時監(jiān)測，并根據系統(tǒng)運行工況做出統(tǒng)籌決策管理，以最大程度地利用分布式發(fā)電能源，保證電能質量最優(yōu)及用戶的經濟效益最優(yōu)，而且可以對配電網提供輔助性響應和協同調度服務[12]。此外，還可以根據微網運行的工況做出判斷，與微網控制器協調工作，對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行控制決策，保障在離網運行時，系統(tǒng)能夠根據微網內部微電源和儲能系統(tǒng)的發(fā)電工況，使得發(fā)電和負載之間達到大時間尺度上的最佳匹配和平衡。

2 光儲充放一體化微電網系統(tǒng)的運行模式

2.1 并網運營模式

在工業(yè)園區(qū)內，電動汽車主要是電動通勤班車、員工電動汽車，這些電動汽車具有很強的運行規(guī)律。基于以上分析，電動汽車的充電行為和充電負荷是相對可控的。運營商就可以指定價格策略引導車主選擇更經濟的充電過程，提供了“立即充電”和“經濟充電”兩種模式，“立即充電”表明車主有較強的充電需求，可以接受更高的價格充電；車主選擇“經濟充電”模式表明車主愿意接受系統(tǒng)的調度策略，充電時間是夜間，可以享受更優(yōu)惠的充電服務費用，整個系統(tǒng)的運營策略如圖3—圖6所示。

(1) 在09: 30—18: 30時間段：微電網系統(tǒng)將光伏發(fā)電最大程度供給生產負荷，選擇“立即充電”的車輛正常充電，選擇“經濟充電”的車輛處于“排隊”狀態(tài)。如果在這個時間段，光伏功率大于園區(qū)整體用電功率，則可以給選擇“經濟充電”的車輛開始充電。如果當天光伏發(fā)電或者負荷用電的波動很大，則系統(tǒng)根據波動情況，將根據車輛排隊的順序，重復發(fā)出開始充電、暫停、恢復充電、暫停、恢復充電等序列，來適應光伏發(fā)電的波動。經濟充電的原則是：ev≤(V－L，僅當V＞L時)，其中：ev為充電功率；V為光伏發(fā)電功率；L為生產用電功率。

(2) 在18:30—21:30 時間段：此時光伏系統(tǒng)已經不發(fā)電，系統(tǒng)調度電網和儲能電池中的電量給車間負荷和選擇“立即充電”車輛供電。

(3) 在21:30—09:30時間段：電網給電動汽車和儲能電池供電。

圖3 工業(yè)負荷曲線

圖4 工業(yè)負荷+立即充電曲線

圖5 工業(yè)負荷+光伏+立即充電曲線

圖6 工業(yè)負荷+光伏+經濟充電曲線

2.2 離網運行模式

在離網運行模式下，能量管理系統(tǒng)將對交流負荷進行分級，重要負荷與敏感負荷作為高優(yōu)先級負荷保證其正常供電，低優(yōu)先級負荷則被臨時切除。因此，離網運行模式下的控制策略需要系統(tǒng)進行雙級控制。將系統(tǒng)分為μEMS(微網控制器)功率瞬態(tài)控制和EMS(能量管理系統(tǒng))能量控制的雙級系統(tǒng)控制策略如圖7所示。將系統(tǒng)分為μEMS(微網控制器)功率瞬態(tài)控制和EMS(能量管理系統(tǒng))能量控制的雙層系統(tǒng)控制策略。

圖7中M1—M7分別為系統(tǒng)各處的電壓和功率測控點。一次控制層以四象限的 AC-DC 和儲能電池的雙向DC-DC為主要控制元件，通過監(jiān)測關鍵點M4、M5、M6和 M7的電壓和功率，以DC_Bus 電壓為控制目標。AC-DC模塊和 DC-DC模塊以μEMS為一次集中控制中心，通過高速通信總線控制瞬態(tài)穩(wěn)定直流母線的功率和交流并網點的功率保持平衡，其目標是使得dc=ed(ed為直流母線額定電壓，設計為 750 V，dc為直流母線的運行電壓)。任何一側的功率波動，將引起dc的變化，當dc發(fā)生偏移時，μEMS將對AC-DC和DC-DC的電壓、電流環(huán)發(fā)出調整指令，使dc趨向于ed，這個計算過程與AC-DC和DC-DC的控制反饋環(huán)深度耦合，具有極高的響應特性。M7為光伏、電動汽車、直流負載的綜合功率，在二次控制系統(tǒng)中將其視為一種等效源或等效荷。由于光伏、直流負載和正在充電的電動汽車功率均有隨機波動的特征，但在一次控制層中，這個波動被視為三種源/荷綜合效應的結果，在系統(tǒng)設計時其約束條件為保證M6和M5的動態(tài)調節(jié)能力在瞬態(tài)工況下大于M7的波動范圍。

圖7 系統(tǒng)控制策略

二次控制則是系統(tǒng)級EMS基于周期性的能量級平衡控制。其控制目標有兩種：一是基于EMS系統(tǒng)對負荷和光伏的預測，在一定的時間周期是可預測的，且在該周期內的功率波動低于AC-DC和DC-DC的調節(jié)能力；二是在預測數據的基礎上，當EMS監(jiān)測到M7的穩(wěn)態(tài)功率接近M6或M5的一次控制調節(jié)邊界時，通過干預控制M7內部的電動汽車充/放電功率(增大或減少充放電功率)、直流負載功率(切除負荷)、光伏控制器的功率(限制發(fā)電最大功率)，使M7穩(wěn)態(tài)功率重新回到一次控制的調節(jié)范圍。

這種控制方法適合于并網和離網兩種運行方式。當系統(tǒng)處在并網工作方式中，μEMS 一次控制的功率調節(jié)因子將主要或全部分配給AC-DC 模塊，由AC-DC起主導調節(jié)作用。離網運行方式時，AC-DC模塊失去調節(jié)能力，一次控制的調節(jié)因子將分配給 DC-DC模塊來進行調節(jié)?？刂圃瓌t為一次控制以瞬態(tài)的功率調節(jié)為主，二次調節(jié)以大周期性的源荷發(fā)電/用電的能量平衡調節(jié)為主。因此，這種控制方法是一種“功率瞬態(tài)與周期性能量穩(wěn)態(tài)自適應平衡的控制策略”。

2.3 并網、離網的自動切換

2.3.1并網模式到離網模式切換

微網控制單元通過檢測快速開關單元的電氣信息，檢測到滿足并網到離網切換的狀態(tài)后，切換快速開關，同時電力電子并網單元由并網的PQ控制模式，轉換為VF控制模式，保證主要負荷的正常運行，此時主要負荷的供電轉入離網運行模式。在切換過程中，微網控制單元對次要負荷進行減載，簡化了系統(tǒng)的控制復雜度，實現了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。

2.3.2離網模式到并網模式切換

微網控制單元通過檢測并網點的電氣信息，檢測到電網恢復供電后，控制離網供電的電力電子單元，實現與電網同期(同頻、同相、同幅值、同頻率)，當能量管理控制單元確定快速開關兩側實現了同期，控制快速開關與電力電子單元配合切換，實現離網運行模式到并網運行模式的切換。

3 結論

青島特銳德工業(yè)園區(qū)采用光儲充放一體化微電網系統(tǒng)之后，系統(tǒng)低壓配電、光伏、儲能和電動汽車充放電子系統(tǒng)實現了深度融合，使整個工業(yè)園區(qū)日用電量由7 000 kWh降低到約4 000 kWh，投資成本降低近30%。整個微電網系統(tǒng)采用交直流雙母線系統(tǒng)，直流源、荷直接在直流側消納吸收，從而將系統(tǒng)能量轉換效率提高了20%以上，而且通過能量管理系統(tǒng)使電動汽車有序參與充電，達到了削峰填谷的作用，該項目對微電網系統(tǒng)的實際推廣具有廣泛的借鑒和參考意義[13-15]。

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Research on integrated photovoltaic, energy storage, electric vehicle charging and discharge microgrid system based on electric vehicle group access

HE Zhaoan, SHNE Di, LIU Yuan, LI Pan, WANG Hao

(Xi'an TGOOD Intelligent Charging Technology Co., Ltd., Xi’an 710000, China)

Research on integrated photovoltaic, energy storage, charging and discharge of electric vehicles microgrid system based on electric vehicle group access is of great significance to the stable operation of the power grid and the realization of low carbon. The integrated micro-grid system of photovoltaic, energy storage and charging and discharge of electric vehicles is taken as the research object. The sub-systems of transformer and distribution, photovoltaic, energy storage, charging and discharging of electric vehicles in industrial parks are highly integrated to achieve economic power consumption on the user side, to reduce the peak-valley gap of power grid interface, and to provide an effective guarantee for local absorption of distributed clean energy generation and full utilization of distribution capacity. Moreover, the microgrid system greatly improves the energy efficiency of the grid side, and has the function of friendly interaction and response with the demand side of the grid system dispatch. In addition, the access of power electronic flexible regulator improves the dynamic regulation capability of the system, which makes the integrated micro-grid system of photovoltaic, energy storage, charging and discharging of electric vehicles have the functions of regulating reactive power and harmonic suppression.

This work is supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0101900).

electric vehicle; charging and discharging; distributed generation; energy storage; microgrid

2018-10-06

何照安(1983—)，男，研究生，高級工程師，研究方向為電動汽車充電與微電網技術；E-mail: heza@teld.cn

沈 迪(1886—)，男，碩士，工程師，研究方向為電網技術；E-mail: shendi@teld.cn

劉 源(1984—)，男，碩士，工程師，研究方向為電動汽車充電技術。E-mail: liuyuan@teld.cn

國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0101900)