基于混合儲能的電動汽車充電站微網系統(tǒng)協(xié)調控制：程啟明,徐聰,程尹曼,黃偉,郭凱
研究背景
電動汽車（EV）與電網或微網互聯(lián)是EV發(fā)展的一個趨勢。光儲式EV充電站是一種直流微網，它是利用光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)與電網供電相結合的供電方式，在一定程度上降低了EV負荷對電網的沖擊，同時又可充分利用光伏發(fā)電，在日照強烈時多發(fā)電，將剩余電能賣給電網，提高充電站的收益。在直流微網中，能量的平衡控制可歸結為直流母線電壓的調整和電能質量的管理。根據直流母線電壓的分層下垂變化，實現各變換器之間的協(xié)調控制。由于下垂控制無法實現對直流電壓的恒定控制，微網系統(tǒng)無可避免要面對新能源發(fā)電波動或者負荷的切換引起的電壓波動。為此，微網系統(tǒng)中通常需要增加儲能裝置來抑制功率波動，但是單一的儲能裝置很難同時滿足功率與能量兩方面要求。目前，對于超級電容與蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)研究較多，雖然超級電容具有功率密度高、充電速度快等優(yōu)點，但也存在儲能密度小、安裝位置或使用不當會造成電解質泄漏、內阻較大和價格較貴等缺點。飛輪儲能裝置具有儲能密度高、功率密度大、壽命長、工作溫度寬、損耗小、環(huán)保無污染和維護低等特點，近年來飛輪儲能的研究及應用受到重視。因此，基于飛輪與蓄電池混合儲能的電動汽車充電站直流微網協(xié)調控制技術的研究對于維持直流微網母線電壓的穩(wěn)定、提高微網系統(tǒng)的經濟效益都具有重要意義。
主要創(chuàng)新點
本文設計的光儲式EV充電站微網結構如圖1所示。本文設計的光儲式電動汽車充電站是由光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合儲能、EV充放電系統(tǒng)、DC/DC和AC/DC變換器、交直流負荷和中央控制單元等部分組成。光儲式EV充電站主要以直流微網結構方式運行，并配制了混合儲能系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化微網的能量配置，實現光伏發(fā)電、EV充放電的協(xié)調控制。同時，交流側母線與直流母線通過雙向AC/DC變換模塊實現能量的雙向流動，并通過固態(tài)切換開關（SST）實現微網與主網之間的聯(lián)網（即并網）和離網（即孤島）模式切換。
本文儲能系統(tǒng)采用飛輪與蓄電池混合儲能的方式，利用飛輪快速充放電的特性，對系統(tǒng)中的高頻功率和部分低頻功率進行補償，平滑蓄電池的輸入功率，從而在蓄電池提供電壓支撐時達到維持直流母線電壓平滑穩(wěn)定、并提高蓄電池使用壽命的目的。蓄電池用于平衡基準功率以維持母線電壓平滑穩(wěn)定。
直流微網中直流母線電壓是反映系統(tǒng)內功率平衡的唯一指標。本文設計了直流母線5層電壓（分層）協(xié)調控制策略，它根據直流母線電壓的分層下垂變化，實現各變換器之間的協(xié)調控制，從而實現直流微網中功率的協(xié)調優(yōu)化分配。圖2為直流母線電壓分層控制策略。圖中，直流母線電壓共分為5層，每層對應有相應變流器的電壓下垂控制，以保證系統(tǒng)中的功率平衡。其中：第1層控制，系統(tǒng)功率過剩，由光伏發(fā)電系統(tǒng)單向DC/DC變換器降功率控制維持直流母線功率的平衡并提供電壓支撐；第2、5層控制，由蓄電池儲能通過雙向DC/DC變換器電壓-電流下垂控制，維持母線電壓的穩(wěn)定；第3、4層控制，由雙向AC/DC變換器通過與交流側功率的交換，實現直流母線電壓的穩(wěn)定控制。
為便于分層控制中不同電壓層各變換器的控制策略快速切換，本文還增設功率監(jiān)測環(huán)節(jié)。即在電壓未達到某一電壓層而實際功率需要這一電壓層平衡控制時，立即切換到該層的控制策略，達到最終電壓平滑過渡的目的。
本文針對3種孤島運行模式和種并網運行模式不同工況進行了仿真分析研究。仿真結果表明，在所有工況下，所提控制策略都能使直流母線電壓在不同電壓層間有效切換，維持光儲充電站直流微網系統(tǒng)的直流母線電壓平衡，實現了整個系統(tǒng)的靈活、可靠運行。
結論
1）飛輪和蓄電池混合儲能的協(xié)調優(yōu)化控制對于直流母線電壓的平滑過渡效果明顯，能改善微網系統(tǒng)的電能質量，更有利于各變換器之間的協(xié)調控制以及系統(tǒng)中電氣設備的使用壽命的改善。
2）直流微網電壓分層控制中，直流電壓是系統(tǒng)中不同變換器之間實現下垂無互聯(lián)控制的重要依據。但僅靠直流電壓響應控制會使系統(tǒng)在切換不同模式時發(fā)生振蕩失穩(wěn)。因此需要設置功率監(jiān)測來改善控制性能，提高控制的靈活性。
3）本文提出的光儲式電動汽車直流微網的基本結構及其控制策略具有通用性，它們對于新能源的入網和就地消納，以及電動汽車和電網之間的互動研究具有很好的參考和實用價值。
后續(xù)研究內容
1）本文僅從充電站的整體結構設計和協(xié)調控制分析，并未著眼于其工程建設和量化規(guī)格標準等，這一點有待進一步深入和細化。
2）混合儲能中飛輪僅作為蓄電池儲能的功率和能量補充，在蓄電池為直流母線電壓提供支撐時，平滑部分高頻和低頻功率。對于飛輪在混合系統(tǒng)中的用途還有待拓展，例如，在蓄電池無法維持系統(tǒng)的功率平衡時，由飛輪進一步作為母線電壓的支撐等。
