电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法

摘要

本发明提供一种电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法，该控制方法利用变流装置的富余容量对区域电网谐波及无功进行无损增值控制，有效解决非线性负荷产生的谐波、无功污染等问题，是未来智能电网的重要组成部分，具体分别为利用储能电池的增值控制、利用变流装置电容的增值控制及将两者进行比例融合的增值控制。本发明可在不引入额外损耗的前提下，为电动汽车及内部储能电池供电的同时，有效利用变流装置的富余容量对区域电网由于非线性负荷产生的无功及谐波功率进行治理和补偿，有效解决传统电动汽车充电设施等非线性设备引入的谐波和无功污染问题，大大改善电网电能质量和运行效率，给电网带来极大的无损增值效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电站控制方法，尤其涉及一种用于电动汽车充放储一体化电站 的新型无损增值效益控制方法。

背景技术

电动汽车被认为是汽车产业发展的重要方向之一，但其大规模推广应用仍受到 电池成本、配套充电设施建设等因素的制约。目前，电动汽车尤其是民用轿车的行 业标准较不成熟，仅仅满足电动汽车研发、试验的需要，各厂家使用的电池组差异 较大，现阶段还不具备全面推行换电池电站的条件。公交车辆是当前乃至今后一段 时间应用电动汽车技术的主流，我国电动汽车及充电设施的推广与建设主要集中在 公交用车、公务用车等示范运营方面。国内研究人员提出了兼具充电、换电池、储 能、退役电池再利用功能于一体的电动汽车智能充放储一体化电站，相比于传统的 单一功能充电站、换电站或储能站，能够显著节约土地资源、降低电池使用成本， 获得了广泛认可，被认为是推动电动汽车发展的有力保证。

研究人员围绕一体化电站开展了一系列科研，但是对于深层次的控制方法，还 未见相关研究。尤其是充放储一体化电站在正常状态下，除实现基本充放电智能外， 一体化电站作为高频可控有源的电力电子装置，采取何种控制方法以发挥设备技术 优势，产生增值效益，更未有探讨。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种新型充放储一体化电站对 于电网产生增值效益的控制方法，该控制方法利用变流装置的富余容量对区域电网 谐波及无功进行无损增值控制，有效解决非线性负荷产生的谐波、无功污染等问题， 为电网电能质量带来增值效益，是未来智能电网的重要组成部分。

根据本发明提供的电动汽车充放储一体化电站的无损增值效益控制方法，利用充 放储一体化电站的变流装置的富余容量对区域电网谐波及无功进行无损增值控制，其 中，所述充放储一体化电站包括调度中心、变流装置、电池充换系统、梯次电池储能系 统，其中，变流装置分别连接调度中心、电池充换系统、梯次电池储能系统。

优选地，使用了电压环控制与非线性平均电流补偿控制的控制策略，其中，所述充 放储一体化电站包括：滤波电感、双向PWM变换器、Buck-Boost电路、直流中间级电容、 储能电池组，连接关系为：双向PWM变换器通过滤波电感连接至交流系统，双向PWM变 换器的直流侧与直流中间级电容相连，Buck-boost电路一端连接至直流中间级电容，另 一端与储能电池组相连。

优选地，利用梯次电池储能系统的储能电池进行增值控制，具体包括如下步骤：

步骤1：检测一体化电站接入点无功需求，确定一体化电站提供的无功功率q_L^’；

步骤2：充放储一体化电站由储能电池输出有功功率及无功功率；

其中，由储能电池提供增值控制所带来的额外损耗很小。

优选地，利用变流装置的电容进行增值控制，具体包括如下步骤：

步骤1：检测一体化电站接入点无功需求，确定一体化电站提供的无功功率q_L^’；

步骤2：充放储一体化电站利用变流装置中间级电容，按照电压环控制和非线性平 均电流补偿控制方法，向系统提供无功补偿；

其中，电容电压在一个周期内的平均值基本为零，通过步骤2的控制方式，能够无 损提供无功补偿功能。

优选地，利用梯次电池储能系统的储能电池及变流装置的电容进行比例增值控制， 具体包括如下步骤：

步骤1：检测一体化电站接入点无功需求，确定一体化电站提供的无功功率q_L^’；

步骤2：一体化电站由储能电池的作用提供无功及谐波功率为k_B*q_L^’，由变流装 置电容作用提供无功及谐波功率(1-k_B)*q_L^’，向系统提供无功补偿，k_B为人为设定的 比例系数，q_L^’为一体化电站向负荷提供的无功功率；

其中，一体化电站向系统提供无功补偿等增值控制时的损耗很小。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用无损增值效益控制技术，一体化 站利用变流装置的富余容量有效治理和补偿由非线性负荷产生的无功及谐波功率， 且不引入任何附加损耗，大大改善电网电能质量和运行效率，给电网带来极大的无 损增值效益。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中充放储一体化电站的结构示意图；

图2为本发明中利用储能电池进行增值控制系统结构；

图3为本发明中一体化电站进行增值控制时的功率矢量图；

图4为本发明中一体化电站利用变流装置电容进行增值控制的结构图；

图5为本发明中利用变流装置电容进行增值控制时的电压环控制图；

图6为本发明中利用变流装置电容进行增值控制时的非线性平均电流补偿控制 框图；

图7为本发明中一体化电站利用储能电池及变流装置电容比例增值控制系统结 构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

请参阅图1，充放储一体化电站的结构示意图，充放储一体化站由调度中心、 多用途变流装置、电池充换系统和梯次电池储能系统等四部分组成。本发明提出的 控制方法分为三种，分别为利用储能电池的增值控制、利用变流装置电容的增值控 制及将两者进行比例融合的增值控制。

A.利用储能电池的增值控制

请参阅图2，充放储一体化电站利用储能电池进行增值控制的结构图。对系统 进行单相分析，图中U_S表示电网，L_m为滤波电感，变流装置由双向PWM变换器及 Buck-Boost电路组成，完成电网交流电到储能电池组直流电的转换。

增值控制用于补偿非线性负荷产生的谐波电流和基波无功电流。电源输出功率 包括负荷有功功率p_L、一体化站的有功功率p_B和损耗功率△p_B、以及经补偿后的无 功剩余量q_L-q_L^’；负荷需要的部分无功q_L^’由一体化站输出。

设电源电压U_S为无畸变正弦波，负荷瞬时电流i_L(t)如下式：

$i_L\left(t\right)=I_{\mathrm{pL}}\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+\underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{I}_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n)---\left(1\right)$

式中，I_pL是非线性负荷消耗电流中的基波有功分量幅值，I_q是电流中的基波无 功分量幅值，I_n是电流中的n次谐波分量幅值，θ_n是电流的n次谐波分量相角。

负荷瞬时功率S_L(t)为：

$\left(\begin{array}{c}{S}_L\left(t\right)=I_{\mathrm{pL}}{U}_s{\sin }^2\left(\mathrm{\omega t}\right)+I_q{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)I_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n)\end{array}\right)---\left(2\right)$

一体化电站在不提供增值无功控制时，一体化电站储能电池所需有功功率为p_B， 由于无功控制在一体化电站内产生的多余有功功率为△p_B，p_B增大，△p_B相应增大， 同样p_B减小，△p_B相应减小。一体化电站由于变流装置开关管的电流限制，变流装 置容量有上限S_Bmax，相应的对电网无功及谐波的增值治理能力有上限q_Bmax，请参阅 图3所示，P坐标正方向为一体化电站向电网放出有功功率，负方向为吸收有功功 率，q坐标正方向为一体化电站向电网及负荷放出无功功率，负方向为吸收无功功 率。

$S_B\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}{q}_L-p_B-\Delta p_B,q_L+p_B+\Delta p_B\le S_{B\max }\\ q_{B\max }-p_B-\Delta p_{B\max },q_L+p_{B\max }+\Delta p_{B\max }=S_{B\max }\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，S_B(t)为一体化电站输出的视在功率，p_Bmax为一体化电站输出有功功率的 最大值，ΔP_B为一体化电站输出时的功率损耗，Δp_Bmax为输出最大有功功率时的功率 损耗，q_Bmax为一体化电站输出无功功率的最大值，q_L为负荷消耗的无功功率。

电网输出功率S_S(t)为：

$S_S\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}{p}_L+p_B+\Delta p_B,q_L+p_B+\Delta P_B\le S_{B\max }\\ p_L+p_B+\Delta p_{B\max }+q_L-q_{B\max },q_L+p_{B\max }+\Delta P_{B\max }=S_{B\max }\end{array}---\left(4\right)\right)$

设k为一体化电站系统的无功及谐波补偿系数，0≤k≤1,令：

$q_L^{,}=\left(\begin{array}{c}{q}_L,q_L+p_B+\Delta P_B{\le S}_{B\max }\\ q_L-q_{B\max }={\mathrm{kq}}_L,q_L+p_{B\max }+{\mathrm{\Delta P}}_{B\max }=S_{B\max }\end{array}---\left(5\right)\right)$

将一体化站等效为内阻电池模型，在不提供增值无功控制时，储能站电流为i_B^*， 有：

$p_B=E·i_B^{*}+{i_B^{*}}^2·R---\left(6\right)$

其中，E为一体化电站储能系统等效的电动势，R为等效电池的内阻。

在提供增值无功及谐波补偿时，储能站的无功及谐波补偿电流为i_Bq，有功电流 为i_Bp，有：

$p_B+\Delta p_B+{\left(\frac{q_L^{\prime }}{E}\right)}^2·R=E·i_{\mathrm{Bp}}+i_{\mathrm{Bp}}^2·R---\left(7\right)$

在一个周波T内，无功及谐波电流在一体化电站电池组的等效稳压源上的能量 消耗为：

$\left(\begin{array}{c}{\int }_0^{T}E·i_{\mathrm{Bq}}\mathrm{dt}={\int }_0^T{q}_L^{\prime }\mathrm{dt}\\ =k{\int }_0^T\left(\begin{array}{c}{I}_q{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+\\ \underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)I_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n)\end{array}\right)\mathrm{dt}=0\end{array}\right)---\left(8\right)$

所以一体化电站在进行无功及谐波增值补偿功能时，无功电流在一体化电站储 能电池组的等效稳压源上的能量消耗为零。

从能量角度看，增值无功及谐波补偿功能的实现是在不影响一体化电站正常能 量供给的情况下完成的，所以有：

${\int }_0^{T}E·i_B^{*}\mathrm{dt}={\int }_0^{T}E·i_B\mathrm{dt}={\int }_0^{T}E·\sqrt{i_{\mathrm{Bp}}^2+i_{\mathrm{Bq}}^2}\mathrm{dt}---\left(9\right)$

其中，i_B为一体化电站的输出电流。

结合式(6)、(7)和(9)可以得出△p_B。

从功率角度看，只考虑储能站等效内阻上消耗的有功功率，△p_B是由无功及谐 波电流在储能站等效内阻上消耗的有功功率和由于多余功功率的增加导致在储能 站内阻上的新增有功功率组成。所以：

${\mathrm{\Delta p}}_B={(q_L^{\prime }/E)}^2·R+{({\left(\frac{q_L^{\prime }}{E}\right)}^2·R/E)}^2·R+{({({\left(\frac{q_L^{\prime }}{E}\right)}^2·R/E)}^2·R/E)}^2·R+...\left(10\right)$

B.一体化电站利用变流装置电容进行增值控制

一体化电站利用变流装置电容进行增值控制的结构图如图4所示。增值控制用 于补偿负荷产生的谐波电流和基波无功电流。经补偿后，电源只向负荷输出功率有 功功率p_L、一体化电站的有功功率p_B和损耗功率△p_C，以及经补偿后的无功剩余量 q_L-q_L^’。负荷需要的部分无功功率q_L^’由一体化电站输出。图中S_S是电网系统输送的 能量，p_L+q_L是非线性负荷消耗的能量。

负荷瞬时功率如式(2)所示。

电网输出功率S_S为：

S_S＝p_L+p_B+Δp_C+q_L-q_L^'

＝I_pLU_ssin²(ωt)+ΔI_pCU_ssin²(ωt)+P_B   (11)

＝(I_pL+ΔI_pC)sin(ωt)u_s(t)+P_B+(1-k)I_pqU_ssin(ωt)cos(ωt)

式中，△I_pC是一体化电站由于无功谐波增值控制输出的基波有功电流，Δp_C为 一体化电站的损耗功率，I_pL为负荷有功电流，u_s(t)为系统电压，I_pq为负荷无功电 流。

一体化输出功率S_B为：

$\left(\begin{array}{c}{S}_B=q_L^{\prime }-p_B-\Delta p_C\\ =I_{\mathrm{qB}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+\underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)I_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n)-{\mathrm{\Delta I}}_{\mathrm{pC}}{U}_s{\sin }^2\left(\mathrm{\omega t}\right)-p_B\end{array}\right)---\left(12\right)$

其中，I_qB为一体化电站无功电流。

无功功率q_L^’一个周期T内的积分为：

$\underset{0}{\overset{T}{\int }}{q}_L^{\prime }\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\int }}(I_{\mathrm{qB}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+\underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)I_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n))\mathrm{dt}=0---\left(13\right)$

式(13)说明无功功率q_L^’通过逆变器与直流侧储能元件电容C产生能量交换，引 起直流侧电容电压波动，但其在一个周期内的积分为零，因此一个无损的变流装置 系统中，其直流侧电容电压的20ms周期平均值保持为一个定值。

损耗功率△p_C一个周期T内的积分为：

$\underset{0}{\overset{T}{\int }}\Delta p_C\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\int }}\left(\Delta I_{\mathrm{pC}}{U}_s\stackrel{2}{\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)}\right)\mathrm{dt}=\frac{T}{2}{\mathrm{\Delta I}}_{\mathrm{pC}}{U}_S=\frac{1}{2}C[U_{\mathrm{dc}}+\Delta U_{\mathrm{dc}}{]}^2-\frac{1}{2}C\stackrel{2}{U_{\mathrm{dc}}}---\left(14\right)$

式中，U_dc为直流侧电容电压，C为电容容值，ΔU_dc为直流侧电容电压在一个周 期内的变化量。

式(14)和(15)说明无功功率q_L通过逆变器与直流侧储能元件电容C产生能量交 换，引起直流侧电容电压波动，但其在一个周期内的积分为零，因此一个无损的变 流装置系统其直流侧电容电压的20ms周期平均值保持为一个定值。而实际的补偿 装置存在损耗功率△p_C，其在一个周期内的积分不为零，所以将引起电容电压周期 值的变化，也就是说电容电压周期值的变化反应了无功及谐波增值控制中变流装置 有功功率损耗的传递。一体化电站要有效地对系统谐波电流进行补偿，按照PWM控 制规律，逆变器的直流侧电容电压就必须保持恒定，若直流侧电压波动较大，就会 出现过补偿或者欠补偿。欠补偿时会影响补偿的精度，过补偿时会增加一体化电站 的干扰性谐波电流。将周期离散控制技术应用于电压环的控制，配合快速的工频数 字锁相环技术，这样使得一体化电站能够应用于各种负荷状况。图5为电压环控制 简图。一体化电站的电流控制，必须首先从动态响应速度、补偿精度两方面进行考 虑，还应考虑直流端电压或电流利用率和功率器件开关频率等因素。为了达到理想 的跟踪效果，采用非线性平均电流补偿控制方法，框图如图6所示。

C.利用储能电池及变流装置电容比例增值控制

一体化电站利用储能电池及变流装置电容比例进行增值控制的结构图如图7所 示。储能电池和变流装置电容对于无功及谐波补偿功率总量q_L^’按照比例划分，由 储能电池的作用提供无功及谐波功率为k_B*q_L^’，由变流装置电容作用提供无功及谐 波功率(1-k_B)*q_L^’，其中，k_B为人为设定的比例系数。同样，储能电池由于增值无功 及谐波控制作用，会在电池组等效内阻上产生多余的有功功率消耗△p_B，由电容的 作用在增值控制时，产生的多余的有功功率消耗为△p_C。

负荷瞬时功率如式(2)所示。

电网输出功率S_S(t)为：

S_S(t)＝p_L+p_B+ΔP_B+ΔP_C+q_L-q_L^'

＝I_pLU_ssin²(ωt)+ΔI_pCU_ssin²(ωt)+P_B+ΔP_B   (18)

＝(I_pL+ΔI_pC)sin(ωt)u_s(t)+P_B+ΔP_B+(1-k)I_pqU_ssin(ωt)cos(ωt)

式中，△I_pC是一体化电站由于无功谐波增值控制输出的基波有功电流。

一体化输出功率S_B(t)为：

$\left(\begin{array}{c}{S}_B\left(t\right)=q_L^{\prime }-p_B-{\mathrm{\Delta p}}_C-{\mathrm{\Delta p}}_B\\ =I_{\mathrm{qB}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+\underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)I_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n)-{\mathrm{\Delta I}}_{\mathrm{pC}}{U}_s{\sin }^2\left(\mathrm{\omega t}\right)-p_B-{\mathrm{\Delta p}}_B\end{array}\right)---\left(19\right)$

无功功率q'_L一个周期内的积分为：

$\underset{0}{\overset{T}{\int }}{q}_L^{\prime }\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\int }}(I_{\mathrm{qB}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)+\underset{n=2}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_s\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)I_n\sin (\mathrm{n\omega t}+{\theta }_n))\mathrm{dt}=0---\left(20\right)$

式(20)说明无功功率q_L^’通过逆变器与直流侧储能元件电容C以及储能电池产 生能量交换，但其在一个周期内的积分为零，因此一个无损的变流装置系统中，其 直流侧电容电压的20ms周期平均值保持为一个定值，无功电流对于电池能量的补 给也为0。

损耗功率△p_B为：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Delta p}}_B={(k_B{q}_L^{\prime }/E)}^2·R+{({\left(\frac{k_B{q}_L^{\prime }}{E}\right)}^2·R/E)}^2·R+\\ {({({\left(\frac{k_B{q}_L^{\prime }}{E}\right)}^2·R/E)}^2·R/E)}^2·R+\end{array}...\left(21\right)\right)$

由A“利用储能电池的增值控制”部分中分析可知，一体化电站由于储能电池 进行的增值控制时，△p_B很小。

损耗功率△p_C一个周期内的积分为：

$\left(\begin{array}{c}\underset{0}{\overset{T}{\int }}{\mathrm{\Delta p}}_C\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\int }}\left({\mathrm{\Delta I}}_{\mathrm{pC}}{U}_s\stackrel{2}{\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)}\right)\mathrm{dt}\\ =\frac{T}{2}{\mathrm{\Delta I}}_{\mathrm{pC}}{U}_S=\frac{1}{2}C[U_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\Delta U}}_{\mathrm{dc}}{]}^2-\frac{1}{2}C\stackrel{2}{U_{\mathrm{dc}}}\end{array}---\left(22\right)\right)$

式中，U_dc为直流侧电容电压。由B中分析知，可通过控制直流侧电容电压稳定 来补偿因电容的作用进行无功及谐波增值控制时产生的有功损耗，并且这部分有功 损耗的量也很小

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。