[发明专利]一种光储充电站的能量协调控制方法

权利要求书

1.一种光储充电站能量协调控制方法，其特征在于：涉及的光储充电站包括：光伏发电系统、储能电池系统、交流配电网系统、直流总线、直流充电桩、以及能量协调控制系统；充电站的系统结构如图1所示；

光伏发电系统可以方便地布置在充电站的停车棚顶部，光伏发电系统利用太阳能转换为直流电通过直流变换器接入充电站供电，为了最大化利用光伏发电能量，光伏发电系统一般工作在最大功率点跟踪(MPPT)模式；

储能电池系统以集装箱的形式布置在充电站周围区域；储能电池与充电站之间通过双向直流变换器连接既可以充电也可以放电；当光伏发电量大于电动汽车充电需求时，多余的能量将存储在储能电池中；当光伏功率小于电动汽车充电需求时，储能电池系统将放电以满足电动汽车的充电需求；

交流配电网系统与充电站之间通过AC/DC变换器连接，使充电站并入配电网；当充电站并网正常运行时，AC/DC变换器起到稳定直流母线电压的作用，当充电站内有剩余功率时，剩余功率可以通过变换器送入配电网，反之，当充电站供电功率不满足电动汽车充电需求时，交流配电网通过变换器为充电站提供功率，保证充电站内部始终功率平衡；

电动汽车通过直流充电桩与充电站连接，电动汽车的充电负荷具有充电功率大，充电随机性强，充电时间长，充电功率不一致，动态波动强等特点；

通过优先利用可再生能源发电和储能电池系统，可以实现可再生能源发电的就地消纳和降低电网侧的负荷；但是随着储能电池能量的逐渐降低，尤其是当充电需求较大的情形下，储能电池可能出现能量被迅速消耗殆尽的情形，此后，充电站内只剩下光伏发电系统和交流配电网为充电站工作，甚至只有交流配电网工作，这种情形势必增加了交流配电网的负荷，不利于电网的运行安全；因此，有必要设计有效的能量协调控制方法发挥储能灵活充放电的特性，减轻电网的负荷；

图2为能量协调控制示意图；如图2所示，电动汽车连接充电桩后，将充电功率需求P_ev，i发送给充电桩，充电桩将收集到的充电需求信息发送给充电站的协调控制系统，协调控制系统同时采集光伏发电系统的实时发电功率P_pv、储能电池系统的实时电荷状态(state ofcharge，SOC)信息，其中协调控制系统内部储存有储能电池的最大允许充/放电功率；协调控制系统首先计算∑P_ev，i和P_pv的差值

P_diff＝∑P_ev，i-P_pv

进而根据储能电池的SOC信息以及储能电池允许的充放电功率范围判断储能电池的充放电功率；储能电池的充放电功率需要满足一定的约束条件，其充放电功率不能超过其允许的最大值P_bat，max和最小值P_bat，min，定义放电功率的数值为正，充电功率的数值为负，

P_bat，min≤P_bat≤P_bat，max

而且储能电池的能量E不能超过最大E_bat，max和最小值E_bat，min，以保证储能电池的安全运行，

E_bat，min≤E≤E_bat，max

当储能电池出于能量过高的状态时，其不能消纳光伏的剩余发电容量，反之，当储能电池能量处于下边界时，储能电池不能继续放电，相应加重了电网的负担；

另外，由于储能电池容量小，其功能是作为能量储存释放部件缓冲充电负荷和光伏发电系统的随机波动，因此为了使储能电池能够持续工作，对储能电池增加实施以下模式切换控制方法，使其SOC维持在一定的范围，其控制逻辑如图3所示；当储能电池的SOC下降直到0.4时，控制模式由“1”切换到“-1”(“1”表示放电模式，“-1”表示充电模式)，此时储能电池SOC较低，储能电池将通过电网对其充电，一直到SOC升高到0.6，此时储能电池可以放电或者充电，取决于当前的充电负荷与光伏发电量；其中SOC的切换上下边界不局限于0.45和0.55，可以有技术人员自己根据情况自己调整设定，一般定在SOC为0.5附近，使储能电池可以响应充电站的充电或者放电的调度需求；该模式切换的上下边界范围的选取，可以避免储能电池直流变换器的频繁切换；有利于系统稳定；

储能电池的能量变化动态方程可以用以下方程表示

E(k+1)＝E(k)-Δt·P_bat

充电站协调控制系统根据计算出的储能电池功率，充电站系统需要保持功率平恒，因此，交流配电网的调度功率可以根据功率平衡得到

P_grid＝∑P_ev，i-P_pv-P_bat

上述的完整的能量协调控制策略如图4所示；充电站协调控制系统将计算得到的储能电池和交流配电网功率以控制命令形式分别发送给储能电池控制系统和交流配电网控制系统；

下面以一个实施例验证该协调控制方法的效果；设光伏的安装容量为75kW，储能电池容量为440kWh，充电站安装有6个充电桩，一天内有50辆电动汽车进行充电，电动汽车到达充电站的时间服从泊松分布；充电站的能量协调控制仿真结果如图5所示；可以看出储能电池的SOC在达到0.45之后，触发了模式切换控制的条件，后续的时间段内SOC保持在在0.45到0.55之间，验证了储能电池模式切换控制方法的有效性和可行性；而且，有效避免了储能电池充放电模式的频繁切换；

与所提出的方法相对的是，当储能电池的SOC低于0.5时，储能电池停止放电并开始充电，没有上下边界的延迟限制，得到的仿真结果如图6所示；可以看到，该方法导致储能电池充放电和主电网功率的频繁切换与波动；

此外对比了不包含储能电池模式切换控制的方法，采用模式切换控制的方法可以有效保障储能电池持续运行的能力，进而储能电池可以在放电模式下有效减轻电网的负荷；三种方法的结果对比如表1所示，两者在电网最大功率指标上面的差距不是很大，但是应用模式切换控制方法可以使电网峰均值比PAR减小，PAR减小有利于电网的调节；另一方面，储能电池放电深度DOD影响储能电池的寿命；因此，从这三方面的对比中，可以看出采用模式切换控制方式的优势。