基于混合储能的电动汽车充电站微网系统协调控制：程启明,徐聪,程尹曼,黄伟,郭凯

研究背景

电动汽车（EV）与电网或微网互联是EV发展的一个趋势。光储式EV充电站是一种直流微网，它是利用光伏发电和储能系统与电网供电相结合的供电方式，在一定程度上降低了EV负荷对电网的冲击，同时又可充分利用光伏发电，在日照强烈时多发电，将剩余电能卖给电网，提高充电站的收益。在直流微网中，能量的平衡控制可归结为直流母线电压的调整和电能质量的管理。根据直流母线电压的分层下垂变化，实现各变换器之间的协调控制。由于下垂控制无法实现对直流电压的恒定控制，微网系统无可避免要面对新能源发电波动或者负荷的切换引起的电压波动。为此，微网系统中通常需要增加储能装置来抑制功率波动，但是单一的储能装置很难同时满足功率与能量两方面要求。目前，对于超级电容与蓄电池组成的混合储能系统研究较多，虽然超级电容具有功率密度高、充电速度快等优点，但也存在储能密度小、安装位置或使用不当会造成电解质泄漏、内阻较大和价格较贵等缺点。飞轮储能装置具有储能密度高、功率密度大、寿命长、工作温度宽、损耗小、环保无污染和维护低等特点，近年来飞轮储能的研究及应用受到重视。因此，基于飞轮与蓄电池混合储能的电动汽车充电站直流微网协调控制技术的研究对于维持直流微网母线电压的稳定、提高微网系统的经济效益都具有重要意义。

主要创新点

本文设计的光储式EV充电站微网结构如图1所示。本文设计的光储式电动汽车充电站是由光伏发电系统、混合储能、EV充放电系统、DC/DC和AC/DC变换器、交直流负荷和中央控制单元等部分组成。光储式EV充电站主要以直流微网结构方式运行，并配制了混合储能系统协调优化微网的能量配置，实现光伏发电、EV充放电的协调控制。同时，交流侧母线与直流母线通过双向AC/DC变换模块实现能量的双向流动，并通过固态切换开关（SST）实现微网与主网之间的联网（即并网）和离网（即孤岛）模式切换。

本文储能系统采用飞轮与蓄电池混合储能的方式，利用飞轮快速充放电的特性，对系统中的高频功率和部分低频功率进行补偿，平滑蓄电池的输入功率，从而在蓄电池提供电压支撑时达到维持直流母线电压平滑稳定、并提高蓄电池使用寿命的目的。蓄电池用于平衡基准功率以维持母线电压平滑稳定。

直流微网中直流母线电压是反映系统内功率平衡的唯一指标。本文设计了直流母线5层电压（分层）协调控制策略，它根据直流母线电压的分层下垂变化，实现各变换器之间的协调控制，从而实现直流微网中功率的协调优化分配。图2为直流母线电压分层控制策略。图中，直流母线电压共分为5层，每层对应有相应变流器的电压下垂控制，以保证系统中的功率平衡。其中：第1层控制，系统功率过剩，由光伏发电系统单向DC/DC变换器降功率控制维持直流母线功率的平衡并提供电压支撑；第2、5层控制，由蓄电池储能通过双向DC/DC变换器电压-电流下垂控制，维持母线电压的稳定；第3、4层控制，由双向AC/DC变换器通过与交流侧功率的交换，实现直流母线电压的稳定控制。

为便于分层控制中不同电压层各变换器的控制策略快速切换，本文还增设功率监测环节。即在电压未达到某一电压层而实际功率需要这一电压层平衡控制时，立即切换到该层的控制策略，达到最终电压平滑过渡的目的。

本文针对3种孤岛运行模式和种并网运行模式不同工况进行了仿真分析研究。仿真结果表明，在所有工况下，所提控制策略都能使直流母线电压在不同电压层间有效切换，维持光储充电站直流微网系统的直流母线电压平衡，实现了整个系统的灵活、可靠运行。

结论

1）飞轮和蓄电池混合储能的协调优化控制对于直流母线电压的平滑过渡效果明显，能改善微网系统的电能质量，更有利于各变换器之间的协调控制以及系统中电气设备的使用寿命的改善。

2）直流微网电压分层控制中，直流电压是系统中不同变换器之间实现下垂无互联控制的重要依据。但仅靠直流电压响应控制会使系统在切换不同模式时发生振荡失稳。因此需要设置功率监测来改善控制性能，提高控制的灵活性。

3）本文提出的光储式电动汽车直流微网的基本结构及其控制策略具有通用性，它们对于新能源的入网和就地消纳，以及电动汽车和电网之间的互动研究具有很好的参考和实用价值。

后续研究内容

1）本文仅从充电站的整体结构设计和协调控制分析，并未着眼于其工程建设和量化规格标准等，这一点有待进一步深入和细化。

2）混合储能中飞轮仅作为蓄电池储能的功率和能量补充，在蓄电池为直流母线电压提供支撑时，平滑部分高频和低频功率。对于飞轮在混合系统中的用途还有待拓展，例如，在蓄电池无法维持系统的功率平衡时，由飞轮进一步作为母线电压的支撑等。