充放儲(chǔ)一體化電站

電氣工程學(xué)術(shù)語充放儲(chǔ)一體化電站01定義關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)行模式發(fā)展現(xiàn)狀運(yùn)用原理規(guī)程的制定目錄0305020406基本信息充放儲(chǔ)一體化電站是為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)的充放儲(chǔ)一體化電站主要由四部分構(gòu)成:調(diào)度中心、多用途變流裝置、充放儲(chǔ)電池更換系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。充放儲(chǔ)一體化電站綜合了電動(dòng)汽車充電站、電池更換站與電池儲(chǔ)能電站的功能，完成與電、電動(dòng)汽車間的信息交互，實(shí)現(xiàn)有序能量管理，既可以作為區(qū)域電中的用電負(fù)荷，也可以作為分布式電源向電供電。定義定義隨著環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)峻，電動(dòng)汽車(ElectricVehicle,EV)和可再生能源發(fā)電(RenewableEnergyGeneration,REG)應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)汽車具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，可以避免傳統(tǒng)燃油汽車環(huán)境污染嚴(yán)重、石油消耗量大的缺點(diǎn)

，可再生能源發(fā)電則可有效緩解當(dāng)前電力需求緊張的局面，實(shí)現(xiàn)能源戰(zhàn)略的可持續(xù)發(fā)展[,。發(fā)展電動(dòng)汽車必須建設(shè)與之配套的充電站，而可再生能源技術(shù)的可靠運(yùn)用則離不開儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)二者的發(fā)展還推動(dòng)了各自產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，對(duì)國(guó)民工業(yè)有著重要意義。電動(dòng)汽車充電站的建設(shè)動(dòng)力來源于電動(dòng)汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，從世界范圍來看，日本和美國(guó)的電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展速度最快。從上世紀(jì)90年代中后期開始日本政府和企業(yè)對(duì)燃料電池汽車行業(yè)投入了巨額資金，隨著鏗電池性能的提高和價(jià)格的不斷下降，日本政府開始著力發(fā)展電動(dòng)汽車，各汽車公司也及時(shí)調(diào)整了方向。在美國(guó)，奧巴馬總統(tǒng)制定了2015年以前讓100萬輛電動(dòng)車上路的目標(biāo)，政府的鼓勵(lì)措施讓各電動(dòng)汽車生產(chǎn)商積極參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。隨著國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國(guó)家相繼將新能源和新能源汽車列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)加以重點(diǎn)扶持，電動(dòng)汽車己進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。根據(jù)《電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五’，專項(xiàng)規(guī)劃》，2015年我國(guó)電動(dòng)汽車保有量將達(dá)到100萬輛，2020年將達(dá)到500萬輛，同時(shí)電動(dòng)汽車充電站等相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)也將相應(yīng)啟動(dòng)。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展是高可靠性供電和新能源發(fā)電技術(shù)運(yùn)用的必然趨勢(shì)，它作為電運(yùn)行“采發(fā)輸配用儲(chǔ)”六大環(huán)節(jié)中的重要組成部分，受到各國(guó)能源、電力、交通等部門的高度重視。發(fā)展現(xiàn)狀運(yùn)用發(fā)展現(xiàn)狀運(yùn)用電動(dòng)汽車充電站電動(dòng)汽車充換電站的研究和建設(shè)因其重大意義而受到國(guó)內(nèi)外眾多電力企業(yè)、汽車企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的重視

巴黎是最早將清潔能源汽車引入公交系統(tǒng)的城市，法國(guó)電力公司積極建設(shè)電動(dòng)汽車充電設(shè)施，并組建了電池租賃公司，截止2008年，法國(guó)共有1萬多輛各類電動(dòng)汽車，200座公共充電站。2009年3月，駐扎在歐盟國(guó)家的約20多家汽車和能源企業(yè)宣布建立聯(lián)盟，來共同制定電動(dòng)汽車統(tǒng)一使用的充電站和充電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)的BetterPlace公司與舊金山市擬投資10億美元在加州建設(shè)充電絡(luò)，該公司還與以色列、丹麥、澳大利亞、日本、加拿大等國(guó)外相關(guān)部和企業(yè)開展合作，籌建電池更換式充電站。日本東京電力公司于2010年?yáng)|京率先建成200多座充電站，并預(yù)計(jì)三年后將增加到1000座以上，日產(chǎn)汽車、住友商事等日本公司則共同規(guī)劃2020年前再設(shè)立4000個(gè)電動(dòng)汽車充電站為購(gòu)買電動(dòng)汽車的消費(fèi)者提供更加便利的服務(wù)。近年來，國(guó)內(nèi)各省市積極開展電動(dòng)汽車充電站示范工程的建設(shè)工作2009年1月，由國(guó)家科技部、財(cái)政部、發(fā)改委、工業(yè)和信息化部聯(lián)合推出了十城千輛節(jié)能與新能源汽車示范推廣應(yīng)用工程，確定了參與該工程的三批共25個(gè)城市。經(jīng)過幾年發(fā)展，電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)在全國(guó)建立了上海、北京、天津、杭州、武漢、威海、株洲等7個(gè)電動(dòng)汽車商業(yè)化示范城市，其中上海、北京、杭州、株洲等城市針對(duì)示范車型的特點(diǎn)，建設(shè)了各具特色的電動(dòng)汽車充電服務(wù)設(shè)施。截止2011年底，我國(guó)己建成電動(dòng)汽車充電站314座，電動(dòng)汽車交流充電樁超過1.6萬個(gè)。關(guān)鍵技術(shù)綜述供電方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)行模式關(guān)鍵技術(shù)綜述近年來，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)充放儲(chǔ)一體化電站開展了大量的研究工作。充放儲(chǔ)一體化電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國(guó)內(nèi)外均處于探索階段，它涉及到電力系統(tǒng)、電力電子學(xué)、信息通信、經(jīng)濟(jì)學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多學(xué)科的問題，各學(xué)科也存在交叉之處。本文主要充放儲(chǔ)一體化電站功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的能量變換和控制過程中存在的相關(guān)問題。功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)在充放儲(chǔ)一體化電站中起著連接電或負(fù)荷和儲(chǔ)能載體的紐帶作用，它集充放功能于一體，具有雙向功率調(diào)節(jié)的作用。下面分別介紹其供電方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式

。供電方式充放儲(chǔ)一體化電站功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的的供電方式分為交流母線供電、直流母線供電以及交直流母線混合供電三種。目前應(yīng)用比較多的是交流供電方式，介紹了幾種典型結(jié)構(gòu)，并比較了幾種構(gòu)成方式的設(shè)備購(gòu)置和運(yùn)行費(fèi)用，得出了交直流母線供電方式具有較好經(jīng)濟(jì)性的結(jié)論，但是文中未考慮不同母線構(gòu)成中由于各變換器禍合帶來的系統(tǒng)可靠性問題。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高壓大容量的PCS還沒有成熟一致的主電路拓?fù)洌脩粜韪鶕?jù)不同的運(yùn)用場(chǎng)合和電池組特性進(jìn)行優(yōu)選[,。從電路結(jié)構(gòu)來看，PCS主要有單級(jí)式、兩級(jí)式和組合式3種。單級(jí)式拓?fù)渲?，電池組通過DC/AC變換器直接到達(dá)端口1，一般會(huì)加升壓型隔離變壓器再與電或負(fù)載相連，該型拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗相對(duì)較低，適用于電中分布式獨(dú)立電源并。其主要缺點(diǎn)是儲(chǔ)能單元的容量選擇缺乏靈活性，對(duì)電池組的端電壓范圍有一定要求。兩級(jí)式拓?fù)渲?，DC/DC環(huán)節(jié)可以適應(yīng)較寬的電池組端電壓，端口1處可不經(jīng)過變壓器直接與電或負(fù)載相連，這種拓?fù)涞闹饕獌?yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，所接電池組的配置可以更為靈活，缺點(diǎn)是多了一個(gè)DC/DC環(huán)節(jié)降低了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，并且DC/DC環(huán)節(jié)和DC/AC環(huán)節(jié)之間還存在阻抗匹配(ImpedanceMatching,IM)的問題。

圖1.3中(c)，雙向系統(tǒng)由兩個(gè)單向拓?fù)浣M合而成，K1閉合K2斷開時(shí)，系統(tǒng)通過AC/DC環(huán)節(jié)和DC/DC環(huán)節(jié)給電池組充電;K1斷開K2閉合時(shí)，系統(tǒng)通過DC/AC環(huán)節(jié)向端口1放電，該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是各環(huán)節(jié)硬件電路和控制相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是充放電切換較為麻煩，且電路利用率不高，因此很少使用。圖1.3圖1.3中，各AC/DC環(huán)節(jié)和DC/DC環(huán)節(jié)也有多種拓?fù)淇晒┻x擇，其中適用于單級(jí)式高壓大容量PCS的常用拓?fù)渲饕腥嗳珮蚝腿喟霕蛲負(fù)?，以及由其衍生出來的多電平拓?fù)浜图?jí)聯(lián)型拓?fù)?。適用于兩級(jí)式PCS的常用雙向DC/DC拓?fù)溆挚煞譃楦綦x型和非隔離型隔離型拓?fù)渲饕?正激式、反激式、推挽式和橋式等結(jié)構(gòu)以及它們的組合，隔離變壓器的引入可以實(shí)現(xiàn)電與電池系統(tǒng)或分布式電源之間的電氣隔離，不存在對(duì)地漏電流，安全性能好。運(yùn)行模式由雙向拓?fù)浣M成的PCS具有豐富的運(yùn)行模式。并運(yùn)行時(shí)，在電池充電階段，電為電池組和本地負(fù)荷提供電能，PCS在此期間工作于整流充電模式，根據(jù)不同的電池類型和荷電狀態(tài)(StateofCharge,SOC)，系統(tǒng)可以選用不同的充電方式。在電池放電階段，可根據(jù)上層系統(tǒng)的要求工作于恒功率模式或者恒流模式。此外，只要參數(shù)設(shè)計(jì)合理，PCS還可以工作于APF和PFC模式，用于補(bǔ)償本地負(fù)載的諧波電流和向電提供無功支撐。孤島運(yùn)行時(shí)，PCS則根據(jù)系統(tǒng)要求工作于恒壓定頻模式。原理原理圖1為電動(dòng)汽車提供充電服務(wù)的充放儲(chǔ)一體化電站主要由四部分構(gòu)成:調(diào)度中心、多用途變流裝置、充放儲(chǔ)電池更換系統(tǒng)和梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖1所示。充放儲(chǔ)一體化電站綜合了電動(dòng)汽車充電站、電池更換站與電池儲(chǔ)能電站的功能，完成與電、電動(dòng)汽車間的信息交互，實(shí)現(xiàn)有序能量管理，既可以作為區(qū)域電中的用電負(fù)荷，也可以作為分布式電源向電供電。一體化電站可等效為四象限變流裝置控制的電流源或電壓源，其電壓源控制算法通過SVPWM控制，使一體化電站作為電壓和相角可調(diào)的受控電壓源來運(yùn)行，即電壓源運(yùn)行模式。如果將輸出電抗器作為內(nèi)部等值電抗，一體化電站就可以等值于同步發(fā)電機(jī)，等值電路如圖2所示。1電動(dòng)汽車一體化站的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行。電動(dòng)汽車一體化站的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為多功能、多目標(biāo)，多功能體現(xiàn)在一體化站可為電動(dòng)汽車用戶同時(shí)提供快速充電、常規(guī)充電以及更換電池等服務(wù)，而多目標(biāo)體現(xiàn)在一體化站作為電的一個(gè)擁有儲(chǔ)能能力的智能節(jié)點(diǎn)，可并運(yùn)行為電提供增值服務(wù)并參與電調(diào)度運(yùn)行。

基于以上設(shè)計(jì)思想，充放儲(chǔ)一體化電站的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由調(diào)度中心、多用途變流裝置、電池充換系統(tǒng)(充電站)、梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(梯次站))4個(gè)子系統(tǒng)組成。其中，調(diào)度中心負(fù)責(zé)整個(gè)電站的調(diào)度控制，多用途變流裝置實(shí)現(xiàn)交流電和站內(nèi)直流系統(tǒng)的交一直轉(zhuǎn)換，電池充換系統(tǒng)為電動(dòng)汽車提供多種充電服務(wù)，梯次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為備用電源并運(yùn)行，配合一體化站的優(yōu)化調(diào)度。運(yùn)行模式運(yùn)行模式一體化站在正常情況下并運(yùn)行并為電動(dòng)汽車提供充換電服務(wù)。當(dāng)上級(jí)電出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)需要調(diào)整運(yùn)行方式，提供必要的支持;若上級(jí)電崩潰時(shí)則需離運(yùn)行，防比電站設(shè)備損壞。由此可見，一體化電站的具體運(yùn)行模式與接入點(diǎn)電的狀態(tài)緊密。研究中將電狀態(tài)劃分為正常、警戒、緊急/嚴(yán)重緊急、崩潰以及恢復(fù)5個(gè)狀態(tài)。在5種電狀態(tài)下，充放儲(chǔ)一體化電站相應(yīng)調(diào)整運(yùn)行模式，總體而言可采取3種運(yùn)行模，如圖2所示。圖21)正常運(yùn)行模式。一體化電站的常規(guī)狀態(tài)為正常運(yùn)行模式，該模式適用于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)甚至告警狀態(tài)。一體化電站處于正常運(yùn)行模式時(shí)，電各項(xiàng)指標(biāo)仍處于正常范圍內(nèi)，此時(shí)，一體化電站運(yùn)行以經(jīng)濟(jì)優(yōu)化作為主要目標(biāo)，利用峰谷時(shí)差電價(jià)對(duì)電動(dòng)汽車的充放電采取優(yōu)化控制，同時(shí)適當(dāng)提供包括無功補(bǔ)償、諧波治理等輔助服務(wù)。在正常運(yùn)行模式下，充放儲(chǔ)一體化電站可能的運(yùn)行子狀態(tài)包括:充電站充電/放電/不動(dòng)作和梯次站充電/放電/不動(dòng)作共9種組合方式。2)保護(hù)運(yùn)行模式。一體化站非常規(guī)狀態(tài)為保護(hù)運(yùn)行模式，該模式適用于電力系統(tǒng)出現(xiàn)緊急甚至嚴(yán)重緊急狀態(tài)，即系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)處于穩(wěn)定邊緣。規(guī)程的制定規(guī)程的制定對(duì)電廠/電站等而言，運(yùn)行規(guī)程是重要的技術(shù)規(guī)章制度，關(guān)系電廠/電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行規(guī)程的編制是為了使電廠/電站等設(shè)備安全運(yùn)行，可靠提供發(fā)電變電服務(wù)。從運(yùn)行人員的角度上講，運(yùn)行規(guī)程應(yīng)該要求運(yùn)行人員了解運(yùn)行設(shè)備、熟悉設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)，為設(shè)備運(yùn)行、操作以及事故處理提供必要的指導(dǎo)以及工作準(zhǔn)則，也為各級(jí)調(diào)度中心調(diào)度指揮提供參考依據(jù)。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)度人員可有針對(duì)性地對(duì)電力系統(tǒng)中各電源、絡(luò)結(jié)構(gòu)、變電設(shè)備及用戶等進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)整，以符合當(dāng)前電的合理運(yùn)行。在一體化站運(yùn)行中，根據(jù)電狀態(tài)和一體化站當(dāng)前狀