电动汽车储能式直流快速充电站系统集成设计研究

2018-01-12李林林王翼董全智陈常曦陈伟明

电气自动化 2017年5期

李林林, 王翼, 董全智, 陈常曦, 陈伟明

(国家电网许继集团有限公司，河南许昌 461000)

0 引言

随着电动汽车的不断推陈出新，其对充电站建设的适应性提出新的要求，长距离行驶对充电设施服务体系提出新的需求；智能电网的迅速发展对用电主体提出新的功能要求[1-2]。针对以上问题，为了提升充电设施运行效率，降低建设成本；为了优化退役动力电池储能系统接入公共直流快充站的方式，减小直流快充站对电网影响，本文优化集成设计了一种电动汽车储能式直流快速充电站系统[3]。

国际上许多国家和地区都在开展电动汽车充电站的建设和直流快速充电机的研制。Tesla(特斯拉)已经在北美、欧洲和亚洲城市间的高速公路上建设超级充电站。2012年，ABB建成了欧洲当时最大的电动车充电基础设施建设项目——爱沙尼亚电动汽车充电网络，该网络由ABB提供和安装的165个联网式直流快速充电桩构成，2月20日正式投入使用。在基于公共直流母线的电动汽车充电站设计领域，国外尚无相关报道，但在基于直流母线的供电系统研究方面，国外起步较早[4-5]。相比于交流母线，直流母线供电以其强大的节能优势具有巨大的发展前景，一些国家已纷纷开展了直流母线供电网的研究。本文从快充站系统集成优化设计的方向研究一套绿色环保、经济高效的集装箱式充电站，并模块化设计了系统内各单元结构及电气控制方案，并对为电动汽车充电站的建设提供参考及实践经验。

1 快速充电站系统架构优化配置设计

1.1 快充站系统布局设计

本文研究的储能式直流快速充电站(本文简称快充站)系统分为箱内部分和箱外部分，系统总体布局如图1所示。直流充电桩安装在户外，其他设备均预装在箱体中，直流充电桩与直流充电机通过电缆连接。预装式箱体结构分为两部分，从左至右依次为设备室、电池室，各功能单元有效隔离，间隔内无裸露带电部分，为全封闭、全绝缘结构，提高充电站的安防护等级。箱体内部装有烟感报警装置、照明等辅助设施。

图1 快充站系统总体布局图

图1所示的A侧和B侧分别为集装箱的前门和后门，其上设计可拆卸通风网用于设备室和储能电池室的通风散热。图1所示的C侧和D侧对应箱变内部设备室部分设计单、双开门形式，并且在门上设计通风栅格并安装轴流风机，同时在门上设计安装温控器时刻监控室内温度，这样保证了设备的散热及检修的方便性。预装式箱体减少建站的成本，而且方便运输，如图2是预装式箱体系统整体实物图。

图2 预装式箱体系统实物图

1.2 系统网络架构

系统中的通讯网络架构采用3层结构：设备层、间隔层和站控层，系统通讯网络架构如图3所示。

图3 系统通讯网络架构图

设备层也可以称为过程层，主要包含AC/DC集中变流器、DC/DC储能变流器、电池组、直流充电机、充电桩等；设备层同间隔层有两种通讯方式，其中AC/DC集中变流器、DC/DC储能变流器、BMS与间隔层采用以太网通讯；直流充电机与间隔层采用RS485并联总线通讯方式；设备层主要向上传输AC/DC集中变流器、DC/DC储能变流器、BMS、直流充电机及充电桩的数据，同时接收间隔层监控下发的遥控、遥调及功率协调分配等数据[6]。间隔层主要包含系统就地监控设备及系统通讯设备(交换机)，主要功能为对系统内部所有子系统进行监测，并对子系统内设备进行启动、停机、定值下发等控制，同时负责整个系统的能量管理调度。上层主要是站控层，完成对整个系统检测，高级策略的实现、数据存储等作用。

2 快充站梯次电池储能系统子系统集成设计

2.1 综合监控配电单元

系统综合监控配电单元由交流进线电度表、各子系统辅助电源开关、系统监控电脑、交换机等设备组成，负责整个直流快充站系统监控、数据处理及能量管理，接收上级管理中心的调度指令、电度计量及子系统辅助电源分配。系统配电柜内包含整个直流快充站各子系统辅助电源、安防设备、散热设备的电源分配，该部分设计由系统0.4 kV交流进线取电，后经各开关分别对系统内部各个子单元进行供电，所有开关均安装于系统配电柜前面板上，其接线原理如图4所示。

图4 系统配电接线原理图

2.2 双向DC/DC储能变流器单元

图5 两级变换电路拓扑结构

储能变流器能够实现能量双向流动，其内部功率模块具备单模块或多模块故障后自动退出运行，不影响整机运行的功能。本研究设计采用的储能变流器为双向DC/DC储能变流器，采用非隔离型DC/DC电路[7]。DC/DC电路可满足不同储能电池介质的连接要求，适应不同储能电池的充放电优化控制策略，延长储能电池介质的使用寿命，提高系统的效率和效益；双向DC/DC电路可实现并网模式下的P/Q快速响应，离网模式下稳定控制，同时可实现并网/离网模式的快速稳定切换功能。在并网充电工作模式下， DC/DC变流器工作在Buck降压方式，对电池充电，将直流母线侧能量储存到电池中；在并网放电工作模式下，DC/DC变流器工作在BOOST升压方式，电池放电，将电池的能量传递给直流母线。双向DC/DC储能变流器的典型电路如图5所示，双向DC/DC储能变流器连接于直流公共母线和电池组之间，主要由直流支撑电容、升降压斩波电路，LC滤波和开关设备等组成。

2.3 充电设备单元

新型通用型直流快充设备采用有源功率因数校正技术(APFC)，提高充电机的功率因数、降低谐波电流，在整个充电过程中不对电网和周围的设备造成影响和干扰，满足绿色环保的要求。充电设备采用模块化的并联均流冗余技术，通过与电池BMS通讯获取电池状态信息，调用不同的充电曲线，实现对动力电池的智能均衡充电。

充电站系统内部共包含4台120 kW模块化理念设计的直流充电机，每台充电机对应两台直流充电桩，对外接口如图6所示。充电机采用12个10 kW DC/DC充电机模块并联，通过总断路器直接接入750 V直流母线，6个10 kW DC/DC整流器模块输出侧并联，通过分支断路器接入充电桩，共计2路分支，每个支路直流侧电压接入范围为200 V～700 V，每个模块输出电流为0～15 A。

图6 充电机柜对外接口示意图

2.4 梯次电池组单元

本文研究的快充站采用电动汽车换电站退役动力电池，电池类型为单体22 Ah的磷酸铁锂电池。采用12并216串组成264 Ah电池单元。电池组是由4个电池架组成,在电池组与变流器之间的接入与控制电路等直流电气单元安装在电池柜体上。电池管理系统采用二级网络架构，每个电池箱内设置一台电池管理单元(BMU),上层设置一台电池组管理单元(BCMU),整组电池设置一台人机单元(BAMS)，电池组网络架构如图7所示。

图7 储能电池组网络架构

3 仿真验证

3.1 仿真用例

为了测试梯次电池储能系统接入直流快充站的运行状态，本文以500 kW单向AC/DC集中整流器为例进行仿真研究，仿真电路如图8所示，具体参数见表1。

表1 仿真电路基本参数

图8 梯次电池储能系统接入直流快充站仿真模型

3.2 仿真结果分析

单向AC/DC集中整流器主要对不正常工况进行仿真分析，包括电网电压突变和过欠压、三相不平衡、电网电压含谐波等。注：图9和图10中Ig为电网侧电流；I/Ibat为直流侧电流；Vc为电网侧电压。

(1)电网电压突变和过欠压状况

图9 电压突变时电网电流和电池电流波形

图9所示为逆变工况时电网电压突变以及过欠压时候的电网电流和电池电流波形，在0.1 s前电网电压正常，0.1 s时电网电压突升为正常电压的115%，0.2 s时突降为正常电压的85%。可以看到在电网电压突升突降时电池电流均有一定的振荡，但震荡幅值较小，在20 ms以内能恢复稳定，系统仍然能够正常工作。电网过压和欠压时的电流谐波畸变率分别为5.75%、2.73%。由于电网过压时，直流侧电压不够，出现过调制现象，导致电流畸变较大，可以通过升高直流母线电压来改善电流波形。

(2)电网电压含大量谐波状况

图10 电压含谐波时电网电流和电池电流波形

图10所示为电网电压中存在6%的5次谐波，5%的7次谐波时的电网电流和电池电流波形。可以看到电网电流中5、7次电流谐波明显增加，并网电流THD=3.96%，此时仍能满足5%要求。电网电压含有较大的5、7次谐波时，在直流侧主要引起6次(300 Hz)的电池电流纹波，如图10(c)所示，在直流母线电容旁并联一个谐振频率为300 Hz的LC串联谐振回路，用来吸收电池电流中的300 Hz纹波，电池电流纹波在4 A以内，和电网正常时电池电流纹波大小相同。