面向电动汽车的直流微电网系统及其控制方法与流程

本发明涉及微电网技术领域，尤其涉及一种面向电动汽车的直流微电网系统及其控制方法。

背景技术：

随着我国电动汽车产业的推进，电动汽车充电桩的保有量持续上升，很多商场社区都具有数量不小的充电桩群组。充电桩目前以交流形式为主，并且直接接入公网，单向为用户充电，充电装置与区域集中器直接通信。

然而，电动汽车直接通过充电桩单向充电，多个充电桩分别单独接入公网，导致不同充电装置共同影响公网，对公网造成了严重的负担，尤其是当前厂家单方面加大充电功率对输电线路、配用电系统都造成了严重的影响，具有明显的安全隐患；并且，电动汽车充电多采用交直变换，大量的ac-dc充电器加剧了公网系统的谐波影响，危害系统稳定性；另外，电动汽车的使用具有明显的周期性，在晚间下班集体充电期间也会加剧电力系统的峰谷特性，使得公网的能源利用效率较低。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少能解决上述的技术缺陷之一，特别是现有技术中电动汽车直接通过充电桩单向充电，使得公网负担较大，稳定性较低，以及能源利用效率较低的技术缺陷。

本发明实施例提供了一种面向电动汽车的直流微电网系统，所述直流微电网系统包括：分布式能源、双向充电装置、储能电池、集中控制器、双向ac/dc变换器；

其中，所述分布式能源、所述双向充电装置、所述储能电池和所述双向ac/dc变换器均通过直流母线与所述集中控制器进行信息交互；

一方面，所述集中控制器通过所述双向充电装置采集电动汽车的信息流和能量流，并根据所述电动汽车的信息流和能量流控制所述分布式能源和/或所述储能电池对所述电动汽车进行充放电；

另一方面，所述集中控制器通过云端与公网系统进行交互，以及通过所述双向ac/dc变换器采集所述公网的信息流和能量流，根据所述公网系统的调度指令以及所述公网的信息流和能量流控制所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种对所述公网进行削峰填谷。

可选地，所述双向充电装置包括内部控制器和双向dc/dc变换器；

所述双向dc/dc变换器连接于所述电动汽车与所述直流母线之间，所述内部控制器用于采集所述双向dc/dc变换器中的电信号，并对所述电信号进行处理后与所述集中控制器进行信息流的交互；

以及，根据所述集中控制器返回的信息流驱动所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动。

可选地，所述内部控制器用于采集所述双向dc/dc变换器中的电信号，并对所述电信号进行处理后与所述集中控制器进行信息流的交互的步骤，包括：

所述内部控制器采集所述双向dc/dc变换器中一二次侧的电压和电流，并根据所述电压和电流计算第一控制参数，将所述第一控制参数通过通讯协议传输至所述集中控制器，并接收所述集中控制器下发的第二控制参数。

可选地，所述第一控制参数包括所述电动汽车的状态信息、电池容量以及所述直流母线的母线状态，所述第二控制参数包括所述双向dc/dc变换器的传输功率。

可选地，根据所述集中控制器返回的信息流驱动所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动的步骤，包括：

根据所述集中控制器返回的所述双向dc/dc变换器的传输功率确定所述双向dc/dc变换器的pwm信号；

利用所述pwm信号驱动所述双向dc/dc变换器，使得所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动。

可选地，利用所述pwm信号驱动所述双向dc/dc变换器，使得所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动的步骤，包括：

利用所述pwm信号调整所述双向dc/dc变换器中一二次侧时序的相位，并根据调节后的时序控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动。

可选地，利用所述pwm信号调整所述双向dc/dc变换器中一二次侧时序的相位的步骤，包括：

若所述双向dc/dc变换器的传输功率为正向传输功率，则将所述双向dc/dc变换器中一次侧时序的相位调整为超前二次侧时序的相位，以使所述电动汽车进行充电。

可选地，利用所述pwm信号调整所述双向dc/dc变换器中一二次侧时序的相位的步骤，还包括：

若所述双向dc/dc变换器的传输功率为反向传输功率，则将所述双向dc/dc变换器中一次侧时序的相位调整为滞后二次侧时序的相位，以使所述电动汽车进行放电。

本发明还提供了一种面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法，应用于如上述实施例中任一项所述的面向电动汽车的直流微电网系统，包括：

根据所述双向充电装置上传的信息流确定所述电动汽车的充电功率与所述分布式能源产生的功率之间的关系；

若所述电动汽车的充电功率大于所述分布式能源产生的功率，则控制所述储能电池释放能量流；

若所述电动汽车的充电功率小于所述分布式能源产生的功率，则控制所述储能电池吸收所述分布式能源释放的能量流。

可选地，所述面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法，还包括：

根据所述公网的信息流和能量流确定所述公网的功率状态；

若所述功率状态处于峰值时，则通过所述公网系统的调度指令控制所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种吸收所述公网的功率；

若所述功率状态处于谷底时，则通过所述公网系统的调度指令控制所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种对所述公网发出功率。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供的一种面向电动汽车的直流微电网系统及其控制方法，所述直流微电网系统包括：分布式能源、双向充电装置、储能电池、集中控制器、双向ac/dc变换器；其中，所述分布式能源、所述双向充电装置、所述储能电池和所述双向ac/dc变换器均通过直流母线与所述集中控制器进行信息交互；一方面，所述集中控制器通过所述双向充电装置采集电动汽车的信息流和能量流，并根据所述电动汽车的信息流和能量流控制所述分布式能源和/或所述储能电池对所述电动汽车进行充放电；另一方面，所述集中控制器通过云端与公网系统进行交互，以及通过所述双向ac/dc变换器采集所述公网的信息流和能量流，根据所述公网系统的调度指令以及所述公网的信息流和能量流控制所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种对所述公网进行削峰填谷。

本发明采用直流微电网系统作为公网和电动汽车之间的中间系统，可以更好的保护公网系统的稳定性；并且直流微电网系统可以减少电能转换次数，提高电能利用效率；其中采用双向ac/dc变换器连接公网与直流微电网系统，通过能量的双向流动控制来调节两个系统的稳定性；同时设计双向充电装置，对直流微电网系统中接入的大量电动汽车蓄电池提供放电功能，结合用户利益和系统稳定进行充放电控制，有助于维持直流微电网系统的内部稳定，减弱公网负担，并通过中央调控可以为整个公网系统的削峰填谷提供新的选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种面向电动汽车的直流微电网系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的双向充电装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的dab拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的dab控制逻辑图；

图5为本发明实施例提供的dab启动时的时序图；

图6为本发明实施例提供的dab稳定后的时序图；

图7为本发明实施例提供的保持固定的功率传输比进行启动的dab变换状态仿真图；

图8为本发明实施例提供的一种面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法的流程示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本申请实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种面向电动汽车的直流微电网系统的结构示意图，本发明提供了一种面向电动汽车的直流微电网系统，所述直流微电网系统包括：分布式能源、双向充电装置、储能电池、集中控制器、双向ac/dc变换器。

其中，所述分布式能源、所述双向充电装置、所述储能电池和所述双向ac/dc变换器均通过直流母线与所述集中控制器进行信息交互。

一方面，所述集中控制器通过所述双向充电装置采集电动汽车的信息流和能量流，并根据所述电动汽车的信息流和能量流控制所述分布式能源和/或所述储能电池对所述电动汽车进行充放电。

另一方面，所述集中控制器通过云端与公网系统进行交互，以及通过所述双向ac/dc变换器采集所述公网的信息流和能量流，根据所述公网系统的调度指令以及所述公网的信息流和能量流控制所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种对所述公网进行削峰填谷。

由于现有技术中电动汽车直接通过充电桩单向充电，使得公网负担较大，稳定性较低，以及能源利用效率较低，因而在本申请中，使用直流微电网系统连接公网和电动汽车，以减轻公网负担，更好的保护公网系统的稳定性，使得公网的能源利用效率更高。

具体地，本实施例中，直流微电网系统包括分布式能源、双向充电装置、储能电池、集中控制器和双向ac/dc变换器，其中，分布式能源、双向充电装置、储能电池和双向ac/dc变换器均通过直流母线与集中控制器进行信息交互。

可以理解的是，直流微电网系统中的电源多为容量较小的分布式电源，即含有电力电子接口的小型机组，包括微型燃气轮机、燃料电池、光伏电池、小型风力发电机组以及超级电容、飞轮及蓄电池等储能装置，它们接在用户侧，具有成本低、电压低以及污染小等特点。

如图1所示，直流微电网系统中的双向充电装置指的是连接电动汽车与直流母线，且具有双向充放电功能的装置，如带有双向dc/dc变换器(dab)的充电桩；直流微电网系统中的储能电池指的是微电网自身的储能电池；直流微电网系统的双向ac/dc变换器指的是连接公网与直流母线，且具有双向充放电功能的装置。

另外，图1中，直流微电网系统中的集中控制器能够通过云端与公网系统之间进行信息交互，也可以通过直流母线获取公网、分布式电源、电动汽车以及储能电池中的信息流和能量流，并根据获取到的信息流和能量流对公网进行削峰填谷或对电动汽车进行充放电。

进一步地，当电动汽车需要充放电时，可通过双向充电装置将其信息流和能量流上传至直流母线，集中控制器通过直流母线获取该信息流和能量流，并通过分布式能源和/或储能电池对电动汽车进行充放电。

举例来说，当电动汽车需要充电时，可以优先通过分布式能源或储能电池对电动汽车进行充电，若电动汽车的充电数量过多时，集中控制器获取到该信息流，也可以通过两者共同来提供能量流。这样不仅能够实现直流微电网系统的内部调节，也可以避免接入公网，导致公网负担过大，有利于提高公网的稳定性。

同理，当电动汽车进行放电时，可以通过集中控制器将电动汽车中产生的能量流导入分布式电源和/或储能电池中进行存储，以免能源浪费。

更进一步地，当公网需要削峰填谷时，也可以通过直流微电网系统进行；例如，当公网中的用电功率较高时，公网系统可通过云端下发调度指令给集中控制器，集中控制器根据该调度指令，以及通过双向ac/dc变换器采集的公网的信息流，将公网中的能量流吸收至分布式能源、储能电池以及电动汽车中的至少一种进行存储，以减轻公网负担，提高公网的能源利用率。

同理，当公网中的用电功率较低时，公网系统可通过云端下发调度指令给集中控制器，集中控制器根据该调度指令，以及通过双向ac/dc变换器采集的公网的信息流，将分布式能源、储能电池以及电动汽车中的至少一种能量流传输至公网，以减轻公网负担，提高公网的能源利用率。

需要说明的是，在为公网提供调节选择时，接入双向充电装置的电动汽车也会作为分布式能源进行调节。当微电网的储能电池和发电不足以收发公网的能量调度命令，会将接入的电动汽车也作为调节选项；这是因为公网的削峰填谷的代价是巨大的，而大量的电动汽车蓄电池可以提供足够的深度，并且由于数量多，随机的不断更替，并不会严重影响用户体验。

上述实施例中，采用直流微电网系统作为公网和电动汽车之间的中间系统，可以更好的保护公网系统的稳定性；并且直流微电网系统可以减少电能转换次数，提高电能利用效率；其中采用双向ac/dc变换器连接公网与直流微电网系统，通过能量的双向流动控制来调节两个系统的稳定性；同时设计双向充电装置，对直流微电网系统中接入的大量电动汽车蓄电池提供放电功能，结合用户利益和系统稳定进行充放电控制，有助于维持直流微电网系统的内部稳定，减弱公网负担，并通过中央调控可以为整个公网系统的削峰填谷提供新的选择。

在一个实施例中，如图2所示，图2为本发明实施例提供的双向充电装置的结构示意图；所述双向充电装置包括内部控制器和双向dc/dc变换器。

所述双向dc/dc变换器连接于所述电动汽车与所述直流母线之间，所述内部控制器用于采集所述双向dc/dc变换器中的电信号，并对所述电信号进行处理后与所述集中控制器进行信息流的交互；以及，根据所述集中控制器返回的信息流驱动所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动。

本实施例中，如图2所示的双向充电装置，如双向充电桩，其核心部件为双向dc/dc变换器和内部控制器，其中，双向dc/dc变换器主要用于控制电动汽车与直流母线之间的能量流的传输，而内部控制器主要采集双向dc/dc变换器中的电信号，并对该电信号进行相应的处理后形成信息流，通过通信协议和直流母线上传至集中控制器，集中控制器根据内部控制器上传的信息流，确定当前电动汽车的状态信息、电池容量以及母线状态等，这样才能依据该信息流更好地为电动汽车分配能量流。

另外，每一个接入直流微电网系统的装置均具有通信功能，并具有唯一的地址，通过通信协议完成与集中控制器的信息交流，并由集中控制器调度分配不同的充放电装置。

在一个实施例中，所述内部控制器用于采集所述双向dc/dc变换器中的电信号，并对所述电信号进行处理后与所述集中控制器进行信息流的交互的步骤，包括：

所述内部控制器采集所述双向dc/dc变换器中一二次侧的电压和电流，并根据所述电压和电流计算第一控制参数，将所述第一控制参数通过通讯协议传输至所述集中控制器，并接收所述集中控制器下发的第二控制参数。

本实施例中，由于内部控制器与集中控制器之间交互的是用于控制的电参数，比如此时流动的功率，二次侧的需求功率，电动汽车的充放电电压电流(可用于判断此时电池状况)。因此，双向充电装置主要采集双向dc/dc变换器中一二次侧的电压电流，通过该电压电流可以计算出功率、充电能量等信息，并用于驱动双向dc/dc变换器。

需要说明的是，这里的第一控制参数包括但不限于电动汽车的状态信息、电池容量以及直流母线的母线状态，这里的第二控制参数包括但不限于双向dc/dc变换器的传输功率，内部控制器接收集中控制器下发的当前双向dc/dc变换器的传输功率，即可进行能量计算，并通过pwm信号驱动双向dc/dc变换器对电动汽车和直流母线进行能量流的双向流动。

在一个实施例中，根据所述集中控制器返回的信息流驱动所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动的步骤，包括：

根据所述集中控制器返回的所述双向dc/dc变换器的传输功率确定所述双向dc/dc变换器的pwm信号；

利用所述pwm信号驱动所述双向dc/dc变换器，使得所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动。

本实施例中，双向充电装置通过隔离双向dc/dc变换器(dab)进行不同电压等级的变换以及能量的双向流动控制，并用于电动汽车车的充放电。dab作为能量交换的核心部件，dab拓扑结构如图3所示，图3为本发明实施例提供的dab拓扑结构示意图；图3中，dab拓扑结构主要由高频隔离变压器t1、储能电感l1、两侧的全桥电路(s1-s4、q1-q4)、大电容(c1、c2)和续流二极管(d1-d4、m1-m4)组成。

采用的dab控制时序和主要电压电流波形如图4所示，图4为本发明实施例提供的dab控制逻辑图，通过图4可以清楚地看到dab中电压电流的变化。

在一个实施例中，利用所述pwm信号驱动所述双向dc/dc变换器，使得所述双向dc/dc变换器控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动的步骤，包括：

利用所述pwm信号调整所述双向dc/dc变换器中一二次侧时序的相位，并根据调节后的时序控制所述能量流在所述直流母线与所述电动汽车之间进行双向流动。

本实施例中，依据图4对dab的拓扑结构在工作过程中重要节点的推导公式如下：

由公式(1)计算可得：

由公式(2)、(3)、(4)计算dab的传输功率(平均功率)：

其中，最大传输功率为：

可以理解的是，上述公式中的t0、t1、t2、t'0均为不同时刻，ts为半个周期时长，d为相移，v1为一次侧电压，即图3中的e1，v2为二次侧电压，即图3中的e2，l为电感，il电感电流，n为一二次侧线圈匝数比，fs为工作频率，p为dab的传输功率，pmax为最大传输功率。

由公式(5)可以得出，当双向充电装置以及两侧系统参数确定时，平均功率仅与d(1-d)相关，因此dab传输的功率以及方向均可以通过时序进行主动控制，进而控制电动汽车的充放电以及对应功率。

在一个实施例中，利用所述pwm信号调整所述双向dc/dc变换器中一二次侧时序的相位的步骤，包括：

若所述双向dc/dc变换器的传输功率为正向传输功率，则将所述双向dc/dc变换器中一次侧时序的相位调整为超前二次侧时序的相位，以使所述电动汽车进行充电。

本实施例中，当电动汽车需要充电时，dab需要正向传输功率，因此dab一次侧时序的相位需要超前二次侧时序的相位，而充电功率的大小取决于相移的大小，由公式(5)可知，d取值0-0.5时，传输的功率依次增加，因此通过电动汽车需求的功率可以反向推导出相移d，进而对电动汽车充电时的能量流进行控制。

示意性地，如图5、6所示，图5为本发明实施例提供的dab启动时的时序图，图6为本发明实施例提供的dab稳定后的时序图。

图5所示为dab达到稳定之前(也就是启动过程)是如何工作的，时刻以相移d逐渐增加占空比，因为传输带功率与d相关，因此功率也在逐渐增减。由于传统的方式是直接增加占空比而不去控制d，或者直接将d控制在稳态之后，启动过程并不圆滑，功率突变，产生尖峰。

而使用本申请中调整相位的方式进行启动的dab，其启动时并未出现尖峰现象，电压电流可以平稳的变换和过渡，有效保证了系统的稳定性。

示意性地，如图7所示，图7为本发明实施例提供的保持固定的功率传输比进行启动的dab变换状态仿真图，图7中选取的是启动过程中的典型状态，由各个状态可以看出，dab变换状态从逐渐产生电压反转到电压反转逐渐消失，反映出的是电流和电压没有产生较尖锐的尖峰冲击。

在一个实施例中，利用所述pwm信号调整所述双向dc/dc变换器中一二次侧时序的相位的步骤，还包括：

若所述双向dc/dc变换器的传输功率为反向传输功率，则将所述双向dc/dc变换器中一次侧时序的相位调整为滞后二次侧时序的相位，以使所述电动汽车进行放电。

本实施例中，当电动汽车需要放电时，dab需要反向传输功率，因此dab一次侧时序的相位需要滞后二次侧时序的相位，而充电功率的大小取决于相移的大小，由公式(5)可知，d取值0-0.5时，传输的功率依次增加，因此通过电动汽车需求的功率可以反向推导出相移d，进而对电动汽车放电时的能量流进行控制。

在一个实施例中，如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法的流程示意图；本发明还提供了一种面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法，应用于如上述实施例中任一项所述的面向电动汽车的直流微电网系统，具体包括如下：

s110：根据所述双向充电装置上传的信息流确定所述电动汽车的充电功率与所述分布式能源产生的功率之间的关系；

s111：若所述电动汽车的充电功率大于所述分布式能源产生的功率，则控制所述储能电池释放能量流；

s112：若所述电动汽车的充电功率小于所述分布式能源产生的功率，则控制所述储能电池吸收所述分布式能源释放的能量流。

本实施例中，直流微电网系统中的蓄电池扮演着微电网内部和公网能量平衡的蓄水池，每个充双向电装置的使用状况都会借助通信功能上传到集中控制器，当微电网内部电动汽车充电数量较多时，分布式能源产生的功率小于电动汽车的充电功率，出现供小于求的情况，此时，集中控制器会控制自身的储能电池放电，以便平衡整个能量流，避免介入公网能量流。

当微电网内部电动汽车充电数量较少时，分布式能源产生的功率大于电动汽车的充电功率，出现供大于求的情况，同理会优先借助储能电池吸收能量，以便在直流微电网系统内进行调控。

在一个实施例中，如图9所示，图9为本发明实施例提供的另一种面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法的流程示意图；所述面向电动汽车的直流微电网系统的控制方法，还可以包括：

s120：根据所述公网的信息流和能量流确定所述公网的功率状态；

s121：若所述功率状态处于峰值时，则通过所述公网系统的调度指令控制所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种吸收所述公网的功率；

s122：若所述功率状态处于谷底时，则通过所述公网系统的调度指令控制所述所述分布式能源、所述储能电池以及所述电动汽车中的至少一种对所述公网发出功率。

本实施例中，直流微电网系统可以通过云端与公网系统进行交互，当公网系统由于用户随机用电导致峰谷特性时，可以调度直流微电网系统进行削峰填谷。

举例来说，直流微电网系统通过双向dc/ac变换器与公网相连，同时受控于集中控制器，由于微电网内部大量的分布式能源、储能电池以及接入的电动汽车中的蓄电池，因此有足够的能力为公网吸收或者发出一定的功率。当公网处于峰谷需要功率交换时，由公网系统发送调度指令给集中控制器，集中控制器控制双向dc/ac变换器进行一定的能量交换，以对公网进行削峰填谷。

需要说明的是，在为公网提供调节选择时，接入双向充电装置的电动汽车也会作为分布式能源进行调节。当微电网的储能电池和发电不足以收发公网的能量调度命令，会将接入的电动汽车也作为调节选项；这是因为公网的削峰填谷的代价是巨大的，而大量的电动汽车蓄电池可以提供足够的深度，并且由于数量多，随机的不断更替，并不会严重影响用户体验。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。