充放电控制装置、方法和电动汽车换电站的制作方法
【专利摘要】本发明提供充放电控制装置、方法和电动汽车换电站。该充放电控制装置，对并入电网的、由光伏发电部和储能装置构成的光储系统进行控制，包括：存储部，保存上述光伏发电部的输出功率的多个控制周期的历史数据信息；光储系统初值目标计算部，根据保存在上述存储部中的上述历史数据信息，计算下一个控制周期的光储系统的输出功率的控制目标初始值曲线；光储系统目标修正部，根据上述储能装置的容量和充放电功率的信息，对上述控制目标初始值曲线进行修正，获得光储系统的输出功率的控制目标值曲线；和控制部，对上述储能装置的充放电进行控制，以使上述光储系统的输出符合上述光储系统控制目标值曲线。
【专利说明】充放电控制装置、方法和电动汽车换电站
【技术领域】
[0001] 本发明涉及充放电控制装置、方法和电动汽车换电站，尤其涉及适用于光储式电 动汽车充换电站中的充放电控制装置和方法，属于微电网领域。
【背景技术】
[0002] 随着电动汽车的高速发展，其所使用的电池的充电问题也迎面而来。电动汽车的 充电模式中，一般包括充电式和换电式两种模式。其中，充电式是指电动汽车驶入充电站后 通过外接电源进行充电的方式，这将耗费相当长的时间；而换电式是指电动汽车进入换电 站后，花费很短的时间换上已由换电站充好电的电池的方式。在这两种模式的配套基础设 施中，电动汽车换电站已引起国内外诸多机构的重视。
[0003] 目前，美国、日本、以色列、英国、法国等国家都在加速建设各自的电动汽车充电设 施，但主要以充电式为主，同时开展换电式的研究及试点工作。国家电网公司依据中国实 际，在2010年提出"换电为主，插充为辅，集中充电，统一配送"的原则，在国内加强推广采 用换电式的电动汽车充电设施。
[0004] 与此同时，清洁可再生能源作为解决能源问题和环境问题的重要手段，已经成为 当今世界的发展趋势。其中光伏发电因其安装灵活，安全可靠，可作为换电站重要的能量来 源。另外，储能系统作为可再生能源输出的重要调控手段，已经被广泛应用。光储式电动汽 车换电站的推广，不仅可以减少换电站对电网的能源需求，减轻电网负担，更加清洁环保， 同时可以在不具备供电条件的地区建设换电设施，解决偏远地区及高速公路的电动汽车换 电问题，大大提高电动汽车的使用范围。因此该模式的研究对于电动汽车推广，电动汽车换 电基础设施网络建设，以及建设节能环保型社会都有重要意义。
[0005] 专利文献1中公开了一种上述的光储式电动汽车充换电站，包括光伏发电系统、 蓄电池储能系统、电动汽车充电站和站用负荷，所述光伏发电系统包括太阳能电池组件、并 网逆变器和光伏供电管理系统，挂接在光伏系统供电母线上；所述蓄电池储能系统包括蓄 电池组、电池管理系统和双向逆变器，挂接在负荷供电母线上；电动汽车充电站和站用负荷 均挂接在负荷供电母线上；所述光伏系统供电母线和负荷供电母线分别与交流电网下设的 380V母线相连，所述光伏系统供电母线和所述负荷供电母线之间通过光伏接入断路器相 连。
[0006] 专利文献1的光储式电动汽车充换电站，通过光伏发电系统提供电力，电动汽车 用蓄电池作为储能系统，整个系统并入城市配电网，既可以实现电动汽车充电、换电的需 要，又可以为配电网提供紧急备用电源，同时由于蓄电池储能系统的缓冲作用，减小了光伏 发电的波动对电网的影响。在电网正常运行和电网出现故障时，均能保证电动汽车充电工 作和换电工作的顺利进行。
[0007] 专利文献1 :中国专利公开CN102355023A
【发明内容】
[0008] 不过，专利文献1中并没有考虑到这样的问题，S卩，光伏发电系统的输出受天气因 素影响，难以准确预测及控制，这严重限制了光伏发电的安装容量，同时对换电站的能量安 全管理提出了挑战。
[0009] 目前的可再生能源预测方法主要分为基于历史数据与基于影响因素模型两类。控 制方法主要将光伏发电系统（即本发明后述的光伏发电部）与储能系统（即本发明后述的储 能装置）共同的对外输出设置为恒定的输出目标值，却并没有充分考虑可再生能源的输出 随机性，存在调控效率低的问题。即，现有的控制方法虽然制定了恒定的输出目标值，但实 际的光伏发电系统与储能系统共同的对外输出可能会在目标值附近存在很大的浮动。
[0010] 并且，上述专利文献1所公开的光储式电动汽车充换电站中，光伏发电系统、储能 系统、充电站和站用负荷构成微网系统，工作在孤网和并网两种状态。由于光伏系统的输出 受天气因素影响，难以准确预测及控制，当工作在孤网状态时，在光伏发电系统输出高的情 况下，存在光伏能量浪费的问题，而当工作在并网状态时，在安装了大容量光伏发电装置的 情况下，存在向电网逆向潮流的可能，由于其难以预测，将影响电网可靠性，而在加装保护 装置的情况下，则会导致光伏发电利用率降低。
[0011] 鉴于以上问题，本发明的充放电控制装置，利用历史数据建立光伏发电输出的概 率分布，综合考虑储能装置的蓄电池的功率及容量限制，制定下一周期的光伏输出控制目 标并按照目标对储能装置进行充放电控制，进而还依据此目标及充电需求制定相应的电池 充电计划和电网取电计划。
[0012] 具体而言，本发明提供一种充放电控制装置，对并入电网的、由光伏发电部和储能 装置构成的光储系统进行控制，包括：存储部，保存所述光伏发电部的输出功率的多个控制 周期的历史数据信息；光储系统初值目标计算部，根据保存在所述存储部中的所述历史数 据信息，计算下一个控制周期的光储系统的输出功率的控制目标初始值曲线；光储系统目 标修正部，根据所述储能装置的容量和充放电功率的信息，对所述控制目标初始值曲线进 行修正，获得光储系统的输出功率的控制目标值曲线；和控制部，对所述储能装置的充放电 进行控制，使所述光伏发电部对所述储能装置充电或使所述储能装置放电，以使所述光储 系统的输出功率符合所述控制目标值曲线。
[0013] 另外，本发明提供一种电动汽车换电站，包括：由光伏发电部和储能装置构成的光 储系统；对电动汽车的动力电池进行充电的动力电池充电部；和上述充放电控制装置，所 述光储系统始终并入电网。
[0014] 此外，本发明还提供一种充放电控制方法，对并入电网的、由光伏发电部和储能装 置构成的光储系统进行控制，包括：光储系统初值目标计算步骤，根据所述光伏发电部的输 出功率的多个控制周期的历史数据信息，计算下一个控制周期的光储系统的输出功率的控 制目标初始值曲线；光储系统目标修正步骤，根据所述储能装置的容量和充放电功率的信 息，对所述控制目标初始值曲线进行修正，获得光储系统的输出功率的控制目标值曲线；和 控制步骤，对所述储能装置的充放电进行控制，使所述光伏发电部对所述储能装置充电或 使所述储能装置放电，以使所述光储系统的输出功率符合所述控制目标值曲线。
[0015] 根据本发明的充放电控制装置和方法，对光伏发电部和储能装置进行协调控制， 使光伏发电始终处于并网连接状态，提高了光伏发电的利用率。通过制定固定的控制目 标曲线，充分发挥蓄电池的调节能力，使光储系统按照固定的输出功率输出，减少了不确定 性，提升电网的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是应用了本发明的充放电控制装置的光储式电动汽车换电站的示意图。
[0017] 图2表示换电站能量管理控制计划的制定流程的示意图。
[0018] 图3是表示光储系统控制目标初始值Μ曲线的示意图。
[0019] 图4是表示考虑储能装置的充放电平衡而对上述Μ曲线进行调整以获得Μ'曲线 的示意图。
[0020] 图5是表示本发明的充放电控制装置的效果的示意图。
[0021] 图6是表示本发明的充放电控制装置的大致结构的示意框图。
[0022] 图7是表示本发明的充放电控制装置的控制流程的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面参照附图对本发明的实施方式进行说明。不过，以下实施方式仅是本发明的 一个示例，本发明要求的保护范围不受该实施方式所限定。
[0024] 图1是表示应用了本发明的充放电控制装置的光储式电动汽车换电站的整体结 构框图。其中，图1左侧表示的是电动汽车2驶入电动汽车换电站1中，将电量已使用完毕 或即将使用完毕的动力电池3更换为已由换电站充满的电池的状况。图1右侧表示了电动 汽车换电站1的大致结构。
[0025] 电动汽车换电站1中，光伏发电部4、储能装置5和汽车动力电池充电部9等部分 构成换电站的电力模块，充放电控制装置7构成控制模块。其中，光伏发电部4和储能装置 5构成光储系统8。光伏发电部4由大量太阳能发电组件构成，储能装置5由多个蓄电池构 成。储能装置5的作用在于，对光储系统8的输出（输出功率)进行调整，当光伏发电部4的 输出过高时，储能装置5充电而吸收光伏发电部4的输出，当光伏发电部4的输出过低时， 储能装置5放电而补充光伏发电部4的输出，由此将光储系统8的输出控制为期望值。
[0026] 电力模块中的各部分通过图1中实线表示的电气接线彼此连接以实现电力传输， 并且通过虚线表示的通信线路与充放电控制装置7连接，由充放电控制装置7进行整体的 控制。此处所使用的通信线路可以是现有技术中可应用的任何通信线路。电动汽车换电站 1内的上述各部分构成微网系统，并且被并入电网6中。
[0027] 电动汽车2在电动汽车换电站1中更换下的电量已使用完毕或即将使用完毕的动 力电池3,由电动汽车换电站1进行统一控制，按需求经动力电池充电部9进行充电。用于 充电的能量由光储系统8和电网6共同提供。充放电控制装置7用于控制光储系统8的发 电和动力电池充电部9的充电等，对动力电池充电部9的充电状态、储能装置5中的蓄电池 的状态、光伏发电部4的状态以及电网并网点的状态进行监控。
[0028] 如上所述，光伏发电部4的输出受天气因素影响，难以准确预测及控制。现有的控 制系统通常根据历史数据或影响因素，将光储系统8的输出设定为恒定的输出目标，但这 样的控制方式存在上述的种种问题。
[0029] 本发明的充放电控制装置对控制方法进行了改进，具体而言，其分为控制计划制 定与实时监控两个阶段，首先根据光伏发电部4输出的历史数据，制定符合光伏输出的预 测曲线的光储系统8发电计划(光储系统控制目标值)、动力电池3充电计划以及电网6取 电计划。然后依据所制定的计划，对储能装置5进行充放电控制，安排动力电池充电部9的 充电，实时监控电网并网点功率。
[0030] 下面利用附图2?4对本发明的充放电控制装置7的控制方法进行说明。
[0031] 首先，能量管理的控制计划制定流程如附图2所示。
[0032] 1.利用历史数据建立光伏发电部输出的概率分布，综合考虑储能装置中蓄电池的 功率及容量限制，制定下一周期的光储系统控制目标值曲线（即图中的①固定输出曲线)。
[0033] 假定以数据采集及控制计划制定的时间间隔为单位时间，实施例中计划定制周期 为m个单位时间。例如，当以小时为单位时间且一个周期为一天时，m为24。
[0034] 本步骤分为以下三个子步骤：
[0035] 1).整理光伏发电输出历史数据，得到以下矩阵。
[0036] 式（1):
[0037]
【权利要求】
1. 一种充放电控制装置，对并入电网的、由光伏发电部和储能装置构成的光储系统进 行控制，其特征在于，包括： 存储部，保存所述光伏发电部的输出功率的多个控制周期的历史数据信息； 光储系统初值目标计算部，根据保存在所述存储部中的所述历史数据信息，计算下一 个控制周期的光储系统的输出功率的控制目标初始值曲线； 光储系统目标修正部，根据所述储能装置的容量和充放电功率的信息，对所述控制目 标初始值曲线进行修正，获得光储系统的输出功率的控制目标值曲线；和 控制部，对所述储能装置的充放电进行控制，使所述光伏发电部对所述储能装置充电 或使所述储能装置放电，以使所述光储系统的输出功率符合所述控制目标值曲线。
2. 如权利要求1所述的充放电控制装置，其特征在于： 所述历史数据信息通过以下方式得到： 在一个控制周期内设定多个数据采集时间点，测定每个控制周期中每个数据采集时间 点的所述光伏发电部的输出功率。
3. 如权利要求2所述的充放电控制装置，其特征在于： 所述光储系统初值目标计算部，对所述历史数据信息进行整理，求取每个所述数据采 集时间点上曾经出现的所述光伏发电部的输出功率及其出现的概率，分别作为光伏发电输 出可能值和与该光伏发电输出可能值对应的概率， 并且，对于每个所述数据采集时间点，将该数据采集时间点上的所有的光伏发电输出 可能值以与其对应的概率为权重求和，得到该数据采集时间点的所述控制目标初始值， 各数据采集时间点的所述控制目标初始值按时间顺序构成所述控制目标初始值曲线。
4. 如权利要求3所述的充放电控制装置，其特征在于： 所述光储系统目标修正部，根据所述储能装置的容量和充放电功率的信息，确定用于 修正所述控制目标初始值曲线的平衡计算时间范围， 对于每一个所述平衡计算时间范围，计算位于所述控制目标初始值曲线上方的所有所 述光伏发电输出可能值的概率和，作为上概率和；并且计算位于所述控制目标初始值曲线 下方的所有所述光伏发电输出可能值的概率和，作为下概率和， 对每一个所述平衡计算时间范围内最后的数据采集时间点的所述控制目标初始值进 行修正，以使所述上概率和与所述下概率和之差的绝对值小于预先确定的规定值，将修正 后的所述控制目标初始值作为该数据采集时间点的所述控制目标值， 反复执行所述修正，获得每一个采集时间点的所述控制目标值，由各数据采集时间点 的所述控制目标值按时间顺序构成所述控制目标值曲线。
5. -种电动汽车换电站，其特征在于，包括： 由光伏发电部和储能装置构成的光储系统； 对电动汽车的动力电池进行充电的动力电池充电部；和 权利要求1?4中任一项所述的充放电控制装置， 所述光储系统始终并入电网。
6. 如权利要求5所述的电动汽车换电站，其特征在于： 所述充放电控制装置的控制部，还根据所述动力电池充电部中要充电的动力电池的数 量和容量大小，基于所述控制目标值曲线制定充电计划曲线，以控制所述动力电池充电部 安排充电计划。
7. 如权利要求6所述的电动汽车换电站，其特征在于： 所述控制部制定所述充电计划曲线时，还考虑所述电动汽车换电站的电网并网点的功 率限制和电网峰谷分时电价，制定电网取电计划。
8. -种充放电控制方法，对并入电网的、由光伏发电部和储能装置构成的光储系统进 行控制，其特征在于，包括： 光储系统初值目标计算步骤，根据所述光伏发电部的输出功率的多个控制周期的历史 数据信息，计算下一个控制周期的光储系统的输出功率的控制目标初始值曲线； 光储系统目标修正步骤，根据所述储能装置的容量和充放电功率的信息，对所述控制 目标初始值曲线进行修正，获得光储系统的输出功率的控制目标值曲线；和 控制步骤，对所述储能装置的充放电进行控制，使所述光伏发电部对所述储能装置充 电或使所述储能装置放电，以使所述光储系统的输出功率符合所述控制目标值曲线。
9. 如权利要求8所述的充放电控制方法，其特征在于： 所述历史数据信息通过以下方式得到： 在一个控制周期内设定多个数据采集时间点，测定每个控制周期中每个数据采集时间 点的所述光伏发电部的输出功率。
10. 如权利要求9所述的充放电控制方法，其特征在于： 所述光储系统初值目标计算步骤中，对所述历史数据信息进行整理，求取每个所述数 据采集时间点上曾经出现的所述光伏发电部的输出功率及其出现的概率，分别作为光伏发 电输出可能值和与该光伏发电输出可能值对应的概率， 并且，对于每个所述数据采集时间点，将该数据采集时间点上的所有的光伏发电输出 可能值以与其对应的概率为权重求和，得到该数据采集时间点的所述控制目标初始值， 各数据采集时间点的所述控制目标初始值按时间顺序构成所述控制目标初始值曲线。
11. 如权利要求10所述的充放电控制方法，其特征在于： 所述光储系统目标修正步骤中，根据所述储能装置的容量和充放电功率的信息，确定 用于修正所述控制目标初始值曲线的平衡计算时间范围， 对于每一个所述平衡计算时间范围，计算位于所述控制目标初始值曲线上方的所有所 述光伏发电输出可能值的概率和，作为上概率和；并且计算位于所述控制目标初始值曲线 下方的所有所述光伏发电输出可能值的概率和，作为下概率和， 对每一个所述平衡计算时间范围内最后的数据采集时间点的所述控制目标初始值进 行修正，以使所述上概率和与所述下概率和之差的绝对值小于预先确定的规定值，将修正 后的所述控制目标初始值作为该数据采集时间点的所述控制目标值， 反复执行所述修正，获得每一个采集时间点的所述控制目标值，由各数据采集时间点 的所述控制目标初始值按时间顺序构成所述控制目标值曲线。
【文档编号】H02J7/00GK104242364SQ201310237678
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】于跃, 张靖, 李超 申请人:株式会社日立制作所