一种用于电动汽车充电站的能源互联网的制作方法

本发明涉及电动汽车充电站供电技术领域，特别涉及一种用于电动汽车充电站的能源互联网。

背景技术：

目前典型的电动汽车充电站供电系统如图1所示。变压器102连接于电网101得到380V三相交流电为电动汽车充电站的充电负载以及通信、照明等设备供电。低压开关柜103连接多个交流充电桩106及多个直流充电柜107，为充电负载提供电能。交流充电桩106可为电动汽车提供220V交流充电电压，用于交流慢速充电。直流充电柜107进一步将电能分配到多个直流充电桩108，直流充电桩108将380V三相交流电转化为400V及750V直流电压，可为电动汽车提供直流快速充电电压。另外，380V三相交流线路还连接补偿设备105，用于无功补偿以及提高功率因数，以符合接入电网的要求。

现有的电动汽车充电站供电系统采用传统的电力变压器和以380V三相交流电为主的供电线路，其不足之处在于：

(1)由于电动汽车充电为非线性负载，在充电过程中将同时向电网注入谐波电流导致电网电能质量下降、电网损耗增加及输变电设备正常容量占用。采用传统的电力变压器接入电网时并不能对产生的谐波进行隔离和治理，因此，在充电设备中需要加入谐波治理模块，以及在供电线路需要增设无功补偿设备，来提高接入电网节点的功率因数。然而，根据现有供电系统结构，每一个充电桩都需要设置谐波治理模块，若要取得较好的谐波治理效果，相应的充电桩的成本将会显著增加。另外，若要取得较好的无偿补偿效果以稳定节点电压，无功补偿设备的补偿容量也需要根据负载情况进行变动，相应的补偿设备控制复杂，设备造价也相应提高。

(2)电动汽车的充电特别是直流快速充电将给电网负荷带来大量的变动，不利于保持供电稳定。

(3)现有供电系统不便接入可再生能源。由于太阳能、风能这类可再生能源存在时变性、间歇性和难以预测等固有特点，现有供电系统使用的传统电力变压器不具备电压调整功能，难以控制接入电网的节点电压保持稳定。另外，由于采用以380V三相交流电为主的供电线路，太阳能、风能接入时需要逆变器将直流电逆变为交流电以并入供电线路，针对可再生能源的转化、储存和利用的控制将会非常复杂，难以进行实际应用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种用于电动汽车充电站的能源互联网，能源路由器接入电网作为该能源互联网中的节点，为电动汽车充电站提供以400V直流为主的供电线路，能源路由器可用于控制接入电网处节点的电能质量，有效抑制电动车充电过程中产生的谐波对电网电能质量的影响，有效提高功率因数，从而实现节能降耗，并简化了供电系统及充电设备的结构，在此基础上，储能单元的应用可对电网负荷进行有效调控，有利于供电稳定，能源路由器以及以400V直流为主的供电线路的设置也便于太阳能、风能等可再生能源的接入。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种用于电动汽车充电站的能源互联网，包括：电网、能源路由器、直流配电柜、直流充电柜、直流充电桩、逆变器、交流充电柜和交流充电桩；

所述电网为能源互联网中的电力网络；

所述能源路由器接入所述电网作为所述能源互联网中的节点，所述能源路由器分别连接电网和所述直流配电柜，所述电网的交流电压通过所述能源路由器转化为400V直流电压，所述能源路由器还用于控制接入所述电网处节点的电能质量；

所述直流配电柜分别连接所述直流充电柜和所述逆变器，将400V直流电压分配至所述直流充电柜和所述逆变器；

所述直流充电柜分别连接多个所述直流充电桩，将400V直流电压供应至各个所述直流充电桩；

所述逆变器连接所述交流充电柜，将400V直流电压转换为380V交流三相电压；

所述交流充电柜分别连接多个所述交流充电桩，将380V交流三相电压供应至各个所述交流充电桩。

作为一种优选，所述直流充电桩提供400V和/或750V的电压输出端口。

作为一种优选，所述供电系统还包括：第一直流/直流变换器和储能单元；

所述第一直流/直流变换器分别连接所述直流配电柜和所述储能单元，所述第一直流/直流变换器能够实现电能的双向传递；

所述第一直流/直流变换器用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩接入负载时，控制所述储能单元通过所述第一直流/直流变换器向所述直流充电桩和/或所述交流充电桩接入的负载提供电能。

作为一种改进，所述第一直流/直流变换器还用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩未接入负载时，控制所述储能单元通过所述第一直流/直流变换器接收和储存来自所述电网的电能。

作为另一种改进，所述供电系统还包括：光伏控制器和光伏电池；

所述光伏控制器分别连接所述直流配电柜和所述光伏电池；

所述光伏控制器用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩接入负载时，控制所述光伏电池通过所述光伏控制器向所述直流充电桩和/或所述交流充电桩接入的负载提供电能；

所述光伏控制器还用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩未接入负载时，控制所述光伏电池通过所述光伏控制器向所述储能单元提供充电电能；

所述第一直流/直流变换器还用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩未接入负载时，控制所述储能单元通过所述第一直流/直流变换器接收和储存来自所述电网和/或光伏电池的电能。

作为一种优选，所述的供电系统还包括：多个第一直流/直流变换器、多个储能单元、多个第二直流/直流变换器、光伏控制器、光伏电池、整流器和风力发电机；

述第一直流/直流变换器、所述储能单元与所述第二直流/直流变换器的数目相同，其中，一个所述第一直流/直流变换器、一个所述储能单元和一个所述第二直流/直流变换器三者构成一组储能结构；

所述光伏电池连接所述光伏控制器的直流输入端，所述风力发电机连接所述整流器的交流输入端，所述光伏控制器的直流输出端和所述整流器的直流输出端连接在一起形成可再生能源直流总线；

每一组所述储能结构中的所述第一直流/直流变换器的第一直流端连接所述直流配电柜，第二直流端连接该组内的所述储能单元；

每一组所述储能结构中的所述第二直流/直流变换器的第一直流端也连接该组内的所述储能单元，第二直流端连接到可再生能源直流总线；

所述第一直流/直流变换器能够实现电能的双向传递，所述第二直流/直流变换器能够实现将电能从所述可再生能源直流总线传递至所述储能单元；

所述光伏电池产生的电能通过所述光伏控制器和所述第二直流/直流变换器转递至任意指定的所述储能单元进行储存；

所述风力发电机产生的电能通过所述整流器和所述第二直流/直流变换器转递至任意指定的所述储能单元进行储存；

所述第一直流/直流变换器用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩未接入负载时，控制任意指定的所述储能单元通过所述第一直流/直流变换器接收和储存来自所述电网的电能；

所述第一直流/直流变换器还用于当所述直流充电桩和/或所述交流充电桩接入负载时，控制任意指定的所述储能单元通过所述第一直流/直流变换器向所述直流充电桩和/或所述交流充电桩的负载提供电能。

作为一种优选，所述储能单元为可充电电池。

作为一种优选，所述能源路由器为三相四线交流输入和直流输出的交流/直流固态变压器，所述能源路由器包括A相子单元、B相子单元和C相子单元，各相子单元均能够完成带隔离的交流转直流电压变换；

所述A相子单元交流输入端口的第一端子连接所述电网A相，所述A相子单元交流输入端口的第二端子连接所述电网中性线；

所述B相子单元交流输入端口的第一端子连接所述电网B相，所述B相子单元交流输入端口的第二端子连接所述电网中性线；

所述C相子单元交流输入端口的第一端子连接所述电网C相，所述C相子单元交流输入端口的第二端子连接所述电网中性线；

所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元的直流输出端口并联。

作为一种优选，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元均包括整流模块、隔离型直流/直流变换模块、第一电容和第二电容；

所述整流模块的交流输入端连接各相子单元来自所述电网的输入端，所述整流模块的直流输出端连接所述隔离型直流/直流变换模块的输入端，所述整流模块的直流输出端还并联第一电容，所述隔离型直流/直流变换模块的输出端连接各相子单元的直流输出端，所述隔离型直流/直流变换模块的输出端还并联第二电容。

作为一种改进，所述A相子单元、所述B相子单元和所述C相子单元均包括多个隔离型交流/直流变换模块和滤波电感；

所述隔离型交流/直流变换模块包括第一H桥、第二H桥、第三H桥、第三电容、第四电容和高频变压器；

所述第一H桥、所述第二H桥、所述第三H桥均由4个IGBT模块构成，所述第一H桥第一桥臂和第二桥臂的中点构成所述隔离型交流/直流变换模块的输入端口，所述第一H桥的上下两端并联所述第三电容，所述第一H桥的上下两端与所述第二H桥的上下两端连接，所述第二H桥第一桥臂和第二桥臂的中点形成的端口与所述高频变压器的一次侧端口连接，所述高频变压器的二次侧端口与所述第三H桥第一桥臂和第二桥臂的中点形成的端口连接，所述第三H桥的上下两端并联所述第四电容，所述第三H桥的上下两端构成所述隔离型交流/直流变换模块的输出端口；

所述滤波电感与多个所述隔离型交流/直流变换模块输入端口依次串联形成各相子单元的交流输入端口，多个所述隔离型交流/直流变换模块的输出端口并联形成各相子单元的直流输出端口。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明提供了用于电动汽车充电站的能源互联网，通过能源路由器接入电网，一方面，能源路由器可用于控制接入电网处节点的电能质量，可以实现电网侧电流和功率的灵活调节，始终保证电网侧电流为正弦波形，具有对电网侧功率因数调节的功能，可避免充电时产生的谐波以及功率因数下降的电能质量问题传播到电网侧，从而保障电网供电稳定并降低供电损耗；另一方面，电网通过能源路由器向充电站内以400V直流为主的供电线路供电，能源路由器可以保障充电站侧供电电压稳定；此外，由能源路由器具有对电网侧功率因数调节以及谐波抑制的良好效果，在供电系统中可以不使用无功补偿设备，充电设备也可弱化对谐波抑制功能的要求，可有效简化供电系统及充电设备的结构，降低建设成本。

(2)用于电动汽车充电站的能源互联网以400V直流为主的供电线路便于储能单元的接入，由此可灵活调整充电站的负荷情况，在闲时利用储能单元储能，在充电负载大时利用储能单元与电网配合同时向负载供电，有效缓解电网负荷大量变动对供电稳定造成的影响。

(3)用于电动汽车充电站的能源互联网以400V直流为主的供电线路便于可再生能源的接入，配合储能单元的使用，可利用太阳能、风能对电动汽车进行充电，有效提高可再生能源的利用率。

附图说明

图1为现有技术中的电动汽车充电站供电系统。

图2为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网实施例一。

图3为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网实施例二。

图4为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网实施例三。

图5为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网实施例四。

图6为本发明提供的能源路由器的实施方案。

图7为本发明提供的能源路由器中A、B、C各相子单元的实施方案。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图2为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网的实施例一。用于电动汽车充电站的能源互联网包括：电网201、能源路由器202、直流配电柜203、直流充电柜204、直流充电桩(206，207)、逆变器205、交流充电柜208和交流充电桩(209，210)。电网201为能源互联网中的电力网络。能源路由器202接入电网201作为能源互联网中的节点，能源路由器202分别连接电网201和直流配电柜203，电网201的交流电压通过能源路由器202转化为400V直流电压，能源路由器202还可控制接入电网201处节点的电能质量。直流配电柜203分别连接直流充电柜204和逆变器205，将400V直流电压分配至直流充电柜204和逆变器205。直流充电柜204分别连接多个直流充电桩(206，207)，将400V直流电压供应至各个直流充电桩。

逆变器205连接交流充电柜208，将400V直流电压转换为380V交流三相电压。

交流充电柜208分别连接多个交流充电桩210，将380V交流三相电压供应至各个交流充电桩。

由于能源路由器202的使用，可以实现电网侧电流和功率的灵活调节，保证始终保证电网侧电流为正弦波形，具有对电网侧功率因数调节的功能，可避免充电时产生的谐波以及功率因数下降的电能质量问题传播到电网侧，从而保障电网供电稳定并降低供电损耗。能源路由器202还可以保障充电站侧400V直流供电电压稳定。

作为一种优选方案，直流充电桩(206，207)提供400V和/或750V的电压输出端口。

图3为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网的实施例二。在图2中实施例一的基础上，图3中实施例二的用于电动汽车充电站的能源互联网还包括直流/直流变换器305和储能单元309。直流/直流变换器305分别连接直流配电柜303和储能单元309，直流/直流变换器305能够实现电能的双向传递。

当直流充电桩(307，308)以及交流充电桩(311，312)接入负载时，通过直流/直流变换器305的控制，储能单元309能够通过直流/直流变换器305向直流充电桩(307，308)以及交流充电桩(311，312)接入的负载提供电能。

当直流充电桩(307，308)以及交流充电桩(311，312)未接入负载时，通过直流/直流变换器305的控制，储能单元309能够通过直流/直流变换器305接收和储存来自电网301的电能。

储能单元309的使用可以调节电动汽车充电站对于电网的负荷，在闲时利用储能单元储能，在充电负载大时利用储能单元与电网配合同时向负载供电，减缓大量负载接入以及直流快速充电时电网的负载变动，有利于保障电网的供电稳定。

图4为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网的实施例三。在图3中实施例二的基础上，图4中实施例三的用于电动汽车充电站的能源互联网还包括光伏控制器406和光伏电池411，光伏控制器406分别连接直流配电柜403和光伏电池411。

当直流充电桩(408，409)以及交流充电桩(413，414)未接入负载时，通过光伏控制器406的控制，光伏电池411能够通过光伏控制器406向储能单元410提供充电电能，以及，通过直流/直流变换器405的控制，储能单元410通过直流/直流变换器405接收和储存来自电网401以及光伏电池411的电能。

当直流充电桩(408，409)以及交流充电桩(413，414)接入负载时，通过光伏控制器406的控制，光伏电池411能够通过光伏控制器406向直流充电桩(408，409)以及交流充电桩(413，414)接入的负载提供电能，以及，通过直流/直流变换器405的控制，储能单元410能够通过直流/直流变换器405向直流充电桩(408，409)以及交流充电桩(413，414)接入的负载提供电能。

在实施例三中，配合储能单元410的使用，400V直流供电线路中能够接入光伏电能，通过光伏控制器406的控制，可利用光伏电池411对储能单元410进行充电，以及直接向充电负载提供电能。

图5为本发明提供的用于电动汽车充电站的能源互联网的实施例四。在图2中实施例一的基础上，图5中实施例四的用于电动汽车充电站的能源互联网还包括n个直流/直流变换器a(505，506)、n个储能单元(510，511)、n个直流/直流变换器b(513，514)、光伏控制器517、光伏电池519、整流器518和风力发电机520，其中n为大于1的正整数，一个直流/直流变换器a、一个储能单元和一个直流/直流变换器b形成一组储能结构。

光伏电池519连接光伏控制器517的直流输入端，风力发电机520连接整流器518的交流输入端，光伏控制器517的直流输出端和整流器518的直流输出端连接在一起形成可再生能源直流总线。

每一组储能结构中的直流/直流变换器a(例如505)的第一直流端连接直流配电柜503，第二直流端连接该组储能结构中的储能单元(例如510)；每一组储能结构中直流/直流变换器b(例如513)的第一直流端也连接该组储能结构中的储能单元(例如510)，第二直流端连接到可再生能源直流总线。

直流/直流变换器a(505，506)能够实现电能的双向传递，直流/直流变换器b(513，514)能够实现将电能从可再生能源直流总线传递至储能单元(510，511)。

光伏电池519产生的电能通过光伏控制器517和直流/直流变换器b(513，514)转递至任意指定的储能单元(510，511)进行储存。

风力发电机520产生的电能通过整流器518和直流/直流变换器b(513，514)转递至任意指定的储能单元(510，511)进行储存。

充电负载未接入时，任意指定的储能单元(510，511)通过直流/直流变换器a(505，506)接收和储存来自电网501的电能。

充电负载接入时，任意指定的储能单元(510，511)通过与其同组的直流/直流变换器a(505，506)向充电负载提供电能。

在实施例四中，配合多组储能结构的使用，通过光伏发电以及风力发电产生的电能可储存于任意指定的储能单元中，同时还利用储能单无来灵活调整充电站的负荷，有效提高对太阳能、风能可再生能源的利用率，且有利于保障电网供电稳定。

作为一种优选方案，图3至图5中的储能单元为可充电电池。

图6为本发明提供的能源路由器的一种实施方案。图6的方案中能源路由器为三相四线交流输入和直流输出的交流/直流固态变压器，包括A相子单元610、B相子单元620和C相子单元630，各相子单元均能够完成带隔离的交流转直流电压变换。

A相子单元610交流输入端口的第一端子连接电网A相，A相子单元610交流输入端口的第二端子连接电网中性线；B相子单元620交流输入端口的第一端子连接电网B相，B相子单元620交流输入端口的第二端子连接电网中性线；C相子单元630交流输入端口的第一端子连接电网C相，C相子单元630交流输入端口的第二端子连接电网中性线。A相子单元610、B相子单元620和C相子单元630的直流输出端口并联。

作为一种优选方案，A相子单元610、B相子单元620和C相子单元630均包括整流模块611612、隔离型直流/直流变换模块、第一电容C1和第二电容C2。整流模块611的交流输入端连接各相子单元来自电网的输入端，整流模块611的直流输出端连接隔离型直流/直流变换模块612的输入端，整流模块611的直流输出端还并联电容C1，隔离型直流/直流变换模块612的输出端连接各相子单元的直流输出端，隔离型直流/直流变换模块612的输出端还并联电容C2。

图6方案中的能源路由器连接三相电网与直流供电线路，能够为电动汽车充电站提供电力，并通过能源路由器的设定，可以实现电网侧电流和功率的灵活调节，保证始终保证电网侧电流为正弦波形，具有对电网侧功率因数调节的功能，可避免充电时产生的谐波以及功率因数下降的电能质量问题传播到电网侧，从而保障电网供电稳定并降低供电损耗。

在图6的基础上，图7为能源路由器中A、B、C各相子单元的实施方案。

A、B、C各相子单元均包括多个隔离型交流/直流变换模块710和滤波电感L1。

隔离型交流/直流变换模块710包括由IGBT模块Q1-Q4构成的第一H桥、由IGBT模块Q5-Q8构成的第二H桥、由IGBT模块Q9-Q12构成的第三H桥、电容C3、电容C4和高频变压器T1。

第一H桥中由IGBT模块Q1、Q3构成第一桥臂和由IGBT模块Q2、Q4构成的第二桥臂的中点构成隔离型交流/直流变换模块710的输入端口，第一H桥的上下两端并联电容C3，第一H桥的上下两端与第二H桥的上下两端连接，第二H桥中由IGBT模块Q5、Q7构成的第一桥臂和由IGBT模块Q6、Q8构成的第二桥臂的中点形成的端口与高频变压器T1的一次侧端口连接，高频变压器T2的二次侧端口与第三H桥中由IGBT模块Q9、Q11构成的第一桥臂和由IGBT模块Q10、Q12构成的第二桥臂的中点形成的端口连接，第三H桥的上下两端并联电容C4，第三H桥的上下两端构成隔离型交流/直流变换模块710的输出端口。

滤波电感L1与多个隔离型交流/直流变换模块710输入端口依次串联形成各相子单元的交流输入端口，多个隔离型交流/直流变换模块710的输出端口并联形成各相子单元的直流输出端口。

图7的方案对A、B、C各相子单元进行了改进，通过多个隔离型交流/直流变换模块710在输入侧串联分压，在输出侧并联，有效降低各个IGBT模块承受的电压，能够适应电网侧电压较高的应用场合。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。