一种充电桩系统及其控制方法与流程

本发明涉及充电桩领域，具体涉及一种充电桩系统及其控制方法。

背景技术：

随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的方向，发展电动汽车将是解决这两个难题的最佳途径。我国高度重视电动汽车的发展，国家相继出台了一系列标准来扶持和规范电动汽车的发展。在《节能与新能源汽车产业规划》草案中指出将以纯电动汽车作为主要战略取向。有关专家指出纯电动汽车的发展存在三大瓶颈问题：一是标准的缺失，二是配套政策的不完善，三是基础设施的规划和建设的有序推进。财政部、科技部、工业和信息化部、发改委联合下发通知，拟免除对电动汽车的购车摇号、限行等限制政策；说明国家对推广电动汽车给予了不遗余力的政策支持，但电动汽车市场发展依然困难重重，其中一个重要的原因是便捷的充电设施建设的滞后，因此必须要加强充电设施建设。

为此，国家开始建设充电桩并且在各个小区和公共场所开始安装，以给电动汽车提供相关基础设施，以便电动汽车用户充电；但是现有的传统充电桩并不具备自动调配输出功率限制的功能，因为在一个区域中一般都采用同一个电网，同一个电网又连接若干子电网，但是区域中因为发展的不同各个子电网的频率和电压也都会产生变化，还有子电网在并联时还容易产生对冲导致电网不稳定，这就会影响到分布在每个子电网下的充电桩对电动汽车充电的质量；例如在城市中的子电网质量较好，电动汽车的充电效果较佳，但是也容易产生过剩的问题；但是在农村中的子电网质量较差，电动汽车的充电效果较不佳，而且容易对电动汽车的寿命和电池产生不好的影响；无法自动调配电网下的充电桩群同时大功率输出时的大功率峰值，无法合理应用能源，导致能源的浪费；并且电源负载切换时仍旧缺乏足够的灵活性和安全性。

技术实现要素：

本发明的目的是为提供一种合理利用能源，自动调配输出功率和多种能源并入并且切换灵活的充电桩系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：包括主电网和通过电力路由器连接主电网的若干子电网，所述子电网之间也通过电力路由器相互连接，所述子电网内还通过ac母线连接有若干充电站；所述充电站包括与子电网内ac母线连接的若干充电桩、连接在ac母线上的储能变流器、新能源接入装置和其它能源接入装置；所述充电站之间实现通讯匹配；所述充电桩包括与ac母线连接的ac/dc模块和若干dc/dc模块，所述ac/dc模块通过直流母线连接若干dc/dc模块。

优选地，所述储能变流器连接有蓄电池，方便储蓄电能。

优选地，所述若干dc/dc模块分别连接有电池模块、pvarray模块、新能源车蓄电池组模块和备用电源模块，用于多种能源的并接并且能快速灵活的切换。

优选地，所述电力路由器还连接有变频器用于检测子电网的频率，方便快速的检测。

一种充电桩系统的控制方法：通过对子电网两端的电压频率的检测，来决定系统的工作模式，用于实现协调控制，自动调配输出功率；

1）常规控制模式：当一个子电网的频率过高时，采用储能变流器的v/f下垂控制模式，与其连接的电力路由器启动更改另一侧相邻子电网的参考电压信号v与电网频率f；这时，相邻子电网与电力路由器就组成新的电源参与子电网的频率调节；用于保证不同电压等级与频率等级的子电网之间的融通；并且在充电桩内部中，ac/dc模块通过直流母线连接若干dc/dc模块，采用直流母线上的能量管理，调节输出功率使得每个连接的dc/dc模块都能有足够的能量输出；

2）自愈模式：当发生灾害造成电网供电设施损毁时，就会造成电网不稳的现象或发生故障，产生电网波动；如果发生电网不稳现象，则电力路由器输出dc/ac侧的输出电流和相电压，采用频率跟随方式控制；若发生故障，则充电桩直接与子电网完成故障隔离，并且将储存的能源反向给需要的地方供电，用于反向支撑电网的负载；

3）超负荷模式：当充电站中所需充电的电动汽车超过这个充电站的所有充电桩的总负荷时，为防止引起周围用电的故障或者电网产生波动，这时充电桩则采用通讯和电压平衡，每个充电桩之间通过自带的通讯模块联通讯得出超出的负荷值，再控制每台充电桩的输出保证每个充电桩的平衡输出量；并且会检测在超负荷的情况下ac/dc到dc/dc之间的直流电压的下降，让充电桩都自动降低功率运行，保证充电桩输出的相互平衡，保证充电站的安全性；

4）并网模式：由使用者手动选择工作模式；

a）基于蓄电池模块的工作模式，在蓄电池的容量范围内，直流母线低于360v时，蓄电池模块工作在340v~360v电压功率下垂模式；直流母线在360v~380v时，仅在蓄电池模块的容量不足时允许小电流充电，并且在蓄电池模块的容易不足时不工作；直流母线大于380v时，蓄电池模块采用三段式充电；

b）基于pvarray模块的工作模式，直流母线低于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块工作在最大功率点处；直流母线大于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块则不工作；

c）基于新能源车蓄电池组模块的工作模式，直流母线大于或等于340v时，新能源车蓄电池组模块正常充电工作，直流母线小于340v时，新能源车蓄电池组模块不工作；

d）基于备用电源模块的工作模式，直流母线小于380v时，备用电源模块逆变最大功率输出，直流母线在380v~400v时，备用电源模块正常工作；

5）离网模式：由使用者手动选择工作模式；

a）基于蓄电池模块的离网工作模式，在蓄电池的容量范围内，直流母线低于360v时，蓄电池模块工作在340v~360v电压功率下垂模式；直流母线在360v~380v时，仅在蓄电池模块的容量不足时允许小电流充电，并且在蓄电池模块的容易不足时不工作；直流母线大于380v时，蓄电池模块采用三段式充电；

b）基于pvarray模块的离网工作模式，直流母线低于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块工作在最大功率点处；直流母线大于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块则不工作；

c）基于新能源车蓄电池组模块的离网工作模式，与新能源车蓄电池组模块连接的dc/dc模块工作在蓄电池模块的离网工作模式协助直流负载与交流负载；

d）基于备用电源模块的离网工作模式，备用电源模块逆变放电模式，允许外界交流负载。

本发明通过子电网两端地电压频率检测来决定系统的工作模式，通过常规控制模式、自愈模式、超负荷模式、离网模式以及并网模式这五种模式的运行来调节子电网之间的电力，增强电网的稳定性和自愈性，使得不同电压等级与频率等级的子电网之间能兼容融合，达到电力信息交互的目的；并且系统中采用多路电路并接的方式，通过母线电压上的能量管理，协调控制负载电源之间的工作特性，同时兼具电能计量模式，可用于负载电源的特性切换，具备兼容新能源、自动调配输出功率和多种能源并入的控制方式，而且在切换时保持灵活性和安全性。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1）子电网之间能转换调配电能，按照频率协议自动调配输出功率，达到合理应用能源的目的；2）调节同一个电网下子电网之间的电力，使得电网具备冲击小，动静态性能良好的优点；3）能增强电网的稳定性，使得不同电压等级与频率等级的子电网兼容融通，电力信息能够交互；4）在电网不稳或者发生灾害造成电网供电设施损毁时能保证民用侧电网能快速恢复电能自愈；5）可以实现反相供电。

附图说明

图1为本发明的系统框示图。

图2为本发明子电网的框示示意图。

图3为故障模式中充电桩的框示示意图。。

图4为充电桩的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步描述。

见图1至图4，一种充电桩系统，其特征在于：包括主电网和通过电力路由器连接主电网的若干子电网，所述子电网之间也通过电力路由器相互连接，所述子电网内还通过ac母线连接有若干充电站；所述充电站包括与子电网内ac母线连接的若干充电桩、连接在ac母线上的储能变流器、新能源接入装置和其它能源接入装置；所述充电站之间实现通讯匹配；所述充电桩包括与ac母线连接的ac/dc模块和若干dc/dc模块，所述ac/dc模块通过直流母线连接若干dc/dc模块；所述储能变流器连接有蓄电池；若干dc/dc模块分别连接有电池模块、pvarray模块、新能源车蓄电池组模块和备用电源模块；所述电力路由器还连接有变频器用于检测子电网的频率；所述充电站之间的电能按照通讯与频率两种方式进行分配；所述充电桩内集成有电力路由器功能和通讯功能来分配能力；所述dc/dc模块和ac/dc模块都是双向运行的。

一种充电桩系统的控制方法：通过对子电网两端的电压频率的检测，来决定系统的工作模式，用于实现协调控制，自动调配输出功率；

1）常规控制模式：当一个子电网的频率过高时，采用储能变流器的v/f下垂控制模式，与其连接的电力路由器启动更改另一侧相邻子电网的参考电压信号v与电网频率f；这时，相邻子电网与电力路由器就组成新的电源参与子电网的频率调节；用于保证不同电压等级与频率等级的子电网之间的融通；并且在充电桩内部中，ac/dc模块通过直流母线连接若干dc/dc模块，采用直流母线上的能量管理，调节输出功率使得每个连接的dc/dc模块都能有足够的能量输出；

2）自愈模式：当发生灾害造成电网供电设施损毁时，就会造成电网不稳的现象或发生故障，产生电网波动；如果发生电网不稳现象，则电力路由器输出dc/ac侧的输出电流和相电压，采用频率跟随方式控制；若发生故障，则充电桩直接与子电网完成故障隔离，并且将储存的能源反向给需要的地方供电，用于反向支撑电网的负载；

3）超负荷模式：当充电站中所需充电的电动汽车超过这个充电站的所有充电桩的总负荷时，为防止引起周围用电的故障或者电网产生波动，这时充电桩则采用通讯和电压平衡，每个充电桩之间通过自带的通讯模块联通讯得出超出的负荷值，再控制每台充电桩的输出保证每个充电桩的平衡输出量；并且会检测在超负荷的情况下ac/dc到dc/dc之间的直流电压的下降，让充电桩都自动降低功率运行，保证充电桩输出的相互平衡，保证充电站的安全性；

4）并网模式：由使用者手动选择工作模式；

a）基于蓄电池模块的工作模式，在蓄电池的容量范围内，直流母线低于360v时，蓄电池模块工作在340v~360v电压功率下垂模式；直流母线在360v~380v时，仅在蓄电池模块的容量不足时允许小电流充电，并且在蓄电池模块的容易不足时不工作；直流母线大于380v时，蓄电池模块采用三段式充电；

b）基于pvarray模块的工作模式，直流母线低于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块工作在最大功率点处；直流母线大于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块则不工作；

c）基于新能源车蓄电池组模块的工作模式，直流母线大于或等于340v时，新能源车蓄电池组模块正常充电工作，直流母线小于340v时，新能源车蓄电池组模块不工作；

d）基于备用电源模块的工作模式，直流母线小于380v时，备用电源模块逆变最大功率输出，直流母线在380v~400v时，备用电源模块在电压功率下垂模式正常工作；

5）离网模式：由使用者手动选择工作模式；

a）基于蓄电池模块的离网工作模式，在蓄电池的容量范围内，直流母线低于360v时，蓄电池模块工作在340v~360v电压功率下垂模式；直流母线在360v~380v时，仅在蓄电池模块的容量不足时允许小电流充电，并且在蓄电池模块的容易不足时不工作；直流母线大于380v时，蓄电池模块采用三段式充电；

b）基于pvarray模块的离网工作模式，直流母线低于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块工作在最大功率点处；直流母线大于380v时，pvarray模块连接的dc/dc模块则不工作；

c）基于新能源车蓄电池组模块的离网工作模式，与新能源车蓄电池组模块连接的dc/dc模块工作在蓄电池模块的离网工作模式协助直流负载与交流负载；

d）基于备用电源模块的离网工作模式，备用电源模块逆变放电模式，允许外界交流负载。

本实施方式中，子电网之间通过电力路由器相互连接，电力路由器依据子电网的频率进行能量管理，通过检测子电网两端的电压频率来决定系统的工作模式参与子电网之间的频率调节；并且自动调节子电网下充电桩群同时大功率输出时的大功率峰值、电源负载切换时仍有足够的灵活性、安全性；并能用于负载电源的特性切换，具备兼容新能源、自动调配输出功率和多种能源并入的复杂控制方式优势以及模组组串方便的优点。

本实施方式中，充电桩通过多路电源并接，通过直流母线上的能量管理，协调控制负载电源之间的工作特性，同时兼具电能计量模式；并且新能源接入装置的新能源电能充裕度与直流母线电压关联，若电压偏高，则当前电能充足，那么通过调节输出功率使得每一路dc/dc模块都有足够的能量输出。

本实施方式中，在系统常规控制模式中，若当前子电网的频率上升至当前子电网的最低安全工作频率，则连接在相邻子电网和当前子电网之间的电力路由器则会启动变频器，更改变频器输出侧的参考电压信号与频率信号，此时，相邻子电网和电力路由器组成新的电源参与到当前子电网的频率调节；同样的，当前子电网也可以和电力路由器组成又一个新电源参与相邻子电网的频率调节；保证不同电压等级与频率等级的子电网之间的融通。

本实施方式中，在系统自愈模式中，分为两种状况，其一为发生灾害造成电网供电设施损毁后，需要快速恢复电能自愈；如图3所示，发生损毁故障后，充电桩直接与子电网完成故障隔离，保护民用侧用电的安全，若充电战接入了新能源接入装置下给电动汽车充电，那个整个充电站的电源输入自动切换到新能源支撑，比如光伏、蓄电池、风能；如有由于能源有限那么这个时候充电桩都会按照超负荷模式进行平衡；并且充电站在有充电能源的第一支撑下，所有的能源都可以反向给家庭电网供电、或者给公共场所供电；这个时候电动汽车、新能源等接入的能源都可以反向支撑电网负载；其二为发生电网不稳现象，电力路由器连接的变频器检测子电网发生波动时，则电力路由器输出dc/ac侧的输出电流和相电压，采用频率跟随方式控制一段时间后，切换至场馆v//f下垂方式。

本实施方式中，在系统超负荷模式下，在电动汽车过多总负荷超过充电站所有充电桩的负荷时，为防止引起周围用电的故障或者波动，充电桩就会自动检测功率；充电桩会依照两套数据进行平衡；1）通讯平衡，充电桩通过相互之间的通讯可以得出本充电站中负荷超过一定值，那么每台充电桩开始自愈开始平衡输出比如每台桩输出30kw那么这个时候充电站的负荷就会小一半，保证了安全性和灵活性；2）通过直流电压来判断，如果在超负荷的情况下ac/dc模块到dc/dc模块之间的直流电压会下降那么所有的充电桩自动进行降容即降低功率的运行，然后相互之间进行平衡，起到保护充电站的安全性的作用；同时采用两种工作确保系统在超负荷模式下仍能正常工作。

本实施方式中，充电桩为链接子电网和电动汽车的中间桥梁，并且能自动管理电动汽车侧的一系列切换动作；还能将电动汽车的能量与储能系统连接起来使电动汽车作为最后级的能源储能设备，并使电动汽车与直流母线和交流母线连接，而且通过多路电源并接，通过母线电压上的能量管理；协调控制负载电源间的工作特性、同时兼具电能计量模式。

本实施方式中，充电桩加绒了多种新能源，其内部自链接子电网和蓄电池，外部接口还可以依据需求外扩太阳能充电器，并且兼具手动调整与自动管理混合能源的功能；如图4所示，其中第1、2、3部分都为二象限dc/dc变化器，其中的开关s1都为断路器开关，电阻r都为预缓冲电阻用于降低启动冲击，电感l1都为普通电感，两个晶体管q1和q2都为igbt，电容c则都为母线支撑电容；第四部分则为大功率逆变桥，其中的开关s2为交流断路器，电感l2为滤波电感，四个晶体管q3、q4、q5、q6为逆变桥的4个igbt管；充电桩内部采用二象限dc/dc变换器允许直流侧能量的双向流动，自带大功率逆变桥与外部电网联通，第一部分的dc/dc模块与蓄电池为本充电桩自带装置，其余的dc/dc模块兼具光伏升压变换器的mppt充能功能与充电功能；大功率逆变桥主协助其它能源为负荷供电，在电网脱离的离网情况下，亦可以作为交流电源装置带交流负荷。

本实施方式中，系统还允许用户以频率为基准，自定义通讯协议；电网内部储能装置输出的有功功率与蓄电池完成线性关联，其关系满足soc=k*p+b；有功功率通过常规v/f下垂法完成交流母线并接，其公式满足f=fn–(p-pn)/a，且a=(pmax–pn)/(fn-fmin)；其中，pmax为分布式电源在频率下降时允许输出的最大功率；pn为分布式电源运行在额定频率下的输出功率；fn为电网额定频率；fmin为分布式电源输出最大功率时允许的最小频率。p为实际有功功率，当子电网频率在50.2~51.5hz时，子电网的容量为soc=k*(a*(f-fn)+pn)+b；变频器可依据式soc=k*(a*(f-fn)+pn)+b中的k、b、fn、pn、a等常数计算子电网容量，子电网内部信息就可依据此方案完成容量信息交互，并有变频器中的通讯端口上传至互联网，电力信息以频率为基准，客户自定义通讯协议。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。