电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统及充电方法与流程

本发明涉及电动汽车充电站三相电压自动平衡充电技术。

背景技术：

近年来，能源短缺与环境污染是世界范围内的共性问题，由于传统汽车消耗了大量优质紧缺的石油天然气资源，因此推广绿色、节能、环保的电动汽车有助于实现交通能源的多元化。但是电动汽车充电设备由电力电子器件组成，大规模接入电网后会对配电网产生较大的影响，例如电压偏差、增加线路损耗、产生谐波、线路三相不平衡等。

目前，电动汽车充电方式主要有三相直流快速充电、单相交流常规充电和更换电池组三种。单相交流充电方式会造成电网的三相电压不平衡，三相不平衡将会对电网造成许多影响，如影响供电可靠性、增加变压器额外损耗、造成配电变压器出力减小、增加线路损耗、减少电动机的输出功率等。相关文献介绍了采用标准粒子群算法对电动汽车接入电网的三相不平衡进行优化的方法，通过实时调节各相电价，负荷高的提高电价，负荷低的降低电价，引导充电用户参与三相不平衡的调节，从而降低电网三相不平衡度。但是充电用户的随机性和不确定性让其实施起来相对复杂，不能从本质上解决单向充电带来的三相不平衡问题。因此针对单相交流充电方式，发明了一种充电站三相电压自动平衡充电系统，使得电动汽车接入时能够自动调相，实现电网三相电压平衡。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统及充电方法。

本发明是电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统及充电方法，电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统，主电路采用三相四线制网络，换相装置由三组双向晶闸管并联组成；该系统中的控制电路由微处理器、a相电压检测电路、b相电压检测电路、c相电压检测电路、a相电流检测电路、b相电流检测电路、c相电流检测电路、有效值转化电路、a相驱动电路、b相驱动电路和c相驱动电路组成。

本发明的电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统的充电方法，其步骤为：首先电压检测电路、电流检测电路检测电网三相电压、电流信号，经有效值转化电路转化，然后通过微处理器模拟量输入端an0～an5输入微处理器进行运算处理，将得到的运算结果经微处理器输出端输入驱动电路，最后驱动电路驱动对应相的晶闸管导通或关断，从而完成电动汽车充电时的自动换相操作。

本发明的有益之处是：电动汽车在充电时接入的随机性和无序性会造成电网三相不平衡，而本发明设计的电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统及充电系统，利用双向晶闸管作为换相开关，微处理器作为控制核心，通过对电网三相电压、电流检测，并且计算电网三相电压不平衡度。在三相不平衡度不满足要求的情况下，对每相晶闸管的开关状态用模拟退火算法进行优化，从而解决电动汽车接入之后对电网造成的三相不平衡问题，不需要人为的为了减小电网三相不平衡度去选择接入三相电网中的相序，减小了人力资源浪费。

附图说明

图1是电动汽车单相充电主电路图，图2是控制系统结构图，图3是实现自动换相主程序流程图，图4是模拟退火算法子程序流程图。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明是电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统及充电方法，电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统，主电路采用三相四线制网络，换相装置由三组双向晶闸管并联组成；该系统中的控制电路由微处理器、a相电压检测电路、b相电压检测电路、c相电压检测电路、a相电流检测电路、b相电流检测电路、c相电流检测电路、有效值转化电路、a相驱动电路、b相驱动电路和c相驱动电路组成。

如图1所示，以上所述的电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统，主电路1采用三相四线制网络，双向晶闸管2、双向晶闸管3和双向晶闸管4分别接入电网a、b、c三相，并联之后从电网引出，作为充电接口5的一端，三相四线系统中的中性线直接引出，作为充电接口5的另一端；通过控制各相晶闸管的开关状态，选择电动汽车接入的相，为单相交流充电的电动汽车充电。

如图1、图2所示，以上所述的电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统，控制电路6中，a相电压检测电路8、b相电压检测电路10、c相电压检测电路12、a相电流检测电路9、b相电流检测电路11和c相电流检测电路13采用交流互感器负责检测电网各相电压、电流值；有效值转化电路14将检测到的电压、电流信号转化为有效值；微处理器7通过an0～an5输入端接收所得信号进行运算并输出控制信号；a相驱动电路15、b相驱动电路16、c相驱动电路17接收微处理器7的控制信号驱动对应相的双向晶闸管导通或关断。

如图1～图4所示，本发明的电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统的充电方法，其步骤为：首先电压检测电路、电流检测电路检测电网三相电压、电流信号，经有效值转化电路转化，然后通过微处理器模拟量输入端an0～an5输入微处理器进行运算处理，将得到的运算结果经微处理器输出端输入驱动电路，最后驱动电路驱动对应相的晶闸管导通或关断，从而完成电动汽车充电时的自动换相操作。

如图1～图4所示，以上电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统的充电方法，其步骤为：

步骤1：在电动汽车接入电网后每隔一段时间用交流互感器检测各相的电压、电流信号；

步骤2：利用有效值转化电路将交流信号的电压、电流值转化为有效值；

步骤3：微处理器对输入的三相电压、电流信号有效值进行采样，判断三相不平衡度ρu，并与设置的阈值上限ρmax(5％)和阈值下限ρmin(2％)进行比较；ρu＜ρmin时，电网三相不平衡度满足要求，不做换相操作；当ρu＞ρmax时，电网处于三相不平衡状态，采用模拟退火优化算法对晶闸管的开关状态进行优化，从而得出使三相不平衡度最小的开关状态，进行换相操作；

三相不平衡度的判断方法采用ieeestd936-1987标准，选择三相相电压中最大与最小的均方根电压值之差与平均相电压(vav)之比作为三相不平衡度：

三相不平衡度最小的目标函数为:

约束条件为：

k∈{(100)^t,(010)^t,(001)^t}(公式三)

ia、ib、ic＜iallow(公式四)

其中，k为每相晶闸管的开关状态，“1”表示晶闸管“开通”，“0”表示晶闸管“关断”，iallow为三相允许电流值；

步骤4：根据控制系统做出的判断，输出相应的信号，通过驱动电路控制对应相的晶闸管导通或关断，从而完成电动汽车接入时的自动换相操作；本控制系统每隔一段时间进行一次三相电压不平衡度的判断，对这个时间段内接入充电站的电动汽车负载进行三相电压自动平衡操作，并加入滞环比较器防止每相的晶闸管频繁开关。

本发明提供了一种电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统，主要由以下部分组成：主电路如图1所示，采用三相四线制网络，双向晶闸管2、双向晶闸管3和双向晶闸管4分别接入电网a、b、c三相，并联之后从电网引出，作为充电接口5的一端，三相四线系统中的中性线直接引出，作为充电接口5的另一端，通过控制各相晶闸管的开关状态，选择电动汽车接入的相，为单相交流充电的电动汽车充电；

控制电路结构如图2所示，主要由微处理器7、a相电压检测电路8、b相电压检测电路10、c相电压检测电路12、a相电流检测电路9、b相电流检测电路11、c相电流检测电路13、有效值转化电路14、a相驱动电路15、b相驱动电路16、c相驱动电路17等组成。

充电方法包括以下步骤：

步骤1：在电动汽车接入电网后每隔一段时间用交流互感器检测电网各相的电压、电流信号；

步骤2：利用有效值转化电路将交流信号的电压、电流值转化为有效值；

步骤3：微处理器对输入的三相电压、电流信号有效值进行采样，判断三相不平衡度ρu，并与设置的阈值上限ρmax(5％)和阈值下限ρmin(2％)进行比较，当ρu＜ρmin时，电网三相不平衡度满足要求，不做换相操作；当ρu＞ρmax时，电网处于三相不平衡状态。采用模拟退火优化算法对晶闸管开关状态进行优化，从而得出使三相不平衡度最小的开关状态，进行换相操作；

三相不平衡度的判断方法采用ieeestd936-1987标准，选择三相相电压中最大与最小的均方根电压值之差与平均相电压(vav)之比作为三相不平衡度：

三相不平衡度最小的目标函数为：

约束条件为：

k∈{(100)^t,(010)^t,(001)^t}(公式三)

ia、ib、ic＜iallow(公式四)

其中，k为每相晶闸管的开关状态，“1”表示晶闸管开通，“0”表示晶闸管关断，iallow为三相允许电流值；

步骤4：根据控制系统做出的判断，输出相应的开关信号，通过驱动电路控制对应相的晶闸管导通和关断，从而完成电动汽车接入时的自动换相操作。为了防止不必要的软件资源浪费从而提高利用效率，本控制系统每隔一段时间进行一次三相电压不平衡度的判断，对这个时间段内接入的电动汽车负载进行三相电压自动平衡操作，并加入滞环比较器防止每相的晶闸管频繁开关。

主电路如图1所示，本自动平衡充电系统的换相装置由双向晶闸管2、双向晶闸管3和双向晶闸管4组成，并联之后从电网引出，作为充电接口5的一端，三相四线系统中的中性线直接引出，作为充电接口5的另一端，通过控制各相晶闸管的开关状态，选择电动汽车接入的相，为单相交流充电的电动汽车充电。

控制系统结构如图2所示，主要由微处理器7、a相电压检测电路8、b相电压检测电路10、c相电压检测电路12、a相电流检测电路9、b相电流检测电路11、c相电流检测电路13、有效值转化电路14、a相驱动电路15、b相驱动电路16、c相驱动电路17等组成。a相电压检测电路8、b相电压检测电路10、c相电压检测电路12、a相电流检测电路9、b相电流检测电路11和c相电流检测电路13采用交流互感器负责检测电网各相电压、电流值；有效值转化电路14将检测到的电压、电流信号转化为有效值；微处理器7通过an0～an5输入端接收所得信号进行运算；a相驱动电路15、b相驱动电路16、c相驱动电路17接收微处理器7的控制信号并且驱动对应相的双向晶闸管导通或关断。

主程序流程图如图3所示，电压、电流检测电路通过交流互感器检测三相电网的电压、电流值，经有效值转化电路转化为有效值，输入微处理器，微处理器对检测到的三相电压、电流的有效值进行采样，并判断三相不平衡度。在三相不平衡不满足要求时采用模拟退火优化算法对晶闸管的开关状态进行优化，得出使三相不平衡度为最小的开关状态，输出相应的信号，驱动电路根据得到的信号驱动对应相的晶闸管导通和关断，完成自动换相操作。

具体实施方法分为以下四个步骤：

步骤1：在电动汽车接入电网后每隔一段时间利用交流互感器检测各相电压、电流信号；

每个充电桩引入一个三维列向量x，用来表示晶闸管的开关状态，即电动汽车充电时接入的相，如下所示：

上式中：“1”表示晶闸管导通；“0”表示晶闸管关断；

则充电站内投入使用的充电桩晶闸管的开关状态可以由一个矩阵xn来表示，其中n表示充电桩的个数；

假设一段时间内有9辆电动汽车接入充电站，各相晶闸管的随机开关状态为:

由上式可知换相前各充电桩晶闸管的开关状态：第1辆电动车接入a相，b、c相关断；第2辆电动车接入c相，a、b相关断；第3辆电动车接入a相，b、c相关断；第4辆电动车接入b相，a、c相关断；第5辆电动车接入b相，a、c相关断；第6辆电动车接入c相，a、b相关断；第7辆电动车接入b相，a、c相关断；第8辆电动车接入c相，a、b相关断；第9辆电动车接入b相，a、c相关断。

步骤2：有效值转化电路将检测到的交流信号的电压、电流信号转化为有效值，用于三相电压不平衡度的判定和每相功率的计算；

通过建立仿真模型可得到三相电压有效值分别为：239.6v、199.8v、220.6v；三相电流有效值分别为：46.39a、57.91a、53.32a；

步骤3：微处理器对输入的三相电压、电流信号有效值进行采样，计算三相不平衡度ρu，并与设置的阈值上限ρmax和阈值下限ρmin进行比较，当ρu＜ρmin时，电网电压三相不平衡度满足要求，不做换相操作；当ρu＞ρmax时，电网处于三相不平衡状态，采用模拟退火优化算法对晶闸管开关状态进行优化，得出使三相不平衡度最小的开关状态，从而进行换相操作；

利用第二步得到的三相电压、电流有效值，计算各相的视在功率分别为11.04kva、12.50kva、11.33kva；

通过ieeestd936-1987标准三相不平衡度的判断方法，可得到换相前的三相电压不平衡度：

由上式结果可知换相前的三相电压不平衡度18.16％大于设定的阈值上限5％，因此采用模拟退火优化算法对初始的开关状态进行优化；模拟退火算法子程序如图4所示，具体包括如下：

1)令t＝t0，即开始退火的初始温度，根据初始的开关状态x⁰，计算相应的三相不平衡度ρ(x⁰)；2)令t等于冷却进度表中的下一个值ti；3)根据当前开关状态xⁱ进行扰动，产生一个新的开关状态x^j，计算相应的三相不平衡度ρ(x^j)，得到δρ＝ρ(x^j)-ρ(xⁱ)；4)若δρ＜0，则新开关状态被接受，作为新的当前解；若δρ＞0，则新开关状态x^j按概率exp(-δρ/ti)接受，ti为当前温度；5)在温度ti下，重复lk次的扰动和接受过程，即执行步骤3与4；6)判断t是否已达到tf，是，则终止算法；否，则转至步骤2继续执行。

经模拟退火算法优化后的开关状态为：

由上式可知优化后各充电桩晶闸管的开关状态：第1辆电动车接入a相，b、c相关断；第2辆电动车接入c相，a、b相关断；第3辆电动车接入a相，b、c相关断；第4辆电动车接入b相，a、c相关断；第5辆电动车接入b相，a、c相关断；第6辆电动车接入c相，a、b相关断；第7辆电动车接入a相，b、c相关断；第8辆电动车接入b相，a、c相关断；第9辆电动车接入c相，a、b相关断。

重新计算优化后的三相电压不平衡度为：

此时三相电压不平衡度为0.03％小于所设定的阈值下限2％，三相电压不平衡度满足要求；

步骤4：根据控制系统做出的判断，输出相应的开关信号，通过驱动电路控制对应相的晶闸管导通和关断，从而完成电动汽车接入时的自动换相操作。为了防止不必要的软件资源浪费从而提高利用效率，本控制系统每三分钟对充电站内的三相电压不平衡度进行一次判断，对这个时间段内接入的电动汽车负载进行三相电压自动平衡操作，并加入了滞环比较器防止每相的晶闸管过于频繁开关。

本发明设计了一种电动汽车充电站三相电压自动平衡充电系统及充电方法，通过电动汽车接入电网的自动调相，实现电网三相电压的自动平衡，不需要人为的为了减小三相不平衡度去选择电动汽车接入三相电网中的相序，减小了人力资源浪费。