具有电网辅助服务功能的充电站、充电桩系统及控制方法与流程

本发明涉及一种具有电网辅助服务功能的充电站、充电桩系统及控制方法，属于电网领域。

背景技术：

近几年，随着国家政策激励与技术的不断创新，我国新能源电动汽车数量剧增，已跃居世界第一，新能源动力汽车对充电桩的需求也越来越大，但目前充电桩利用率较低、盈利模式单一。而且由于化学电池技术特性，伴随电池充放电循环次数的增加，电池容量会逐渐衰减，当新能源汽车动力电池的容量衰减为额定容量80％以下时，根据国家相关标准新能源动力汽车将强制报废，电池厂家/汽车厂家需将退役电池进行回收处理，到2020年我国将有大批量退役动力电池。

每年退役的动力电池数量很大且类型繁杂，由于不同电池厂家制造工艺与标准的不一，导致电池厂家/汽车厂家回收退役动力电池时需进行细致分类，严重制约其回收效率，且退役电池回收运输距离较长，致使其回收成本大大增加；由于电池类型的限制及电池电压、容量及通讯协议的不同，严重制约退役动力电池的直接梯次利用，必须将退役动力电池进行拆解、检测、重组，工艺及处理技术复杂，电池回收处理成本很高。拆解重组后的退役电池一般剩余20％～80％的利用价值，目前普遍采用多组连接、集中布置方式，导致系统一二次设备繁多、重复配置，电池也易出现“木桶效应”，控制系统复，散热处理工艺难度高，杂、安全可靠性有待考证，同时占地面积较大，施工时间较长，退役动力电池梯次利用耗资很大。

此外，随着风电、光伏等出力不可控的新能源大规模并网后，我国电网调峰调频压力加剧，调峰调频缺额严重，电网稳定性、安全性及可靠性有待优化，电能质量有待治理，弃风、弃光率较高的现象有待解决。目前电网采用磷酸铁锂电池、液流电池等建设集中型储能电站来解决上述问题，但工程投资成本很高，不具备商业盈利模式，无法进行大规模推广。

有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种具有电网辅助服务功能的充电站、充电桩系统及控制方法，本案由此产生。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有电网辅助服务功能的充电站、充电桩系统及控制方法，可提高退役动力电池利用效率，同时可为电网提供调峰、调频、调压等辅助服务，扩展充电站功能。

为了实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种充电桩系统，包括充电桩，以及与充电桩相连的退役动力电池储能单元，其中，所述退役动力电池储能单元包括若干个并联的退役动力电池，所述退役电力电池通过智能切换开关控制，退役动力电池储能单元与充电桩实时通讯，并进行能量交换。

作为优选，所述充电桩包括n个并联的ac/dc模块，所述ac/dc模块将配电母线的三相交流电流进行滤波后经过整流电路与升压电路将交流电压变为稳定的直流电压，通过推免电路实现与对应的退役动力电池储能单元的功率交换，完成电网辅助服务，并且满足充电载体充电需求。

作为优选，所述充电桩设有分别与退役动力电池储能单元、充电载体相连的标准接口。

每台充电桩系统根据接收到的功率指令，协调均衡分配功率给n个并联的ac/dc模块，实现退役动力电池储能单元的均衡放电/充电。每一退役动力电池储能单元内的智能切换开关根据指令与其中一个退役动力电池相连，通过ac/dc模块实现与电网的功率互动，当该退役动力电池不满足要求时，智能切换开关自动切换连接路径，与其他某个退役动力电池连通。

具有电网辅助服务功能的充电站，包括n个并联的充电桩系统，所述充电桩系统包括充电桩，以及与充电桩相连的退役动力电池储能单元，其中，所述退役动力电池储能单元包括若干个并联的退役动力电池，所述退役电力电池通过智能切换开关控制，退役动力电池储能单元与充电桩实时通讯，并进行能量交换。

作为优选，所述充电桩包括n个并联的ac/dc模块，所述ac/dc模块将配电母线的三相交流电流进行滤波后经过整流电路与升压电路将交流电压变为稳定的直流电压，通过推免电路实现与对应的退役动力电池储能单元的功率交换，完成电网辅助服务，并且满足充电载体充电需求。

作为优选，所述充电桩设有分别与退役动力电池储能单元、充电载体相连的标准接口。

具有电网辅助服务功能的充电站控制方法，包括电网辅助服务控制步骤和充电控制步骤，其中，所述电网辅助服务控制步骤至少包括以下一种模式：

电网调峰模式：接收到电网调度下达的调峰指令后，充电站根据功率信息协调分配各充电桩系统的调峰功率；

电网调频模式：接收到电网调度下达的调频指令后，充电站根据功率信息协调分配各充电桩系统的调频功率；

电网调压模式：接收到电网调度下达的调压指令后，充电站根据功率信息协调分配各充电桩系统的调压无功功率。

作为优选，所述电网调峰模式具体为：

当p储能用≥p调峰需(1)

式中：p储能用为充电站内各台充电桩系统除去退役动力电池因soc不满足、设备故障、汽车充电功率原因所能向电网系统提供的有功功率总和；p调峰需为电网调峰所需的有功功率。

此时，充电站内n个并联的充电桩系统集中出力，满足电网调峰功率需求，充电站向电网系统注入的有功功率与无功功率为

式中：p充电桩1～p充电桩n为充电桩系统1～n所能与电网系统交换有功功率；p储能为充电桩系统1～n所能与电网系统交换有功功率总和；q充电站需为充电站无功功率需求。

当p储能用＜p调峰需(3)

此时，充电站内各台充电桩向电网系统提供有功功率的最大值，并与电网其他机组配合，满足电网调峰功率需求，充电站具体注入的有功功率与无功功率为

式中：pcdz1max～pcdz1max为各台充电桩所能提供的有功功率最大值；p储能max为各台充电桩所能提供的有功功率最大值总和；p电网机组为电网其他机组发出的有功功率以实现电网调峰功率的需求。

作为优选，所述电网调频模式具体为：

当p储能用≥p调频需(5)

此时，充电站内n个并联的充电桩系统集中出力，满足电网调频功率需求，充电站向电网系统注入的有功功率与无功功率为

式中：p调峰需为电网调峰所需的有功功率。

当p储能用＜p调频需(7)

此时，充电站内各台充电桩向系统提供有功功率的最大值，并与电网其他机组配合，满足电网调频功率需求，充电站具体注入的有功功率与无功功率为

作为优选，所述电网调压模式具体为：

当q储能用≥q调压需(9)

式中：q储能用为充电站内各台充电桩系统除去设备故障、充电站所需无功功率原因所能向系统提供的无功功率总和；q调峰需为电网调压所需的无功功率。

此时，充电站内n个并联充电桩系统的无功功率集中发出，满足电网调压与充电站无功需求，充电站内各个充电桩系统与电网有功功率交换为0，电动汽车充电功率由退役电池储能单元满足，充电站具体向电网系统注入的无功功率为

式中：q充电桩1～q充电桩n为充电桩系统1～n所能发出/吸收的无功功率；q储能为充电桩系统1～n所能发出/吸收无功功率总和；q调压需为电网调压所需无功功率。

当q储能用＜q调压需(11)

此时，充电站内各台充电桩系统发出无功功率最大值，满足充电站无功需求，通过与电网机组配合满足系统调压无功功率需求，充电站内各个充电桩系统与电网有功功率交换为0，电动汽车充电功率由退役电池储能单元满足，充电站具体向系统注入的无功功率为

式中：q充电桩1max～q充电桩nmax为充电桩系统1～n所能发出/吸收的无功功率最大值；q储能max为充电桩系统1～n所能发出/吸收无功功率最大值总和。

作为优选，所述充电控制步骤，具体为：

当电网提供电能(13)

此时电网满足充电载体充电功率需求，退役电池储能单元不出力，只满足充电站无功功率需求，具体数值为

式中：pcn1～pcnn为充电桩系统1～n内的退役动力电池储能单元的提供功率；pqc1～pqcn为充电桩系统1～n内的充电载体功率需求；pg为电网提供的有功功率。

当满足

电网不提供电能(15)

此时充电桩系统1～n内的退役电池储能单元出力满足电动车充电功率需求，电网不提供功率，具体数值为

式中：pqc1～pqcn与pcn1～pcnn一一对应，即如充电桩系统m内无充电载体充电时(pqcm＝0)，该充电桩系统内的退役动力电池储能单元也不出力(pcnm＝0)。

本发明所述的充电桩具有连接退役动力电池储能单元、充电载体的标准接口，可实现退役动力电池的“即插即用”，退役动力电池可就地分散布置于每一充电桩旁边，无需将退役动力电池进行类型分类，克服了现有退役动力回收时间长、运输成本高的缺点，攻破了退役电池类型不一的限制；同时也克服了退役动力电池集中梯次利用时电池串并联复杂、系统一二次设备重复配置、控制系统复杂度高、系统热处理难、占地面积大、施工时间长等缺点。通过本发明所述的充电桩系统，退役动力电池可整包利用，无需进行拆解、检测、重组等繁琐过程，完全克服退役动力电池类型、容量、电压、通讯协议等不一致的制约，开辟了退役动力电池全新应用场景。

本发明所述的具有电网辅助服务功能的充电站及控制方法，通过多充电桩系统并联控制(即多台pcs并联)，集中出力，有效合理地梯次利用退役动力电池剩余价值，使充电站具与电网互动功能(类似v2g功能)，为电网提供调峰、调频、调压等辅助服务，价值扩展充电站的功能，实现充电站和储能电站的一体化设置与功能整合(两站合一)，一套系统具备两种功能，克服了现有充电站内充电桩利用率低的缺点。

本发明所述的充电站，通过退役动力电池“分散布置、集中控制”的方式，使充电站具备调峰调频功能，增加了电网调峰调频功率额度，缓解了电网调峰调频压力，为风电、光伏等新能源消纳提供支撑，克服了依靠锂电池、液流电池等建设集中型储能电站工程投资过高等缺点。

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实施例的具有电网辅助服务功能的充电站电气连接原理图一；

图2为本实施例的具有电网辅助服务功能的充电站电气连接原理图二；

图3为本实施例的充电站的电气系统连接及信号传输通讯情况图；

图4为本实施例的充电站控制方法流程图。

具体实施方式

如图1-2所示，一种充电桩系统，可应用于具有电网辅助服务功能的充电站，包括充电桩1，以及与充电桩1相连的退役动力电池储能单元2。单台充电桩1内部设有n个并联的ac/dc模块11，n≥1，所述ac/dc模块11的个数根据充电桩1提供的功率而定，图1为充电桩1内部为一个ac/dc模块11时，ac/dc模块11与一个退役动力电池储能单元2的连接示意图；图2为台充电桩1内部有多个ac/dc模块11时，ac/dc模块11与多个退役动力电池储能单元2的连接示意图；一个ac/dc模块11一般与一个对应的电池储能单元2相连，但也可以根据实际条件，将一个ac/dc模块11同时连接2个以上的电池储能单元2。每个ac/dc模块11都是将配电母线的三相交流电流进行滤波后经过不控整流与升压电路将交流电压变为稳定的直流电压，通过推免电路(实现dc-dc升压)实现与对应的退役动力电池储能单元2的功率交换，完成电网辅助服务，并且满足充电载体3(如电动汽车等)充电需求。每个充电桩的ac/dc模块11都设有标准接口12，所述标准接口12既包含退役动力电池储能单元2连接口，也包含充电载体3(如电动汽车等)充电接口。

所述退役动力电池储能单元2包括若干个并联的退役动力电池21，所述退役电力电池21通过智能切换开关22控制，智能切换开关22根据指令连接其中一个退役动力电池21，再通过ac/dc模块11实现与电网的功率互动，当该退役动力电池21不满足要求时，智能切换开关22自动切换连接路径，与其他某个退役动力电池21连通。

如图2所示，本实施例所述的单台充电桩1根据接收到的功率指令，协调均衡分配功率给并联的n个ac/dc模块11，实现退役动力电池储能单元1～n的均衡放电/充电(此时，每一退役动力电池储能单元内n台并联的退役电池只有一台退役动力电池21进行充电/放电，具体哪台电池充放电取决于各台电池状态)。

具有电网辅助服务功能的充电站，包括n个并联的充电桩系统，所述充电桩系统如上所述，此处不再赘述。图2中的ia1、ib1、ic1为流进第一个ac/dc模块11的交流电流；ian、ibn、icn为流进第n个ac/dc模块11的交流电流；imdc1、imdcn分别为第一个ac/dc模块11与第n个ac/dc模块11流进直流母线的直流电流；uzl为直流母线电压；iddc为流进汽车动力电池的直流电流；itydc1～itydcn为流进/流出退役动力电池储能单元1～n的电流；itydc11～itydc1n为第一个退役动力电池储能单元2内1～n退役动力电池21的充电/放电电流；itydcn1～itydcnn为第n个退役动力电池储能单元2内1～n退役动力电池21的充电/放电电流；iddc1～iddcn为1～n个充电载体3的充电电流；d1～d9为二级管，vt1～vt3为igbt管，l1～l2为电感，c1～c2为稳压电容。

具有电网辅助服务功能的充电站工作原理，如图3所示，n个并联的充电桩系统与0.4kv的配电母线连接，经过0.4kv电压经变压器后升压为10/35kv，并与外部电网相连。退役动力电池储能单元2就地布置于充电桩1旁边，并与充电桩1进行实时通讯，实现与充电桩能量的交换；电动汽车电池3需要充电时，其与充电桩1进行通讯，开关闭合，充电桩为汽车提供电能，待充充电结束时，断开开关。充电站还可以根据电网调度下达的功率指令，协调控制n个并联的充电桩系统，实现n个并联的充电桩系统集中出力，满足电网辅助服务功率需求。

图3中的pcdz1、pcdzn与qcdz1、qcdzn为具有辅助服务功能的充电桩系统1～n与0.4kv配电母线交换的有功功率与无功功率；pcn1、pcnn为退役动力电池储能单元2与各自充电桩1的交换功率；pqc1、pqcn为充电桩1为电动汽车提供的充电功率；pg、qg分别为电网与充电站交换的有功功率与无功功率(即下文所述的电网调峰有功功率(p调峰需)、调频需要有功功率(p调峰需)与调压所需无功功率(p调压需))。

具有电网辅助服务功能的充电站控制方法，如图4所示，包括充电站电网辅助服务控制步骤和充电站为充电载体充电的控制步骤，其中，所述电网辅助服务控制步骤至少包括以下一种模式：

电网调峰模式：接收到电网调度下达的调峰指令后，充电桩系统根据功率信息协调分配调峰功率；

电网调频模式：接收到电网调度下达的调频指令后，充电桩系统根据功率信息协调分配调频功率；

电网调压模式：接收到电网调度下达的调压指令后，充电桩系统根据功率信息协调分配调压无功功率。

其中，所述电网调峰模式具体为：

当p储能用≥p调峰需(1)

式中：p储能用为充电站内各台充电桩系统除去退役动力电池因soc不满足、设备故障、汽车充电功率等原因所能向电网系统提供的有功功率总和；p调峰需为电网调峰所需的有功功率(即图2中的pg)。

此时，充电站内n个并联的充电桩系统集中出力，满足电网调峰功率需求。充电站向电网系统注入的有功功率与无功功率为

式中：p充电桩1～p充电桩n为充电桩系统1～n所能与电网系统交换有功功率；p储能为充电桩系统1～n所能与电网系统交换有功功率总和；q充电站需为充电站无功功率需求。

当p储能用＜p调峰需(3)

此时，充电站内各台充电桩向电网系统提供有功功率的最大值，并与电网其他机组配合，满足电网调峰功率需求。充电站具体注入的有功功率与无功功率为

式中：pcdz1max～pcdz1max为各台充电桩所能提供的有功功率最大值；p储能max为各台充电桩所能提供的有功功率最大值总和；p电网机组为电网其他机组发出的有功功率以实现电网调峰功率的需求。

所述电网调频模式具体为：

当p储能用≥p调频需(5)

此时，充电站内n个并联的充电桩系统集中出力，满足电网调频功率需求。充电站向电网系统注入的有功功率与无功功率为

式中：p调峰需为电网调峰所需的有功功率(即图2中的pg)。

当p储能用＜p调频需(7)

此时，充电站内各台充电桩向系统提供有功功率的最大值，并与电网其他机组配合，满足电网调频功率需求。充电站具体注入的有功功率与无功功率为

所述电网调压模式具体为：

当q储能用≥q调压需(9)

式中：q储能用为充电站内各台充电桩系统除去设备故障、充电站所需无功功率等原因所能向系统提供的无功功率总和；q调峰需为电网调压所需的无功功率(即图2中的qg)。

此时，充电站内n个并联充电桩系统的无功功率集中发出，满足电网调压与充电站无功需求，充电站内各个充电桩系统与电网有功功率交换为0，电动汽车充电功率由退役电池储能单元满足。充电站具体向电网系统注入的无功功率为

式中：q充电桩1～q充电桩n为充电桩系统1～n所能发出/吸收的无功功率；q储能为充电桩系统1～n所能发出/吸收无功功率总和；q调压需为电网调压所需无功功率(即图2中qg)。

当q储能用＜q调压需(11)

此时，充电站内各台充电桩系统发出无功功率最大值，满足充电站无功需求，通过与电网机组配合满足系统调压无功功率需求，充电站内各个充电桩系统与电网有功功率交换为0，电动汽车充电功率由退役电池储能单元满足。充电站具体向系统注入的无功功率为

式中：q充电桩1max～q充电桩nmax为充电桩系统1～n所能发出/吸收的无功功率最大值；q储能max为充电桩系统1～n所能发出/吸收无功功率最大值总和。

所述充电控制步骤(充电时，充电站不再为电网提供辅助性服务，只满足电动汽车充电需求)具体为：

当电网提供电能(13)

此时电网满足充电载体充电功率需求，退役电池储能单元不出力，只满足充电站无功功率需求。具体数值为

式中：pcn1～pcnn为充电桩系统1～n内的退役动力电池储能单元的提供功率；pqc1～pqcn为充电桩系统1～n内的电动汽车功率需求；pg为电网提供的有功功率。

当满足

电网不提供电能(15)

此时充电桩系统1～n内的退役电池储能单元出力满足充电载体充电功率需求，电网不提供功率。具体数值为

式中：pqc1～pqcn与pcn1～pcnn一一对应，即如充电桩系统m内无充电载体充电时(pqcm＝0)，该充电桩系统内的退役动力电池储能单元也不出力(pcnm＝0)。

本发明依托直流充电桩的现有充电技术及标准，可就地回收退役动力电池，实现电动汽车退役电池的“即退即用”和“即插即用”，且无需对退役动力电池进行细致分类，完全打破电池类型、电压、容量及通讯协议不一致的约束，大幅度降低退役电池梯次利用的应用成本，提高利用效率，同时大幅度提高现有充电站的利用效率。通过多个充电桩交流并联控制，使充电站具与电网互动功能(类似v2g功能)，为电网提供调峰、调频、调压等辅助服务，扩展了充电站的功能，实现了充电站和储能电站的一体化设置和功能整合(两站合一)，一套系统可实现两种功能，充电站结构简单、优化、效率更高，成本更低，节省大量公共土地资源，提高土地利用效率。打破了现有充电站单一为电动汽车充电的单一商业模式，实现了为电网服务储能电站的功能，同时实现退役电池梯次利用的成本最低化，有广阔的商业前景。具体如下:

1、对充电站益处

(1)本发明所述的基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站，通过退役动力电池就地分散布置于每一充电桩旁边，实现充电桩与储能电站的一体化，依托多充电桩交流并联控制，多个交流并联充电桩集中出力，满足电动汽车等充电载体充电需求的同时，还可以实现与电网功率互动，使充电站具备电网辅助服务功能，提高充电桩的利用率，增加充电站的盈利模式，实现了充电站与储能电站的一体化设置和功能整合(两站合一)，一套系统可实现两种功能，充电站结构简单、优化、效率更高，节省大量公共土地资源，项目投资成本低。亦可以通过电能的“时空平移”，实现“谷电峰用”，提高为电站为电动汽车充电能力，降低充电站运营成本，大大缩短工程投资回报期。

所述基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站根据不同项目需要，可以灵活配置退役动力电池容量，保证退役动力电池寿命，充放电控制方式灵活，有效可靠满足电网功率需求及电动汽车充电服务。

2、对退役动力电池处理及利用益处

(1)本发明所述的基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站可就地设立电池回收站，退役动力电池可“即退即用”，避免退役动力电池的长距离输送与细致分类，极大地降低回收时间与运输成本；该退役动力电池与充电站结合的方式无需对退役动力电池进行拆解、检测、重组等初步筛选，只需进行简单的筛选与检测(替换掉容量极低的单节电池)，并打破了退役动力电池类型、电池容量、电压、通讯不一致等制约，极大地降低了退役动力电池的处理成本。综上两点，本发明可以大幅度降低退役动力电池的梯次利用成本，充分发挥了其功能及工程应用价值。

(2)所述基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站的每一充电桩具有多个统一标准接口，退役电池可“即插即用”，通过退役动力电池的“分散布置、集中控制”的方式，不仅完全克服了退役动力电池采用重组连接、集中布置方案时初步筛选繁杂、电池系统易出现“木桶效应”、控制系统设计复杂、热处理技术困难、一二次电气设备重复布置、土建施工周期长且成本高、后期运维成本大等一系列不利因素，节省了大量的公共土地资源与人力、物力、财力，而且可以实现为电网的辅助性服务，避免充电站变压器扩容时引起的花费。

(3)所述基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站可以实现各种类型退役动力电池的梯次利用，为退役动力电池低成本应用开辟了新场景，为电池储能盈利模式打开了新思路，可极大的促进电池储能领域的快速发展，可以为我国充电桩及新能源汽车的建设与生产提供新动力。

3、对电网益处

(1)本发明所述的基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站具有调峰、调频等功能，通过为电网提供辅助性服务的方式有效缓解电网调峰调频压力，促进风电、光伏等新能源的消纳，为风电、光伏等大规模并网提供有力支撑，为风电、光伏等绿色友好型新能源的良性健康发展提供有力保障。

(2)所述基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站具有储能电站的功能，通过退役电池“分散布置、集中控制”的方式实现了其有效梯次利用，既用低成本缓解了电网调峰调频的功率缺额，同时也规避了退役电池集中布置时的诸多问题与应用锂电池、液流电池等建设集中型储能电站投资成本高、商业推广难等壁垒，节省了大量的投资成本。

(3)所述基于动力电池梯次利用且可提供电网辅助服务功能的直流充电站的退役动力电池的应用，可以与光伏、风电等发电侧进行结合，也可应用于电网的输电、配电及用电侧等，应用场景广泛，盈利模式丰富，商业价值较大。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。