充放储一体化电站接入电网的能量流动控制策略

刘高维，杨敏霞，贾玉健，解 大

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

随着电动汽车和储能技术的快速发展，具备电动汽车换电站、充放电站、储能站、梯次电池利用功能的充放储一体化电站，也越来越受到关注。一体化站的运行与电网的状态密切相关。本文将对电网处于正常运行和不正常运行状态下充放储一体化电站的能量流动控制策略进行探讨。紧急事故状态指电网发生严重故障电力系统处于紧急状态，甚至发生系统解列，一体化站必须迅速离网运行，本文不做探讨，但是电网局部发生较轻的故障对电网正常运行影响不大时，本文将把他看作为电网处于不正常的运行状态进行探讨。

1 充放储一体化电站简介

电动汽车充放储一体化站要求具有充电、更换、储能的功能，满足电动汽车能源供给，提高电池利用效率，并且能够对储能电池以及功率、能量进行优化控制，与电网负荷进行协调与互动，为电网提供增值服务，一定程度上改善电网的电能质量，从而实现多方共赢。为了实现一体化站多项功能，应当具备调度中心、多用途变流装置、电池充换电系统以及梯次电池利用系统，如图1所示［1］。

图1 充放储一体化站总体结构

一体化站的各项功能互相联系，各系统共享上级信息，由调度中心统一协调运行，完成对电动汽车和电网的各种服务。电池充换系统分为充电区、换电池区和电池维护区：充电区备有快慢速充电装置可以满足整车充电，也能按照充电计划对大量的储备电池进行合理的充放电控制；换电池区为用户提供快速更换电池组服务；电池维护区对更换下来的电池组进行检测、重新配组等操作，并将不同梯次的电池分别送入充电区和梯次电池储能站。

梯次电池利用系统是退役电池的再利用场所。电动汽车用电池经过一段时间的使用后性能会下降，当蓄电池的动力性能衰减到一定程度后就不适合电动汽车继续使用，但这些退役之后的蓄电池仍然具有一定的充放电功能，通过串并联组合辅以有效的充放电管理可以组成梯次电池利用系统为提高电网运行服务，例如在电网负荷低谷期充满电，在电网高峰期向电网放电，为电网“削峰填谷”做出贡献。一旦电网出现故障，梯次电池利用系统还可以作为应急电源维持一体化站的运行，继续为汽车提供充电服务，减少停电造成的损失。梯次电池利用系统的设计可以进一步发挥电池剩余价值，降低电池使用成本，并为电网提供增值服务。

2 电网正常运行时的能量流动控制

2.1 电网峰荷状态

通过电池单体的SOC对整个电池系统的储能水平进行估算［2－3］，电池系统的储能水平可以划分为20%以下，20%～80%和80%以上三种，电池充电系统与梯次电池利用系统的储能水平，总共有9种组合情况，为了优化电池系统与电网运行，一体化站的运行状态见图2。

图2 电网正常状态峰荷下的运行状态

图2中：A表示电池充电系统（以下简称充电站），B表示梯次电池利用系统（以下简称梯次站），G为电网；Ⓐ表示充电站A不动作，与梯次站B和电网G都没有能量交换，Ⓑ表示梯次站B不动作，与充电站A和电网都没有能量交换。

在电网峰值任意时刻的一组充电站、梯次站内电池剩余电量［4］，构成了图2中的状态点，每个状态点有不同的最优控制策略。为了说明方便，本文假设充电站容量与梯次站容量相同。

1）充电站只从梯次站充电，梯次站只向充电站放电 当充电站内储能非常少（20%以下）、梯次站内为满容量（80%以上），充电站只需要由梯次站充电，同时梯次站也只向充电站放电。当充电站内储能和梯次站内储能都一般（20%～80%）时，由于充电站并非所有电池都需充电，梯次站仍能满足充电站的充电需求，故也不需要从电网取电。在这种策略下，梯次站直接向充电站供电，只需经过一次变流就可完成充电过程，能量利用效率较高。另外，由于电网处于峰荷状态，充电站的充电绕开了电网侧，减少了电网负载的负担。

2）充电站只从梯次站充电，梯次站向充电站放电的同时向电网放电进行一定的支持 当充电站内储能一般（20%～80%），而梯次站内为满容量（80%以上）时，充电站的充电需求较小，梯次站内储能充足，在满足充电站的充电需求后，将多余的电能输入到电网为峰荷状态的电网减压。

3）充电站同时从梯次站和电网充电，梯次站只向充电站放电以缓解电网的压力 当充电站内储能已经很少（低于20%），而梯次站内储能一般（20%～90%）时，单独依靠梯次站不能满足充电站的全部充电需求，必须由电网提供部分支持，充电站将同时从梯次站和电网充电。由于梯次站向充电站放电减少了充电站给电网带来负担，在一定程度上缓解电网峰荷压力。

4）充电站不动作，梯次站向电网放电 当充电站储能非常高（超过80%）时无需重充电，考虑到一体化站应保留足够余量提高突发事件的应对能力，一般不向电网输电。如果梯次站储能非常高可以像电网输出电能，即使梯次站储能一般（20%～80%），也可以对电网进行适度支持。

5）充电站从电网充电，梯次站不动作 当梯次站内储能非常少（20%以下），充电站为了满足电动汽车用户的充电需求，只能由电网为充电站充电。由于电网处于峰荷状态，不考虑向梯次站充电。电网对充电站充电会增加电网的负荷，如果充电站储能非常少（20%以下）影响会大些；如果充电站储能一般（20%～80%），电网只需对充电站适度充电，影响会小些。

6）充电站和梯次站不动作 当充电站储能接近满容量（高于80%）时无需充电，在电网处于峰荷下即使梯次站的能量处于较低水平（低于20%）也不对梯次站充电。

2.2 电网谷荷或者轻载

电网正常运行并处于谷荷状态，或者电网已进入不正常状态发生了轻载的情况，如果充电站和梯次站的SOC很小，那么都应当通过电网充电，只有当充电站和梯次站的SOC很大时才需要对一体化站的能量流动控制优化，因此把储能水平划分为80%以下和80%以上两种，得到4种组合情况见图3。

1）电网同时对充电站和梯次站充电 充电站和梯次站的储能未满（低于80%），而电网处于谷荷或者轻载状态时，电网对充电站和梯次站充电，用以提高负荷率或者减轻电网轻载的现象。

图3 电网谷荷甚至轻载下的运行状态

2）电网对梯次站充电，充电站不动作 当充电站储能几乎满容量（超过80%），而梯次站未满（低于80%），电网只对梯次站充电，用以提高负荷率或者减轻电网轻载的现象。

3）充电站与梯次站不动作 当充电站和梯次站储能为满容量（超过80%）不需要充电，电网负荷处在低谷状态，也不需要充电站或者梯次站的支持，因此充电站和梯次站都无需动作。

3 电网不正常状态下的能量流动控制

当电网进入重载不正常运行状态运行时，可以利用一体化站内的所有储能对电网进行支持。如果充电站和梯次站的SOC很大，那么都应当向电网放电，只有当充电站和梯次站的SOC很小时才需要对一体化站的能量流动控制优化。因此将电池系统的储能水平可以划分为20%以下和20%以上两种；充电站与梯次站的储能水平有四种组合情况，如图4所示。

图4 电网处于重载下的运行状态

1）充电站和梯次站均对电网放电 充电站和梯次站的储能均未耗尽（超过20%），由于电网处于不正常的状态，因此两个站均优先对电网进行电能支持，辅助电网改善重载程度，将电网运行调整到正常的状态中。此时的放电策略在实际操作中应根据两个站的储能水平以及变化过程，当储能接近满容量的时候可全力放电，而储能减少至接近不足状态时应该过渡到适度放电甚至过渡到其他状态，暂停对电网放电。

2）充电站对电网放电，梯次站不动作 如果充电站容量尚未耗尽（超过20%），可根据自身的储能水平对电网进行放电支持；如果梯次站容量已经非常不足（低于20%），那么即使电网处于重载状态下也无法对电网进行支持。实际运行中应避免这种情况出现。

3）充电站不动作，梯次站对电网放电 如果充电站容量已经非常不足（低于20%），那么即使电网处于重载状态下也无法对电网进行支持；如果梯次站容量尚未耗尽（超过20%），那么可根据自身的储能水平对电网进行放电支持。

4）充电站和梯次站不动作 充电站和梯次站储能非常不足（低于20%），即使电网有需求也无法对电网进行支持。实际运行中应尽量避免这种情况出现。

4 结语

采用充放储一体化站接入电网下的能量单元流动控制策略，根据SOC预测技术得到的充放储一体化换电站储能电量的估计，结合电网的各种运行状态，通过合理的控制策略，可以实现充放储一体化电站与电网之间的互补支持，有利于电网减少负荷峰谷差的压力，提高电网运行的可靠性和经济性。当然，在制定控制策略时，必须考虑到充电站的换电池区为大量的更换电池用户提供快速更换电池组服务，在充满的情况下，电池的SOC都在80%以上；而梯次站内的电池动力性能较差，故当电网处于正常运行状态时，充电站只充不放；仅当电网处于重载不正常运行状态时，才由充电站放电对电网进行支持。

此外，一体化站和电网的互动还可以改善电网供电的电能质量，特别是当区域内有多个一体化站时可完成更多电能质量改善任务。例如电网供电的电能质量不达标时，如果一体化站能量较为充足，可根据要求对电网输出补偿电流进行治理，包括负荷电压波动补偿、谐波治理以及无功补偿等，达到改善一体化站接入点的电能质量的目的；当电网发生故障时，而一体化站能量较为充足时，可根据需要对电网输送有功功率以及无功功率，辅助电网其他保护调节措施进行故障处理以及电网恢复；当电网发生严重事故时，一体化站应该迅速离网已保证自身安全，并在有需要时与附近的关键负荷等形成微电网，为关键负荷进行不断电支持。

［1］ 贾玉健，解大，顾羽洁，等.电动汽车电池等效电路模型的分类和特点［J］.电力与能源.2011，32（6）：516-521.

［2］ 齐国光，李建民，郏航，等.电动汽车电量计量技术的研究［J］.清华大学学报，1997（03）：47-50.

［3］ 张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用［J］.电网技术，2008，32（7）：1-9.

［4］ 贺兴，艾芊.电动汽车能量管理系统的研究与开发［J］.低压电器.2011.（14）：21-25.