一種具有儲能裝置的充電樁的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有儲能裝置的充電樁，通過該充電樁，在現有配電網不增容的情況下，利用儲能裝置實現電動汽車大功率快速充電，實現配電網和充電樁之間的緩沖，減少對配電網的短時干擾和沖擊，此外該系統還解決了目前電動汽車充電樁網側諧波含量比較大的問題，且能夠濾除負載電流中的基波無功電流、負序電流、零序電流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露誤差的影響，極大提升了充電的效率和安全性。
【專利說明】一種具有儲能裝置的充電樁 所屬技術領域
[0001 ]本發明涉一種具有儲能裝置的充電粧。
【背景技術】
[0002] 隨著全球能源危機的不斷加深，石油資源的日趨枯竭以及大氣污染、全球氣溫上 升的危害加劇，節能和減排是未來汽車技術發展的主攻方向。日本豐田公司率先開發出混 合動力汽車Prius，揭開了電動汽車的時代序幕。電動汽車作為新一代的交通工具，在節能 減排、減少人類對傳統化石能源的依賴方面具備傳統汽車不可比擬的優勢。2009年以來，中 國政府密集出臺了鼓勵電動汽車及相關行業發展的政策措施，企業對電動汽車的研發和產 業化投入顯著增強。
[0003] 當電動汽車充電電池能源消耗到一定程度時，就需要使用能源供給裝置對該電池 進行充電，以保證電動汽車重復使用，達到"以電代油"的目的，因此能源供給裝置對電動汽 車的推廣使用具有不可替代的作用。能源供給裝置主要有兩種形式，一種是直流充電粧，該 充電粧功率較大，1 〇〇kW左右，充電時間短，體積比較大，因此一般安裝在固定的地點；另一 種是交流充電粧，直接利用交流電網，輸出交流電能，通過電動汽車自帶的車載充電粧將交 流電能轉換為直流電能為充電電池進行充電。該種充電形式功率較小，一般為10kW左右，充 電時間長，體積小，因此可以充分利用城市的各個角落為電動汽車進行充電。
[0004] 由于現有電網框架容量的限制，建設一個電動汽車充電站，涉及到電網的增容、城 市規劃的調整等等一系列的重大問題，國家電網大改造不是小事，耗資巨大，從討論、立項 到成網，非一朝一夕能實現。目前，在現有電網不增容的情況下，現有的充電機難以實現給 電動汽車大功率快速充電的功能。
[0005] 由于現有的充電機在電網與電動汽車充電機之間缺少緩沖裝置，當充電機給電動 汽車大功率快速充電時，充電設備會對電網造成的短時的干擾和沖擊。
[0006] 由于充電粧采用的充電粧和所帶的負載是非線性設備，因此在運行時會給電網的 電能質量帶來不好的影響，主要體現在電網功率因數下降和給電網帶來諧波污染等方面。 其中諧波污染對電網造成的危害主要有以下幾個方面:諧波電流造成的電壓和發熱情況會 導致功率因數補償電容器的使用壽命縮短；由于機械振動會受到基波頻率磁場和諧波電流 的影響，當機械諧振頻率和電氣勵磁頻率相等時，會發生共振從而產生更大的機械應力，破 壞設備;諧波會導致系統對電壓過零和電壓為零的點判斷失誤;諧波電流會造成變壓器鐵 損和銅損的增加;對電子設備和繼電保護產生干擾;諧波電流會導致設備誤動作，可能會中 斷生產和運行。
【發明內容】
[0007] 為解決上述問題，本發明提供一種具有儲能裝置的充電粧，通過該充電粧，在現有 配電網不增容的情況下，利用儲能裝置實現電動汽車大功率快速充電，實現配電網和充電 粧之間的緩沖，減少對配電網的短時干擾和沖擊，此外該系統還解決了目前電動汽車充電 粧網側諧波含量比較大的問題，且能夠濾除負載電流中的基波無功電流、負序電流、零序電 流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露誤差的影響，極大提升了充電的 效率和安全性。
[0008] 為了實現上述目的，本發明提供一種具有儲能裝置的充電粧，該充電粧包括：
[0009] 多個充電終端，用于對多個電動汽車的電池組進行充電；
[0010] 有源電力濾波器，用于實時對充電粧進行諧波濾除，提高充電粧運行的功率因素； [0011]儲能裝置，用于從配電網吸收電能，并用于對充電終端快速提供電能；
[0012] 監控裝置，用于控制充電粧的運行，該監控裝置包括：
[0013]諧波檢測模塊，用于實時檢測充電粧的無功和諧波電流大小；
[0014] 儲能裝置監測與調度模塊，用于實時檢測儲能裝置的儲能狀態，根據檢測結果，隨 時將儲能單元在配電網與充電終端之間進行投切；
[0015] 充電服務及控制模塊，用于控制上述每個充電終端對電池組的充電功率，控制有 源電力濾波器對充電粧的進行諧波濾除。
[0016] 優選的，所述儲能裝置包括第一儲能飛輪和第二儲能飛輪，所述第一儲能飛輪和 第二儲能飛輪以配電網允許的最大接入功率通過輸入變換器吸取電能直到充滿，此時所述 第一儲能飛輪和第二儲能飛輪處于待機狀態，可以隨時通過充電終端給需要進行充電的電 動汽車快速充電，工作過程中，儲能裝置監測與調度模塊會根據第一儲能飛輪和第二儲能 飛輪的儲能狀態進行充放電切換，保證內部可以隨時滿足電動汽車的充電需求。
[0017] 優選的，當第一儲能飛輪或第二儲能飛輪需要進行充電時，所述儲能裝置監測與 調度模塊發送指令，打開充電開關，對儲能飛輪進行充電，并時時檢測儲能飛輪的充電狀 態，當儲能飛輪的電量達到飽和時，系統再次發送指令，關閉充電開關，停止對儲能飛輪的 充電，此時，儲能飛輪處于待機狀態，等待接收放電指令。
[0018] 優選的，儲能飛輪在儲能時采用PWM可控整流，最大程度地降低設備對電網的諧波 干擾和無功需求。
[0019] 優選的，當充電終端給電動汽車充電時，所述儲能裝置監測與調度模塊發送指令， 使儲能裝置切離電網，利用儲能飛輪大功率發電機對電動汽車的電池組進行短時快速放 電，滿足其對快速充電的需求。
[0020] 優選的，所述充電終端包括：
[0021] 通信裝置，用于與充電服務及控制模塊以及所述充電終端進行通信；
[0022] 程控電源，用于根據控制進行充電；
[0023] 充電接口，與所述程控電源連接，用于連接電動汽車；
[0024] 電量計量裝置，用于計量充電電量。
[0025] 優選的，所述有源電力濾波器包括:電感一L1、電感二L2、非線性負載W、PWM變流器 S、電容C，配電網分別與電感一L1、電感二L2,電感一L1的另一端連接到非線性負載W，電感 二L2的另一端連接PWM變流器S，PWM變流器S并聯有電容C，配電網的接入端和電容C通過電 壓采樣A/D模塊1分別連接到指令電流運算器輸入端和PWM發生器輸入端，電容C的兩端通過 電壓采樣A/D模塊和PI調節器連接到指令電流運算器輸入端，電感一L1的輸入端連接電流 采樣A/D模塊連接到指令電流運算器輸入端，PWM變流器S的輸入端通過電流采樣A/D模塊連 接到指令電流運算器輸出端，指令電流運算器輸出端連接到PWM發生器輸入端。
[0026]優選的，所述諧波檢測模塊采用如下方式檢測充電粧中的諧波分量：
[0027] 將負載電流ia、ib、ic分解成基波ial、i bl、icl與諧波iak、ibk、ick之和；
[0028]考慮到三相不平衡，將電流基波電流ial、ibl、icl分為正序、零序和負序分量，則諧 波電流"、1&、1。15也可以分解為正序、零序和負序分量；
[0031]其中I1+、L·-是分別為基波正序和負序分量，Ik+、Ik-分別為k次諧波正序和負序分 量，θι-是基波負序的初始相位，9k+、0k-分別是k次諧波正序和負序的初始相位。上式諧波頻 率最低可達100Hz，經過低通濾波器(LFP)，則三相瞬時功率中的諧波分量就能完全濾去，只
從而可以得到濾除了負載電流中的基波無功電流、負序電流、 零序電流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露誤差的影響。
[0032]優選的，所述有源電力濾波器采用如下方式消除諧波：
[0033]通過諧波檢測模塊檢測到系統無功和諧波電流大小，作為指令信號，與PWM變流器 的輸出電流進行比較，誤差大小與滯環比較器的環寬相比較得到一組PWM波；
[0034] PWM波發送給功率器件的控制端控制功率器件的開關，跟隨無功和諧波電流；
[0035] PWM變流器將與無功和諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到配電網側，與配 電網側中包含的無功和諧波電流相互抵消，從而達到消除配電網側無功和諧波電流的目 的。
[0036] 本發明具有如下優點：（1)在現有配電網不增容的情況下，利用儲能裝置實現電動 汽車大功率快速充電，實現配電網和充電粧之間的緩沖，減少對配電網的短時干擾和沖擊； (2)通過本發明，解決了目前電動汽車充電粧網側諧波含量比較大的問題，且能夠濾除負載 電流中的基波無功電流、負序電流、零序電流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免 了零序泄露誤差的影響。
【附圖說明】
[0037] 圖1示出了本發明的一種具有儲能裝置的充電粧的框圖；
[0038] 圖2示出了一種具有儲能裝置的充電粧的運行方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0039] 圖1示出了一種具有儲能裝置的充電粧10,該充電粧包10括：
[0040] 多個充電終端12，用于對多個電動汽車的電池組進行充電；
[0041]有源電力濾波器13,用于實時對充電粧進行諧波濾除，提高充電粧運行的功率因 素；
[0042] 儲能裝置14,用于從配電網吸收電能，并用于對充電終端快速提供電能；
[0043] 監控裝置11，用于控制充電粧的運行，該監控裝置11包括：
[0044]諧波檢測模塊111，用于實時檢測充電粧的無功和諧波電流大小；
[0045]儲能裝置監測與調度模塊112,用于實時檢測儲能裝置的儲能狀態，根據檢測結 果，隨時將儲能單元在配電網與充電終端之間進行投切；
[0046] 充電服務及控制模塊113，用于控制上述每個充電終端對電池組的充電功率，控制 有源電力濾波器對充電粧的進行諧波濾除。
[0047] 優選的，所述儲能裝置14包括第一儲能飛輪和第二儲能飛輪，所述第一儲能飛輪 和第二儲能飛輪以配電網20允許的最大接入功率通過輸入變換器吸取電能直到充滿，此時 所述第一儲能飛輪和第二儲能飛輪處于待機狀態，可以隨時通過充電終端給需要進行充電 的電動汽車快速充電，工作過程中，儲能裝置監測與調度模塊會根據第一儲能飛輪和第二 儲能飛輪的儲能狀態進行充放電切換，保證內部可以隨時滿足電動汽車的充電需求。
[0048]優選的，當第一儲能飛輪或第二儲能飛輪需要進行充電時，所述儲能裝置監測與 調度模塊112發送指令，打開充電開關，對儲能飛輪進行充電，并時時檢測儲能飛輪的充電 狀態，當儲能飛輪的電量達到飽和時，系統再次發送指令，關閉充電開關，停止對儲能飛輪 的充電，此時，儲能飛輪處于待機狀態，等待接收放電指令。
[0049] 優選的，儲能飛輪在儲能時采用PWM可控整流，最大程度地降低設備對電網的諧波 干擾和無功需求。
[0050] 優選的，當充電終端12給電動汽車充電時，所述儲能裝置監測與調度模塊112發送 指令，使儲能裝置14切離電網，利用儲能飛輪大功率發電機對電動汽車的電池組30進行短 時快速放電，滿足其對快速充電的需求。
[0051 ] 優選地，所述充電終端12包括：
[0052]通信裝置，用于與充電服務及控制模塊以及所述充電終端進行通信；
[0053]程控電源，用于根據控制進行充電；
[0054]充電接口，與所述程控電源連接，用于連接電動汽車；
[0055]電量計量裝置，用于計量充電電量。
[0056] 所述有源電力濾波器13包括：電感一L1、電感二L2、非線性負載W、PWM變流器S、電 容C，配電網分別與電感一L1、電感二L2,電感一L1的另一端連接到非線性負載W，電感二L2 的另一端連接PWM變流器S，PWM變流器S并聯有電容C，配電網的接入端和電容C通過電壓采 樣A/D模塊1分別連接到指令電流運算器輸入端和PWM發生器輸入端，電容C的兩端通過電壓 采樣A/D模塊和PI調節器連接到指令電流運算器輸入端，電感一L1的輸入端連接電流采樣 A/D模塊連接到指令電流運算器輸入端，PWM變流器S的輸入端通過電流采樣A/D模塊連接到 指令電流運算器輸出端，指令電流運算器輸出端連接到PWM發生器輸入端。
[0057] 所述諧波檢測模塊111采用如下方式檢測充電粧10中的諧波分量：
[0058] 將負載電流ia、ib、ic分解成基波ial、i bl、icl與諧波iak、ibk、ick之和；
[0059]考慮到三相不平衡，將電流基波電流ial、ibl、icl分為正序、零序和負序分量，則諧 波電流"、1&、1。15也可以分解為正序、零序和負序分量；
[0060] 將上述步驟得到的分解結果代入該式，可得： 5
[0062]其中I1+、L·-是分別為基波正序和負序分量，Ik+、Ik-分別為k次諧波正序和負序分 量，θι-是基波負序的初始相位，9k+、0k-分別是k次諧波正序和負序的初始相位。上式諧波頻 率最低可達100Hz，經過低通濾波器(LFP )，則三相瞬時功率中的諧波分量就能完全濾去，
從而可以得到濾除了負載電流中的基波無功電流、負序電 ? 流、零序電流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露誤差的影響。
[0063]所述有源電力濾波器13采用如下方式消除諧波：
[0064]通過諧波檢測模塊111檢測到系統無功和諧波電流大小，作為指令信號，與Ρ麗變 流器的輸出電流進行比較，誤差大小與滯環比較器的環寬相比較得到一組PWM波；
[0065] PWM波發送給功率器件的控制端控制功率器件的開關，跟隨無功和諧波電流；
[0066] PWM變流器將與無功和諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到配電網側，與配 電網側中包含的無功和諧波電流相互抵消，從而達到消除配電網側無功和諧波電流的目 的。
[0067] 圖2示出了一種具有儲能裝置的充電粧的監控方法的流程圖。該監控方法包括如 下步驟：
[0068] S1.儲能裝置從配電網中以配電網允許的最大接入功率通過輸入變換器吸取電能 直到充滿，此時儲能裝置處于待機狀態，可以隨時給需要進行充電的電動汽車快速充電；
[0069] S2.當充電粧給電動汽車充電時，使儲能裝置切離電網，利用儲能飛輪大功率發電 機對電動汽車的電池組進行短時快速放電，滿足其對快速充電的需求；
[0070] S3.充電粧運行期間，實時檢測充電粧的系統無功和諧波電流大小；
[0071] S4.根據檢測到的無功和諧波電流大小，實時進行無功動態補償和諧波濾除，保障 充電粧安全經濟運行。
[0072]優選的，在步驟S1中，在正常狀態下，儲能裝置監測與調度模塊實時檢測儲能裝置 的儲能狀態，根據檢測結果，隨時將儲能裝置在配電網與充電終端之間進行投切。
[0073]優選的，所述儲能裝置包括第一儲能飛輪和第二儲能飛輪，當第一儲能飛輪或第 二儲能飛輪需要進行充電時，該系統發送指令，打開充電開關，對儲能飛輪進行充電，并時 時檢測儲能飛輪的充電狀態，當儲能飛輪的電量達到飽和時，系統再次發送指令，關閉充電 開關，停止對儲能飛輪的充電。此時，儲能飛輪處于待機狀態，等待接收放電指令。
[0074]優選的，在步驟S2中，儲能飛輪在放電過程中，飛輪降速帶動發電機發電，經過DC/ DC變換模塊，然后通過充電終端對電動汽車的電池組快速充電。
[0075]在S3中，諧波電流的檢測具體步驟為：
[0076] S31.將負載電流ia、ib、ic分解成基波ial、i bl、icl與諧波iak、ibk、ick之和；
[0077] S32.考慮到三相不平衡，將電流基波電流"1上1、丨。1分為正序、零序和負序分量， 貝1J諧波電流"、ibk、ick也可以分解為正序、零序和負序分量；
[0078]
將上述步驟得到的分解結果代入該式，可得：
[0080] 中Ιι+、Ιι-是分別為基波正序和負序分量，Ik+、Ik-分別為k次諧波正序和負序分量， 01-是基波負序的初始相位，9k+、0 k-分別是k次諧波正序和負序的初始相位。上式諧波頻率最 低可達100HZ，經過低通濾波器(LFP)，則三相瞬時功率中的諧波分量就能完全濾去，只剩下
從而可以得到濾除了負載電流中的基波無功電流、負序電流、零 序電流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露誤差的影響。
[0081] 優選的，若考慮到三相不平衡的情況，則可以將負載側基波電流分解為正序、負序 和零序分量，則諧波電流也可以分解為正序、負序和零序分量i ak、ibk、ick$*
[0084]
將上述分解的分量分別代入該 式，可得；
[0087] 其中是分別為基波正序和負序分量，Ik+、Ik-、Ik〇分別為k次諧波正序和 負序分量，θι-是基波負序的初始相位，9k+、0k_分別是k次諧波正序和負序的初始相位，φ是 功率因數角。
[0088]優選的，在步驟S4中，具體采用如下無功動態補償方法實現無功動態補償和諧波 濾除：
[0089] S41.通過諧波檢測模塊檢測到系統無功和諧波電流大小，作為指令信號，與PWM變 流器的輸出電流進行比較，誤差大小與滯環比較器的環寬相比較得到一組PWM波；
[0090] S42. Ρ麗波發送給功率器件的控制端控制功率器件的開關，跟隨無功和諧波電流；
[0091 ] S43 .PWM變流器將與無功和諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到配電網側， 與配電網側中包含的無功和諧波電流相互抵消，從而達到消除配電網側無功和諧波電流的 目的。
[0092]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當 視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種具有儲能裝置的充電粧，其特征在于，包括： 多個充電終端，用于對多個電動汽車的電池組進行充電； 有源電力濾波器，用于實時對充電粧進行諧波濾除，提高充電粧運行的功率因素； 儲能裝置，用于從配電網吸收電能，并用于對充電終端快速提供電能； 監控裝置，用于控制充電粧的運行，該監控裝置包括： 諧波檢測模塊，用于實時檢測充電粧的無功和諧波電流大小； 儲能裝置監測與調度模塊，用于實時檢測儲能裝置的儲能狀態，根據檢測結果，隨時將 儲能單元在配電網與充電終端之間進行投切； 充電服務及控制模塊，用于控制上述每個充電終端對電池組的充電功率，控制有源電 力濾波器對充電粧的進行諧波濾除。2. 如權利要求1所述的充電粧，其特征在于，所述儲能裝置包括第一儲能飛輪和第二儲 能飛輪，所述第一儲能飛輪和第二儲能飛輪以配電網允許的最大接入功率通過輸入變換器 吸取電能直到充滿，此時所述第一儲能飛輪和第二儲能飛輪處于待機狀態，可以隨時通過 充電終端給需要進行充電的電動汽車快速充電，工作過程中，儲能裝置監測與調度模塊會 根據第一儲能飛輪和第二儲能飛輪的儲能狀態進行充放電切換，保證內部可以隨時滿足電 動汽車的充電需求。3. 如權利要求2所述的充電粧，其特征在于，當第一儲能飛輪或第二儲能飛輪需要進行 充電時，所述儲能裝置監測與調度模塊發送指令，打開充電開關，對儲能飛輪進行充電，并 時時檢測儲能飛輪的充電狀態，當儲能飛輪的電量達到飽和時，系統再次發送指令，關閉充 電開關，停止對儲能飛輪的充電，此時，儲能飛輪處于待機狀態，等待接收放電指令。4. 如權利要求3所述的充電粧，其特征在于，儲能飛輪在儲能時采用PffM可控整流，最大 程度地降低設備對電網的諧波干擾和無功需求。5. 如權利要求4所述的充電粧，其特征在于，當充電終端給電動汽車充電時，所述儲能 裝置監測與調度模塊發送指令，使儲能裝置切離電網，利用儲能飛輪大功率發電機對電動 汽車的電池組進行短時快速放電，滿足其對快速充電的需求。6. 如權利要求5所述的充電粧，其特征在于，所述充電終端包括： 通信裝置，用于與充電服務及控制模塊以及所述充電終端進行通信； 程控電源，用于根據控制進行充電； 充電接口，與所述程控電源連接，用于連接電動汽車； 電量計量裝置，用于計量充電電量。7. 如權利要求6所述的充電粧，其特征在于，所述有源電力濾波器包括：電感一Ll、電感 二L2、非線性負載W、PWM變流器S、電容C，配電網分別與電感一L1、電感二L2,電感一Ll的另 一端連接到非線性負載W，電感二L2的另一端連接PffM變流器S，PWM變流器S并聯有電容C，配 電網的接入端和電容C通過電壓采樣A/D模塊1分別連接到指令電流運算器輸入端和PWM發 生器輸入端，電容C的兩端通過電壓采樣A/D模塊和PI調節器連接到指令電流運算器輸入 端，電感一Ll的輸入端連接電流采樣A/D模塊連接到指令電流運算器輸入端，PffM變流器S的 輸入端通過電流采樣A/D模塊連接到指令電流運算器輸出端，指令電流運算器輸出端連接 到PffM發生器輸入端。8. 如權利要求7所述的充電粧，其特征在于，所述諧波檢測模塊采用如下方式檢測充電 粧中的諧波分量： 將負載電流ia、ib、i。分解成基波iai、ibi、ici與諧波iak、ibk、ick之和； 考慮到三相不平衡，將電流基波電流分為正序、零序和負序分量，則諧波電 流"、1&、1。15也可以分解為正序、零序和負序分量； 三相瞬時功2格上述步驟得到的分解結果代入該式，可得：其中IuU1-是分別為基波正序和負序分量，Ik+、Ik-分別為k次諧波正序和負序分量，0卜 是基波負序的初始相位，9k+、0k-分別是k次諧波正序和負序的初始相位。上式諧波頻率最低 可達100Hz，經過低通濾波器(LFP)，則三相瞬時功率中的諧波分量就能完全濾去，只剩下穩 態值￥ = !乙4從而可以得到濾除了負載電流中的基波無功電流、負序電流、零序電 流和諧波電流，只留下基波正序有功分量，避免了零序泄露誤差的影響。9.如權利要求8所述的充電粧，其特征在于，所述有源電力濾波器采用如下方式消除諧 波： 通過諧波檢測模塊檢測到系統無功和諧波電流大小，作為指令信號，與PWM變流器的輸 出電流進行比較，誤差大小與滯環比較器的環寬相比較得到一組PWM波； PWM波發送給功率器件的控制端控制功率器件的開關，跟隨無功和諧波電流； PWM變流器將與無功和諧波電流大小相等，方向相反的電流注入到配電網側，與配電網 側中包含的無功和諧波電流相互抵消，從而達到消除配電網側無功和諧波電流的目的。
【文檔編號】H02J3/01GK106026279SQ201610520274
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】吳文堅
【申請人】吳文堅