CN111404248A - 基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***及方法 - Google Patents

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CN111404248A CN201811619771.3A CN201811619771A CN111404248A CN 111404248 A CN111404248 A CN 111404248A CN 201811619771 A CN201811619771 A CN 201811619771A CN 111404248 A CN111404248 A CN 111404248A
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Tianjin Yinlong Energy Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，包括直流微电网单元、交流微电网单元、双向AC/DC逆变器、配电单元以及能量管理单元，所述能量管理单元分别与直流微电网单元、交流微电网单元、双向AC/DC逆变器和配电单元通讯连接，所述直流微电网单元与交流微电网单元通过双向AC/DC逆变器电连接，所述配电单元与交流微电网单元电连接；还公开了一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法。本发明避免了常规电阻型负载将燃料电池***产生的电能通过热能消耗掉的能量浪费，同时还节省了为给电阻型负载降温设备的额外电能消耗。

Description

基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***及方法
技术领域
本发明属于燃料电池测试和微网技术领域，具体涉及一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***及方法。
背景技术
燃料电池电堆、燃料电池***以及燃料电池发动机的大规模研究、验证及测试是燃料电池应用前必不可少的步骤。由于燃料电池自身是一个持续消耗氢的发电装置，在传统的性能测试过程中第一种方案是使用电阻型负载将燃料电池***产生的电能通过热能消耗掉，造成了资源的浪费和成本的增加。另外，通常所使用的电子负载在释放热能的过程中还需要诸如冷水塔、大型风机甚至空调等对其进行散热以保障电子负载的正常工作，因而还需要额外的电能。而对于新能源汽车用燃料电池动力***，其功率超过30kW甚至高达100kW，则采用电子负载的测试方式将会产生极大的电能浪费，测试成本攀升。
第二种方案是采用馈网型电子负载将燃料电池测试过程中输出的电能回馈给电网。虽然该种方案可以有效避免燃料电池在测试放电过程中的热消耗，但是由于测试流程的复杂多样性(如频繁启停加载、加速以及测试极化曲线等)加之多堆并行测试等，在此情况下向电网馈电时，将会造成对电网的高频谐波干扰严重，处理起来也比较困难，严重影响着电网的电能质量，甚至会对电网造成冲击。
第三种方案是将燃料电池测试过程中输出的电能通过电解水制氢的方式获得氢气通入燃料电池进行循环利用。但是，在燃料电池运行过程中氢气转换为电的效率一般为50％(基于氢气的低热值LHV)，而产生的电再次通过电解水制氢的理论电解效率虽然很高(表观转换效率甚至可达100％～122％)，但在工业上为提升产氢速率需要加热升温以及产生的极化过电位等因素电能转换效率仅为50～70％。则完成氢气→燃料电池→电解槽→氢气的一个完整循环效率仅为30％，能量损失超过70％，而且电解水制氢***成本(特别是以贵金属铂或铱作为催化剂的固体电解质膜电解水制氢***)较高，寿命较短。因此该种方案并不经济，且存在着***复杂、维护繁复的问题。
另一方面，当前基于充电桩的电动汽车的充电技术尚存在以下问题：第一，充电能量来源于电网，而目前我国至少70％的电力来自煤炭，因而电动汽车的应用并没能改变对常规能源的消耗和对环境污染的影响，只是将污染源集中在了火电厂；第二，由于电动汽车充电为非线性负载，在充电过程中将同时向电网注入谐波电流导致电网电能质量下降、电网损耗增加及输变电设备正常容量占用，还需要增加无功补偿设备以稳定节点电压，致使控制复杂、设备造价攀升；第三，当采用大电流的直流快充方式时还会给电网负荷带来大量的波动，电网供电稳定性变差。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***及方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，包括直流微电网单元、交流微电网单元、双向AC/DC逆变器、配电单元以及能量管理单元，所述能量管理单元分别与直流微电网单元、交流微电网单元、双向AC/DC逆变器和配电单元通讯连接，所述直流微电网单元与交流微电网单元通过双向AC/DC逆变器电连接，所述配电单元与交流微电网单元电连接。
上述方案中，所述直流微电网单元包括燃料电池测试单元、储能单元和直流充电单元，所述燃料电池测试单元、储能单元和直流充电单元的直流接口连接在直流母线L1上。
上述方案中，所述燃料电池测试单元包括燃料电池测试台、单向DC/DC 变换器和第一断路器，所述燃料电池测试台中的待测燃料电池的直流输出端与其相对应的所述单向DC/DC变换器的输入端电连接，所述单向DC/DC变换器的输出端通过第一断路器与直流母线L1电连接。
上述方案中，所述储能单元包括储能电池组、电池管理单元、双向DC/DC 变换器和第二断路器，所述储能电池组与所述双向DC/DC变换器的一端电连接，所述双向DC/DC变换器的另一端通过所述第二断路器与直流母线L1电连接，所述电池管理单元通过低压信号线与所述储能电池组连接。
上述方案中，所述直流充电单元包括直流充电柜和直流充电桩；所述直流充电柜的输入端经由内部断路器与直流母线L1电连接，所述直流充电柜的输出端分别与多个所述直流充电桩的输入端电连接，将直流电压输送给各个所述直流充电桩；所述直流充电桩为电动汽车快充提供指定的直流电压输出端口。
上述方案中，所述交流微电网单元包括交流充电柜和交流充电桩；所述交流充电柜的输入端经由内部断路器与交流母线L2电连接，所述交流充电柜的输出端分别与多个所述交流充电桩的输入端电连接，将交流电压输送给各个所述交流充电桩；所述交流充电桩为电动汽车慢充提供指定的交流电压输出端口。
上述方案中，所述双向AC/DC逆变器的直流端与直流母线L1电连接，所述双向AC/DC逆变器的交流端与交流母线L2电连接，用于实现直流母线L1 与交流母线L2之间电能的双向传递。
上述方案中，所述配电单元包括外部配电网和含有控制器的公共连接点；所述外部配电网经过变压器后通过公共连接点接入所述交流微电网单元的交流母线L2实现与交流母线L2间交流电能的双向传递。
上述方案中，所述能量管理单元分别通过通讯线与所述直流微电网单元的燃料电池测试单元中的燃料电池测试台和单向DC/DC变换器、储能单元中的电池管理单元和双向DC/DC变换器、直流充电单元中的直流充电桩、所述双向AC/DC逆变器以及所述交流微电网单元的交流充电桩连接，分别通过低压信号线与所述直流微电网单元的燃料电池测试单元中的第一断路器、储能单元中的第二断路器、直流充电单元中直流充电柜的断路器和直流母线L1的电压电流霍尔传感器、所述双向AC/DC逆变器中的断路器、所述直流微电网单元的交流充电单元中的交流充电柜的断路器和交流母线L2的电压电流霍尔传感器以及所述配电单元中公共连接点PCC的控制器连接。
本发明实施例还提供一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，该方法通过如下步骤实现：
步骤(1)，所述能量管理单元启动自检，并确认所述配电单元的公共连接点处于断开状态，使基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***进入初始离网控制模式；
步骤(2)，所述能量管理单元获取直流微电网单元的燃料电池测试单元中待测燃料电池的个数及测试参数并且确定燃料电池在整个测试过程中所产生的总电量Q1，通过储能单元中电池管理单元获取储能电池组的SOC并且确定储能电池组由当前SOC放电至设定的SOC下限时可放电量Q2和由当前SOC 充电至设定的SOC上限时需充电量Q′2，获取待充电电动汽车需要充电的总电量Q3；然后比较Q1、Q2、Q′2和Q3之间的大小：
如果Q1≤Q′2+Q3，且Q3≤Q1+Q2，则进入稳态离网工作模式；
如果Q1＞Q′2+Q3，或Q3＞Q1+Q2，则进入暂态并网工作模式。
上述方案中，所述稳态离网工作模式为：所述能量管理单元给直流微电网单元的燃料电池测试单元中的燃料电池测试台发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台所对应的单向DC/DC变换器和第一断路器发送接通指令将燃料电池测试台上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器电压变换为与直流母线 L1相匹配的电压后送入直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述能量管理单元则给直流充电单元的直流充电柜发送启动信号，直流充电柜中的断路器闭合接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩送入直流电开始为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述能量管理单元向双向AC/DC逆变器发送信号将直流母线L1上的直流电逆变成与交流微电网单元的交流母线L2相匹配的电压后输入交流母线L2，并给交流充电单元的交流充电柜发送启动信号，交流充电柜中的断路器闭合接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩送入交流电开始为电动汽车进行慢充。
上述方案中，在稳态离网工作模式下所述能量管理单元实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF和电动汽车充电所需要的电量QC，当检测到QF＜QC时，储能单元中储能电池组所存储的电能经由双向DC/DC变换器转换成规定的电压后送入直流母线L1，从而为电动汽车充电补充电能；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0时，直流母线L1富余的电能经由双向DC/DC 变换器转换成与储能电池组充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组中，从而维持燃料电池测试与电动汽车充电的正常进行并抑制直流母线L1和交流母线L2的电压波动以平衡两个母线的电压。在燃料电池测试和电动汽车充电的全过程中，燃料电池所产生的电能只在燃料电池测试单元、储能单元、直流充电单元和交流充电单元之间进行传递，所述配电单元的公共连接点始终处于断开状态，整个微网***孤岛运行。
上述方案中，所述暂态并网工作模式为：所述能量管理单元给直流微电网单元的燃料电池测试单元中的燃料电池测试台发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台所对应的单向DC/DC变换器和第一断路器发送接通指令将燃料电池测试台上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器电压变换为与直流母线 L1相匹配的电压后送入直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述能量管理单元则给直流充电单元的直流充电柜发送启动信号，直流充电柜中的断路器闭合接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩送入直流电开始为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述能量管理单元向双向AC/DC逆变器发送信号将直流母线L1上的直流电逆变成与交流微电网单元的交流母线L2相匹配的电压后输入交流母线L2，并给交流充电单元的交流充电柜发送启动信号，交流充电柜中的断路器闭合接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩送入交流电开始为电动汽车进行慢充。
上述方案中，在暂态并网工作模式下所述能量管理单元实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF和电动汽车充电所需要的电量QC，当检测到QF＜QC时，所述能量管理单元优先将储能单元中储能电池组所存储的电能经由双向DC/DC变换器送入直流母线L1为电动汽车充电补充电能，当所述能量管理单元检测到储能电池组的荷电状态SOC已降至设定的下限而电动汽车充电并未完成时配电单元的公共连接点闭合将外电网的电能送入交流母线L2为接于交流充电桩的电动汽车直接供电和/或经由双向AC/DC逆变器送入直流母线L1 为接于直流充电桩的电动汽车充电；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0时，直流母线L1中富余的电能经由双向DC/DC变换器输出至储能电池组中，当所述能量管理单元检测到储能电池组的荷电状态SOC已升至设定的上限而燃料电池测试仍在进行时配电单元的公共连接点闭合将直流母线L1中的电能经由双向AC/DC逆变器送入交流母线L2然后经由公共连接点输出至外电网。从而确保燃料电池测试和电动汽车充电的有序平稳运行及直流母线L1 和交流母线L2的电压平衡。
与现有技术相比，本发明将燃料电池电化学测试过程中产生的电能输出至充电桩用于电动汽车充电，一方面避免了常规电阻型负载将燃料电池***产生的电能通过热能消耗掉的能量浪费，同时还节省了为给电阻型负载降温设备的额外电能消耗；
另一方面，本发明由燃料电池测试单元与储能单元有机构建的直流微电网单元使电动汽车充电摆脱了对外电网的完全依赖，可确保在市电停电或用电高峰时电动汽车仍可正常充电；而且，将直流充电桩接入直流微电网单元则可以省去传统直流充电桩里的AC/DC开关电源部件，提升了充电利用率和效率，从而节省了用电成本。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的结构示意图。
图2为根据本发明的实施例的一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法流程图。
具体实施方式
下面参考附图进一步描述本发明的实施方式，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施方式仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实施例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明实施例提供一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，如图1所示，其包括直流微电网单元1、交流微电网单元2、双向AC/DC逆变器 3、配电单元4以及能量管理单元(EMS)5，所述能量管理单元5分别与直流微电网单元1、交流微电网单元2、双向AC/DC逆变器3和配电单元通讯连接 4，所述直流微电网单元1与交流微电网单元2通过双向AC/DC逆变器3连接，所述配电单元4与交流微电网单元2连接。其中，
所述直流微电网单元1包括燃料电池测试单元11、储能单元12和直流充电单元13，所述燃料电池测试单元11、储能单元12和直流充电单元13的直流接口连接在直流母线L1上。
优选的，所述直流母线L1为0.40kV直流母线。
具体的，所述燃料电池测试单元11包括燃料电池测试台111、单向DC/DC 变换器112和第一断路器113，所述燃料电池测试台111中的待测燃料电池的直流输出端与其相对应的所述单向DC/DC变换器112的输入端电连接，所述单向DC/DC变换器112的输出端通过第一断路器113与直流母线L1连接。
所述燃料电池测试单元11中燃料电池测试台111用于对燃料电池进行极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)以及各种模拟工况条件下的电化学性能测试与评估，而所述单向DC/DC变换器112则将燃料电池在测试过程中所产生的电能经过电压的变换后送入直流母线L1。
进一步地，所述燃料电池测试单元11中的所述燃料电池测试台111可以是单台，也可以是多台从而形成燃料电池测试台阵列，而且，燃料电池测试台阵列中的各个所述燃料电池测试台之间独立工作，互不干扰；并且，所述单向DC/DC变换器112的个数与所述燃料电池测试台111的个数保持一致并形成一一对应关系。
可选的，所述燃料电池测试台111包括但不限于氢气流量测试单元、空气流量测试单元、水管理单元、热管理单元及控制单元，所测试的燃料电池包括但不限于燃料电池单电池、燃料电池电堆、燃料电池***、燃料电池发动机等；而且，不同的燃料电池，其所对应的燃料电池测试台的配置也不尽相同，只要所测试的燃料电池类型及测试参数与燃料电池测试台相匹配即可。同样，与所述燃料电池测试台111所对应的单向DC/DC变换器112也会因待测燃料电池的电压、电流的不同其配置参数也不同，只要其能转换的电压、电流区间同燃料电池输出的电压、电流相匹配即可。换言之，在上述燃料电池测试台阵列中所述燃料电池测试台111可以是同类型的，也可以是不同类型；相应的，所述单向DC/DC变换器112也可以是同类型的，也可以是不同类型的，但是每个单向DC/DC变换器的输入端配置参数必须与其所连接的燃料电池测试台的电输出参数相匹配，而且其输出端配置参数还要与所述直流母线L1的电压、电流等参数相匹配。
具体的，所述储能单元12包括储能电池组121、电池管理单元(BMS)122、双向DC/DC变换器123和第二断路器124，所述储能电池组121与所述双向 DC/DC变换器123的一端连接，所述双向DC/DC变换器123的另一端通过所述第二断路器124与直流母线L1连接，所述电池管理单元122通过低压信号线与所述储能电池组121连接。
所述储能电池组121，用于通过所述双向DC/DC变换器123实现与直流母线L1间直流电能的双向传递：一方面接收所述燃料电池测试单元11中燃料电池在测试过程中产生的直流电能和所述配电单元4经由所述双向AC/DC逆变器3传递过来的谷电，另一方面为所述直流充电单元13直接提供直流电能和经由所述双向AC/DC逆变器3为所述交流微电网单元2提供电能以及向所述配电单元4馈电以为外网提供调峰调频及无功补偿的电力辅助服务。
可选的，所述储能电池组121采用铅酸电池、铅炭电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器中的一种或多种；
优选的，所述储能电池组121优先采用钛酸锂电池或全钒液流电池。
所述电池管理单元122，用于监测所述储能电池组121的电压、电流和温度，准确估测所述储能电池组121的荷电状态SOC并将实时采集到的数据信息通过通讯线传输给所述能量管理单元5，同时对所述储能电池组121的单体电池间进行能量均衡。
具体的，所述直流充电单元13包括直流充电柜131和直流充电桩132；所述直流充电柜131的输入端经由内部断路器与直流母线L1连接，所述直流充电柜131的输出端分别与多个所述直流充电桩132的输入端连接，将直流电压输送给各个所述直流充电桩132；所述直流充电桩132为电动汽车快充提供指定的直流电压输出端口。
优选的，所述直流充电桩132的输出端口可以提供400V和/或750V的直流电压输出。
所述交流微电网单元2包括交流充电单元21，所述交流充电单元21的交流接口连接在交流母线L2上。
优选的，所述交流母线L2为0.38kV交流母线。
具体的，所述交流充电单元21包括交流充电柜211和交流充电桩212；所述交流充电柜211的输入端经由内部断路器与交流母线L2连接，所述交流充电柜211的输出端分别与多个所述交流充电桩212的输入端连接，将交流电压输送给各个所述交流充电桩212；所述交流充电桩212为电动汽车慢充提供指定的交流电压输出端口。
优选的，所述交流充电桩212的输出端口可以提供380V和/或220V的交流电压输出。
所述双向AC/DC逆变器3的直流端与直流母线L1连接，所述双向AC/DC 逆变器3的交流端与交流母线L2连接，用于实现直流母线L1与交流母线L2 之间电能的双向传递。
所述配电单元4包括外部配电网401和含有PCC控制器的公共连接点 (PCC)402；所述外部配电网401经过变压器后通过公共连接点402接入所述交流微电网单元2的交流母线L2实现与交流母线L2间交流电能的双向传递：一方面在特定情况下为所述交流微电网单元2的交流充电单元21直接提供交流电能和经由所述双向AC/DC逆变器3为所述直流微电网单元1的直流充电单元13提供电能以及将用电低谷时的电能经由所述双向AC/DC逆变器3 存储于所述直流微电网单元1的储能单元12中，另一方面接收经由所述双向 AC/DC逆变器3传递过来的所述直流微电网单元1的燃料电池测试单元11中燃料电池在测试过程中产生的过剩的直流电能和用电高峰时所述储能单元12 所释放的电能以及所发出的无功功率。
所述能量管理单元5，分别通过通讯线与所述直流微电网单元1的燃料电池测试单元11中的燃料电池测试台111和单向DC/DC变换器112、储能单元 12中的电池管理单元122和双向DC/DC变换器123、直流充电单元13中的直流充电桩132、所述双向AC/DC逆变器3以及所述交流微电网单元2的交流充电单元21中的交流充电桩212连接，分别通过低压信号线与所述直流微电网单元1的燃料电池测试单元11中的第一断路器113、储能单元12中的第二断路器124、直流充电单元13中直流充电柜131的断路器和直流母线L1的电压电流霍尔传感器、所述双向AC/DC逆变器3中的断路器、所述直流微电网单元2的交流充电单元21中的交流充电柜211的断路器和交流母线L2的电压电流霍尔传感器以及所述配电单元4中公共连接点PCC402的控制器连接，用于接收所述燃料电池测试单元11、储能单元12、直流充电单元13和交流充电单元21及直流母线L1和交流母线L2的实时参数信息，通过记录、统计、分析整个微网***的电力运行数据，并按照预设的命令向所述燃料电池测试单元11、储能单元12、直流充电单元13、双向AC/DC逆变器3、交流充电单元21以及配电单元4的控制元件和断路器下发操作指令，综合管理调度燃料电池测试、储能、电网能量交换及电动汽车充电，使整个微网***的运行在最佳状态且实现较好的经济效益。
所述基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***工作在稳态离网工作模式和暂态并网工作模式：
在稳态离网工作模式下，所述能量管理单元5给所述直流微电网单元1 的燃料电池测试单元11中的燃料电池测试台111发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，其间所产生的电能经过单向 DC/DC变换器112电压变换为0.40kV的直流电压后送入0.40kV直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述直流微电网1中直流充电单元13 的直流充电柜131接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩132送入直流电为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述双向AC/DC逆变器3将所述直流微电网单元1中直流母线L1上的直流电逆变成0.38kV的交流电压后送入所述交流微电网单元2的0.38kV交流母线L2，交流充电单元21的交流充电柜211接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩212送入交流电为电动汽车进行慢充。在充电过程中，所述能量管理单元5实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF和电动汽车充电所需要的电量QC，当检测到QF＜QC时，储能单元12中储能电池组121所存储的电能经由双向DC/DC变换器123转换成规定的电压后送入直流母线L1，从而为电动汽车充电补充电能；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0时，直流母线L1富余的电能经由双向DC/DC变换器123转换成与储能电池组121 充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组121中，从而维持燃料电池测试与电动汽车充电的正常进行并抑制直流母线L1和交流母线L2的电压波动以平衡两个母线的电压。在燃料电池测试和电动汽车充电的全过程中，燃料电池所产生的电能只在燃料电池测试单元11、储能单元12、直流充电单元13 和交流充电单元21之间进行传递，所述配电单元4的公共连接点PCC402始终处于断开状态，整个微网***孤岛运行。
在暂态并网工作模式下，所述能量管理单元5给所述直流微电网单元1 的燃料电池测试单元11中的燃料电池测试台111发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，其间所产生的电能经过单向 DC/DC变换器112电压变换为0.40kV的直流电压后送入0.40kV直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述直流微电网1中直流充电单元13 的直流充电柜131接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩132送入直流电为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述双向AC/DC逆变器3将所述直流微电网单元1中直流母线L1上的直流电逆变成0.38kV的交流电压后送入所述交流微电网单元2的0.38kV交流母线L2，交流充电单元21的交流充电柜211接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩212送入交流电为电动汽车进行慢充。
在充电过程中，所述能量管理单元5实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF、储能单元12中储能电池组121的荷电状态SOC和电动汽车充电所需要的总电量QC，当检测到QF＜QC时，所述能量管理单元5优先将储能单元 12中储能电池组121所存储的电能经由双向DC/DC变换器123转换成0.40kV 的直流电压后送入0.40kV直流母线L1为电动汽车充电补充电能，当所述能量管理单元5检测到储能电池组121的荷电状态SOC已降至设定的下限而电动汽车充电并未完成时配电单元4的公共连接点PCC402闭合将外电网401的电能送入交流母线L2为接于交流充电桩212的电动汽车直接供电和/或经由双向AC/DC逆变器3转换成0.40kV的直流电压后送入0.40kV直流母线L1为接于直流充电桩132的电动汽车充电；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0时，直流母线L1中富余的电能经由双向DC/DC变换器123转换成与储能电池组121充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组121中，当所述能量管理单元5检测到储能电池组121的荷电状态SOC已升至设定的上限而燃料电池测试仍在进行时配电单元4的公共连接点PCC闭合将直流母线L1中的电能经由双向AC/DC逆变器3转换成0.38kV的交流电压后送入交流母线L2 然后经由公共连接点PCC402输出至外电网401。从而确保燃料电池测试和电动汽车充电的有序平稳运行及直流母线L1和交流母线L2的电压平衡。
本发明将燃料电池电化学测试过程中产生的电能输出至充电桩用于电动汽车充电，一方面避免了常规电阻型负载将燃料电池***产生的电能通过热能消耗掉的能量浪费，同时还节省了为给电阻型负载降温设备的额外电能消耗；
另一方面，本发明由燃料电池测试单元与储能单元有机构建的直流微电网单元使电动汽车充电摆脱了对外电网的完全依赖，可确保在市电停电或用电高峰时电动汽车仍可正常充电；而且，将直流充电桩接入直流微电网单元则可以省去传统直流充电桩里的AC/DC开关电源部件，提升了充电利用率和效率，从而节省了用电成本。
此外，本发明储能电池组的采用则可避免通常馈网型电子负载对电网的高频谐波的严重干扰并有效抑制了电动汽车充电过程中产生的谐波对外电网电能质量的影响以及大电流快充时对电网的冲击，有效提高了外电网的功率因数；另一方面又可实现对外电网的削峰填谷、谐波治理及无功补偿，改善电网的电能质量；同时采用储能电池组还可通过谷电峰用、调峰调频等电力辅助服务为企业带来额外收益。
本发明实施例还提供一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，如图2所示，该方法通过如下步骤实现：
在步骤200中，所述能量管理单元5启动自检，并确认所述配电单元4 的公共连接点402处于断开状态，使基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***进入初始离网控制模式。然后进入步骤201。
在步骤201中，所述能量管理单元5获取直流微电网单元1的燃料电池测试单元11中待测燃料电池的个数及测试参数从而计算出燃料电池在整个测试过程中所产生的总电量Q1，通过储能单元12中电池管理单元122获取储能电池组121的SOC从而计算出储能电池组121由当前SOC放电至设定的SOC 下限时可放电量Q2和由当前SOC充电至设定的SOC上限时需充电量Q′2，获取待充电电动汽车需要充电的总电量Q3；然后比较Q1、Q2、Q′2和Q3之间的大小并进入步骤202。
在步骤202中，当所述能量管理单元5检测到Q1≤Q′2+Q3且Q3≤Q1+Q2时，则进入步骤210，即进入稳态离网工作模式；当检测到Q1＞Q′2+Q3或Q3＞Q1+Q2时，则进入步骤220，即进入暂态并网工作模式。
在步骤210中，所述能量管理单元5给直流微电网单元1的燃料电池测试单元11中的燃料电池测试台111发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台111所对应的单向 DC/DC变换器112和第一断路器113发送接通指令将燃料电池测试台111上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器112电压变换为 0.40kV的直流电压后送入直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述能量管理单元5则给直流充电单元13的直流充电柜131发送启动信号，直流充电柜131中的断路器闭合接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩132送入直流电开始为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述能量管理单元5向双向AC/DC逆变器3发送信号将直流母线L1上的直流电逆变成0.38kV的交流电压后输入交流微电网2的交流母线L2，并给交流充电单元21的交流充电柜211发送启动信号，交流充电柜211中的断路器闭合接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩212送入交流电开始为电动汽车进行慢充。在燃料电池测试和电动汽车充电的全过程中，燃料电池所产生的电能只在直流微电网1和交流微电网2之间进行传递，所述配电单元4的公共连接点PCC402的始终处于断开状态。
在充电过程中，所述能量管理单元5实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF和电动汽车充电所需要的总电量QC并比较QF与QC之间的大小然后进入步骤211。
在步骤211中，所述能量管理单元5开始检测QF是否小于QC：如果是则进入步骤212，如果不是则进入步骤213。
在步骤212中，所述能量管理单元5向储能单元12的双向DC/DC变换器 123发送信号并闭合第二断路器124，将储能单元12中储能电池组121所存储的电能经由双向DC/DC变换器123转换成0.40kV的直流电压后送入直流母线L1，从而为电动汽车充电补充电能；如果存在直流快充和交流慢充并行的情况，所述能量管理单元5通过实时监控直流微电网单元1的直流母线L1的电压、电流波动情况在确保直流母线L1电压稳定的前提下向双向AC/DC逆变器3的断路器发送断开信号采取交流慢充延迟的策略优先为直流充电单元13 中的直流充电桩132供电以保障电动汽车直流快充的平稳进行。
在步骤213中，所述能量管理单元5开始检测是否存在QF≥QC或QC＝0的情况：如果存在则进入步骤214，如果不存在则返回步骤211。
在步骤214中，所述能量管理单元5向储能单元12的双向DC/DC变换器 123发送信号并闭合第二断路器124，将直流母线L1富余的电能经由双向 DC/DC变换器123转换成与储能电池组121充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组121中，从而维持燃料电池测试与电动汽车充电的正常进行并抑制直流母线L1和交流母线L2的电压波动以平衡两个母线的电压。
在步骤220中，所述能量管理单元5给直流微电网单元1的燃料电池测试单元11中的燃料电池测试台111发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台111所对应的单向 DC/DC变换器112和第一断路器113发送接通指令将燃料电池测试台111上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器112电压变换为 0.40kV的直流电压后送入直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述能量管理单元5则给直流充电单元13的直流充电柜131发送启动信号，直流充电柜131中的断路器闭合接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩132送入直流电开始为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述能量管理单元5向双向AC/DC逆变器3发送信号将直流母线L1上的直流电逆变成0.38kV的交流电压后输入交流微电网2的交流母线L2，并给交流充电单元21的交流充电柜211发送启动信号，交流充电柜211中的断路器闭合接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩212送入交流电开始为电动汽车进行慢充。
同时，所述能量管理单元5在Q1＞Q′2+Q3或Q3＞Q1+Q2前提下实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF、储能单元12中储能电池组121的荷电状态 SOC和电动汽车充电所需要的总电量QC并比较QF与QC之间的大小，然后进入步骤221。
在步骤221中，所述能量管理单元5开始检测是否存在QF＜QC的情况：如果存在则进入步骤222，如果不存在则进入步骤225。
在步骤222中，所述能量管理单元5继续检测是否存在储能电池组121 的荷电状态SOC降至设定的下限的情况：如果存在则进入步骤223，如果不存在则进入步骤224。
在步骤223中，所述能量管理单元5向配电单元4的公共连接点PCC402 控制器发送PCC402闭合并网信号，将外电网401的电能送入交流母线L2为接于交流充电桩212的电动汽车直接供电和/或经由双向AC/DC逆变器3转换成0.40kV的直流电压后送入直流母线L1，从而为接于直流充电桩132的电动汽车充电。
在步骤224中，所述能量管理单元5继续保持配电单元4的公共连接点 PCC402处于断开状态，并向储能单元12的双向DC/DC变换器123发送信号并闭合第二断路器124，将储能单元12中储能电池组121所存储的电能经由双向DC/DC变换器123转换成0.40kV的直流电压后送入直流母线L1，从而为电动汽车充电补充电能；如果存在直流快充和交流慢充并行的情况，所述能量管理单元5通过实时监控直流微电网单元1的直流母线L1的电压、电流波动情况在确保直流母线L1电压稳定的前提下向双向AC/DC逆变器3的断路器发送断开信号采取交流慢充延迟的策略优先为直流充电单元13中的直流充电桩 132供电以保障电动汽车直流快充的平稳进行。
在步骤225中，所述能量管理单元5开始检测是否存在QF≥QC或QC＝0的情况：如果存在则进入步骤226，如果不存在则返回步骤221。
在步骤226中，所述能量管理单元5继续检测是否存在储能电池组121 的荷电状态SOC升至设定的上限的情况：如果存在则进入步骤227，如果不存在则进入步骤228。
在步骤227中，所述能量管理单元5向配电单元4的公共连接点PCC402 控制器发送PCC402闭合并网信号，将直流母线L1中的电能经由双向AC/DC 逆变器3转换成0.38kV的交流电压后送入交流母线L2然后经由公共连接点 PCC402输出至外电网401。从而确保燃料电池测试和电动汽车充电的有序平稳运行。
在步骤228中，所述能量管理单元5继续保持配电单元4的公共连接点 PCC402处于断开状态，向储能单元12的双向DC/DC变换器123发送信号并闭合第二断路器124，将直流母线L1富余的电能经由双向DC/DC变换器123转换成与储能电池组121充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组121中，从而维持燃料电池测试与电动汽车充电的正常进行并抑制直流母线L1和交流母线L2的电压波动以平衡两个母线的电压。
本发明的实施例内容揭露如上，然而本实施例并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，包括直流微电网单元、交流微电网单元、双向AC/DC逆变器、配电单元以及能量管理单元，所述能量管理单元分别与直流微电网单元、交流微电网单元、双向AC/DC逆变器和配电单元通讯连接，所述直流微电网单元与交流微电网单元通过双向AC/DC逆变器电连接，所述配电单元与交流微电网单元电连接。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述直流微电网单元包括燃料电池测试单元、储能单元和直流充电单元，所述燃料电池测试单元、储能单元和直流充电单元的直流接口连接在直流母线L1上。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述燃料电池测试单元包括燃料电池测试台、单向DC/DC变换器和第一断路器，所述燃料电池测试台中的待测燃料电池的直流输出端与其相对应的所述单向DC/DC变换器的输入端电连接，所述单向DC/DC变换器的输出端通过第一断路器与直流母线L1电连接。
4.根据权利要求3所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述储能单元包括储能电池组、电池管理单元、双向DC/DC变换器和第二断路器，所述储能电池组与所述双向DC/DC变换器的一端电连接，所述双向DC/DC变换器的另一端通过所述第二断路器与直流母线L1电连接，所述电池管理单元通过低压信号线与所述储能电池组连接。
5.根据权利要求4所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述直流充电单元包括直流充电柜和直流充电桩；所述直流充电柜的输入端经由内部断路器与直流母线L1电连接，所述直流充电柜的输出端分别与多个所述直流充电桩的输入端电连接，将直流电压输送给各个所述直流充电桩；所述直流充电桩为电动汽车快充提供指定的直流电压输出端口。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述交流微电网单元包括交流充电柜和交流充电桩；所述交流充电柜的输入端经由内部断路器与交流母线L2电连接，所述交流充电柜的输出端分别与多个所述交流充电桩的输入端电连接，将交流电压输送给各个所述交流充电桩；所述交流充电桩为电动汽车慢充提供指定的交流电压输出端口。
7.根据权利要求6所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述双向AC/DC逆变器的直流端与直流母线L1电连接，所述双向AC/DC逆变器的交流端与交流母线L2电连接，用于实现直流母线L1与交流母线L2之间电能的双向传递。
8.根据权利要求7所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述配电单元包括外部配电网和含有控制器的公共连接点；所述外部配电网经过变压器后通过公共连接点接入所述交流微电网单元的交流母线L2实现与交流母线L2间交流电能的双向传递。
9.根据权利要求8所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***，其特征在于，所述能量管理单元分别通过通讯线与所述直流微电网单元的燃料电池测试单元中的燃料电池测试台和单向DC/DC变换器、储能单元中的电池管理单元和双向DC/DC变换器、直流充电单元中的直流充电桩、所述双向AC/DC逆变器以及所述交流微电网单元的交流充电桩连接，分别通过低压信号线与所述直流微电网单元的燃料电池测试单元中的第一断路器、储能单元中的第二断路器、直流充电单元中直流充电柜的断路器和直流母线L1的电压电流霍尔传感器、所述双向AC/DC逆变器中的断路器、所述直流微电网单元的交流充电单元中的交流充电柜的断路器和交流母线L2的电压电流霍尔传感器以及所述配电单元中公共连接点PCC的控制器连接。
10.一种基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，其特征在于，该方法通过如下步骤实现：
步骤(1)，所述能量管理单元启动自检，并确认所述配电单元的公共连接点处于断开状态，使基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***进入初始离网控制模式；
步骤(2)，所述能量管理单元获取直流微电网单元的燃料电池测试单元中待测燃料电池的个数及测试参数并且确定燃料电池在整个测试过程中所产生的总电量Q1，通过储能单元中电池管理单元获取储能电池组的SOC并且确定储能电池组由当前SOC放电至设定的SOC下限时可放电量Q2和由当前SOC充电至设定的SOC上限时需充电量Q′2，获取待充电电动汽车需要充电的总电量Q3；然后比较Q1、Q2、Q′2和Q3之间的大小：
如果Q1≤Q′2+Q3，且Q3≤Q1+Q2，则进入稳态离网工作模式；
如果Q1＞Q′2+Q3，或Q3＞Q1+Q2，则进入暂态并网工作模式。
11.根据权利要求10所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，其特征在于，所述稳态离网工作模式为：所述能量管理单元给直流微电网单元的燃料电池测试单元中的燃料电池测试台发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台所对应的单向DC/DC变换器和第一断路器发送接通指令将燃料电池测试台上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器电压变换为与直流母线L1相匹配的电压后送入直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述能量管理单元则给直流充电单元的直流充电柜发送启动信号，直流充电柜中的断路器闭合接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩送入直流电开始为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述能量管理单元向双向AC/DC逆变器发送信号将直流母线L1上的直流电逆变成与交流微电网单元的交流母线L2相匹配的电压后输入交流母线L2，并给交流充电单元的交流充电柜发送启动信号，交流充电柜中的断路器闭合接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩送入交流电开始为电动汽车进行慢充。
12.根据权利要求11所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，其特征在于，在稳态离网工作模式下所述能量管理单元实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF和电动汽车充电所需要的电量QC，当检测到QF＜QC时，储能单元中储能电池组所存储的电能经由双向DC/DC变换器转换成规定的电压后送入直流母线L1，从而为电动汽车充电补充电能；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0时，直流母线L1富余的电能经由双向DC/DC变换器转换成与储能电池组充电电压相匹配的电压后输出至储能电池组中，从而维持燃料电池测试与电动汽车充电的正常进行并抑制直流母线L1和交流母线L2的电压波动以平衡两个母线的电压。在燃料电池测试和电动汽车充电的全过程中，燃料电池所产生的电能只在燃料电池测试单元、储能单元、直流充电单元和交流充电单元之间进行传递，所述配电单元的公共连接点始终处于断开状态，整个微网***孤岛运行。
13.根据权利要求10所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，其特征在于，所述暂态并网工作模式为：所述能量管理单元给直流微电网单元的燃料电池测试单元中的燃料电池测试台发送启动信号，按照预设参数和工步对待测燃料电池进行电化学性能测试，同时给燃料电池测试台所对应的单向DC/DC变换器和第一断路器发送接通指令将燃料电池测试台上在线测试的燃料电池所产生的电能经过单向DC/DC变换器电压变换为与直流母线L1相匹配的电压后送入直流母线L1；同步需要对电动汽车进行直流快充时，所述能量管理单元则给直流充电单元的直流充电柜发送启动信号，直流充电柜中的断路器闭合接入直流母线L1，为电动汽车对应的直流充电桩送入直流电开始为电动汽车进行快速充电；同步需要对电动汽车进行交流慢充时，所述能量管理单元向双向AC/DC逆变器发送信号将直流母线L1上的直流电逆变成与交流微电网单元的交流母线L2相匹配的电压后输入交流母线L2，并给交流充电单元的交流充电柜发送启动信号，交流充电柜中的断路器闭合接入交流母线L2，为电动汽车对应的交流充电桩送入交流电开始为电动汽车进行慢充。
14.根据权利要求13所述的基于燃料电池测试与充电桩耦合的微网***的控制方法，其特征在于，在暂态并网工作模式下所述能量管理单元实时获取燃料电池在测试过程中产生的电量QF和电动汽车充电所需要的电量QC，当检测到QF＜QC时，所述能量管理单元优先将储能单元中储能电池组所存储的电能经由双向DC/DC变换器送入直流母线L1为电动汽车充电补充电能，当所述能量管理单元检测到储能电池组的荷电状态SOC已降至设定的下限而电动汽车充电并未完成时配电单元的公共连接点闭合将外电网的电能送入交流母线L2为接于交流充电桩的电动汽车直接供电和/或经由双向AC/DC逆变器送入直流母线L1为接于直流充电桩的电动汽车充电；当检测到QF≥QC或没有电动汽车需要充电即QC＝0时，直流母线L1中富余的电能经由双向DC/DC变换器输出至储能电池组中，当所述能量管理单元检测到储能电池组的荷电状态SOC已升至设定的上限而燃料电池测试仍在进行时配电单元的公共连接点闭合将直流母线L1中的电能经由双向AC/DC逆变器送入交流母线L2然后经由公共连接点输出至外电网。从而确保燃料电池测试和电动汽车充电的有序平稳运行及直流母线L1和交流母线L2的电压平衡。
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CN114123157A (zh) * 2021-11-11 2022-03-01 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 分布式柔性互联与储能一体化充电桩
WO2022187998A1 (zh) * 2021-03-08 2022-09-15 浙江吉利控股集团有限公司 一种供电控制***及其控制方法

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