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浙江工业大学硕士学位论文 飞轮储能式电动汽车充电站关键技术研究 摘要 电动汽车充电站作为重要的基础支撑设施，在电动汽车的普及和大力推广中发挥着 重要的作用。在电动汽车充电站中增加蓄电系统，可实现调节电网峰谷的电能，以减少 电网电能的浪费。国内外几乎没有涉及到上述内容的相关研究。本文根据分布式飞轮储 能电动汽车充电站的构想，在传统电动汽车充电站中增加蓄电系统，对飞轮储能式电动 汽车充电站的基本结构、组成原理等关键技术进行深入的研究。本文的主要工作和成果 如下： l 、根据飞轮储能式电动汽车充电站的总体布局和结构特点，研究充电、蓄电、配 电和辅助用电等四个子系统特性，依据相关标准和技术规范，对飞轮储能式电动汽车充 电站进行总体方案设计和子系统设计。 2 、分析飞轮储能式电动汽车充电站的三种工作模式，建立其工作流程图，确定不 同负荷下的电量方程，考虑各系统的电量损耗，得到整个充电站的充电工作循环数学模 型，以北京标准规定的一级充电站为算例，通过仿真计算得出供电容量和蓄电容量的最 佳配置。 3 、根据飞轮储能系统的运行要求，选取永磁同步电机作为飞轮电池的电机，将对 飞轮储能系统的控制简化为对飞轮电机转速的控制，在永磁同步电机的数学模型基础 上，采用电流和速度双闭环p i 控制，在m a t l a b s i m u l i n k 建立整个飞轮储能系统的控 制模型，并对整体模型进行仿真，仿真表明控制方案是可行的。 4 、分析充电机基本要求、运行模式和基本结构，在高频充电机的结构框图基础上 建立充电机的等效模型，同时在m a t l a b s i m u l i n k 中建立充电机的仿真模型，进而搭 建出整个电动汽车充电站的整体模型。 关键词：电动汽车，充电站，飞轮储能，方案设计，仿真 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nk e yt e c h n i q u e so f e vc h a r g i n gs t a 汀i o nw i t hf ii 冈v h e e l e n e r g ys t o r a g es y s t e m a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ti n f r a s t r u c t u r e ，e l e c t r i cv e h i c l e ( e c h a r g i n gs t a t i o n sp l a ya ni m p o r t a n t r o l eo nt h ep o p u l a r i z a t i o na n dp r o m o t i o no fe v s i no r d e rt or e g u l a t ee l e c t r i c a le n e r g yo ft h e p e a ka n dv a l l e ya n dd e c r e a s ee l e c t r i cp o w e rw a s t eo f 鲥d ，i ti sn e c e s s a r yt oi n c r e a s ep o w e r s t o r a g es y s t e mi ne vc h a r g i n gs t a t i o n t h e r ea r ea l m o s tn ot h er e l a t e dr e s e a r c h e sa b o u tt h e a b o v et h e m eb o t ha th o m ea n da b r o a d i nt h i sp a p e r , b a s e do ni d e ao fe vc h a r g i n gs t a t i o n 丽也d i s t r i b u t e df l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ，t h r o u g hi n c r e a s i n gp o w e rs t o r a g es y s t e mi n t h et r a d i t i o n a le vc h a r g i n gs t a t i o n ，t h ea u t h o rc a r r yo nat h o r o u g hr e s e a r c ho nk e y t e c h n i q u e s o fe vc h a r g i n gs t a t i o nw i t hf l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ，s u c ha st h eb a s i cs t r u c t u r e ， c o m p o s i t i o np r i n c i p l e ，e t c t h em a i nw o r kc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： l 、a c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ll a y o u ta n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co fe vc h a r g i n gs t a t i o n w i t hf l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff o u rs u b s y s t e m s i n c l u d i n gt h e c h a r g i n g ，t h ep o w e rs t o r a g e ，t h ed i s t r i b u t i o na n dt h ea u x i l i a r yp o w e ru s i n gs u b s y s t e ma r e r e s e a r c h e d d e p e n d i n go nt h er e l e v a n ts t a n d a r d sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ，t h eo v e r a l l p r o j e c ta n ds u b s y s t e mo fe vc h a r g i n gs t a t i o nw i mf l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e ma r e d e s i g n e d 2 、t h r e ek i n d so fo p e r a t i n gm o d e so fe vc h a r g i n gs t a t i o nw i mf l y w h e e le n e r g ys t o r a g e s y s t e ma r ea n a l y z e d t h ew o r kf l o w c h a r t si nd i f f e r e n tm o d e sa r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e i r e l e c t r i cq u a n t i t ye q u a t i o n sa r ed e t e r m i n e d a f t e rc o n s i d e r i n gt h ep o w e rd i s s i p a t i o no fe v e r y s u b s y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc h a r g i n gp r o c e s s e si ne vc h a r g i n gs t a t i o na r eo b t a i n e d t a k i n gt h ec l a s sie vc h a r g i n gs t a t i o nw h i c hd e f i n e di nt h eb e i j i n gs t a n d a r da se x a m p l e ， t h r o u g hs i m u l a t i n ga n dc a l c u l a t i n g ，t h eo p t i m a la l l o c a t i o nb e t w e e nt h ep o w e rs u p p l yc a p a c i t y a n dt h ep o w e rs t o r a g ec a p a c i t yi sg o t t e n 3 、a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ef l y w h e e le n e r g ys t o r a g es y s t e m ， p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) i ss e l e c t e da sam o t o ro ff l y w h e e lb a t t e r y , t h e nt h ec o n t r o lo ff l y w h e e ls y s t e mw i l lb es i m p l i f i e dt ot h ec o n t r o lo fm o t o rs p e e di np m s m b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m ，a f t e ru s i n gd o u b l e c l o s e d l o o pp ic o n t r o lo f c u r r e n ta n ds p e e d ，t h ew h o l ec o n t r o lm o d e lo ft h ef l y w h e e le n e r g y s t o r a g es y s t e mi s a b s t r a c t e s t a b l i s hi nm a t l a b s i m u l i n k t h r o u g hs i m u l a t i n g ，t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h e c o n t r o ls c h e m ei sp r o v e d 4 、t h eb a s i cr e q u i r e m e n t ，t h eo p e r a t i o nm o d ea n db a s i cs t r u c t u r eo fc h a r g e ra r ea n a l y z e d t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fc h a r g e ri se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fs t r u c t u r e d i a g r a mo f h i g h f r e q u e n c yc h a r g e r t h e n s i m u l a t i o nm o d e lo ft h e c h a r g e r i se s t a b l i s h e di n m - a t l a b s i m u l i n k , t h e no v e r a l ls i m u l a t i o nm o d e lo fe vc h a r g i n gs t a t i o ni sb u i l t k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，c h a r g i n gs t a t i o n ，f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e ，p r o j e c td e s i g n ， s i m u l a t i o n 1 i i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着石油等不可再生能源的持续减少，能源问题已成为全球关注的焦点，节能减排 是未来各国发展的必然趋势。汽车工业在整个工业体系中具有举足轻重的地位，而燃油 汽车带来了石油危机、环境污染等诸多问题，因此电动汽车的发展势在必行。电动汽车 充电站作为重要的基础支撑设施，在电动汽车的普及和大力推广中发挥着重要的作用。 电网峰谷差是电力系统中一个严重的问题。根据预测，到2 0 2 0 年，上海市电动汽 车的电力需求的预测将达到7 3 7 亿千瓦时，而实际的电量需求为8 0 1 亿千瓦时。此时 上海电网的峰谷差占最高负荷的比率将大于4 1 左右，比“十一五电网规划”预测低9 左右，年平均峰谷差约为1 4 2 8 万千瓦【1 1 。 在电动汽车充电站中增加蓄能系统，以实现调节电网峰谷的电能，减少电网电能的 浪费。国内外相关研究几乎没有涉及到上述内容。飞轮储能作为一种先进储能技术，具 有储能密度高、功率大、效率高、寿命长、无污染等优点 2 】。电动汽车充电站中安装储 能飞轮作为蓄能系统，该系统在电网波谷时蓄电、波峰时放电，可完成对电网的调峰作 用。 2 0 1 0 年7 月，北京市出台了国内首个电动汽车充电站的地方标准【3 】，这对充电站 的建设和规范具有重大的意义。在该标准的基础上对飞轮储能式电动汽车充电站进行研 究，不仅对正在建设的充电站项目有指导意义，而且也能大大优化电网电能的利用。 1 1 1 电动汽车概述 电动汽车是全部或者部分以车载电源为动力系统，用电机驱动车轮行驶的车辆。根 据汽车的驱动原理，可划分为纯电动汽车( b e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 和燃料电池电动 汽车( f c e v ) - - - 种类型【4 1 。 和传统的燃油汽车相比，电动汽车的结构特点是灵活，其灵活性源于电动汽车的以 下特点： 第1 章绪论 电动汽车的能量主要通过柔性的电线而非通过刚性联轴器传递，因此电动汽车各部 件可灵活布置； - 电动汽车驱动系统的布置( 如轮毂电动机驱动系统和独立的四轮驱动系统) 会大大 影响到电动汽车的系统结构，不同类型的电动机( 如交流电动机和直流电动机) 会影响 到电动汽车的质量、尺寸和形状；同样，不同类型的储能装置( 如燃料电池和蓄电池) 也会影响电动汽车的质量、尺寸和形状； 补充能源装置不同，相应的硬件和机构也不同，如蓄电池既可用接触式或者感应式 充电机完成充电，也可使用快速更换电池的方法，再对更换后的电池进行集中充电。 电动汽车通常可由三个子系统构成，包括电力驱动子系统、主能源子系统与辅助控 制子系统等【5 】。而电力驱动子系统可由电子控制器、功率转换器、电动机、机械传动装 置和驱动车轮等构成；能源子系统由能量源、能量管理系统和充电系统构成；辅助子系 统由动力转向单元、温度控制单元和辅助动力源等构成。其系统结构如图1 1 所示。 图1 - 1电动汽车基本结构图 1 1 2 电动汽车的能量源 电动汽车能量源的主要任务提供驱动电能，多种能量源可应用于电动汽车，主要有 以下几种类型：蓄电池、燃料电池、超级电容和飞轮电池 6 1 。其中，蓄电池、超级电容 2 浙江工业大学硕士学位论文 和飞轮电池为能量存储系统，外界对其充电来实现储能，而燃料电池是能量生成装置， 通过化学反应来产生电能。蓄电池价格合理、技术成熟，是目前电动汽车的主流能量源； 燃料电池和超级电容具有良好的应用前景，是电动汽车能量源选用的中期目标，飞轮电 池也是电动汽车能量源的一种选择。 蓄电池 蓄电池是电动汽车能量源的主要选择。其基本组成为电池单体，若干电池单体通过 串联组成蓄电池。电池单体由电池正极、负极和电解液构成。当放电时，负极发生了氧 化反应向外界电路释放出电子，而正极发生了还原反应，从外界电路得到电子。当充电 时，过程完全相反。能够使用在电动汽车上的蓄电池有镍基电池、铅酸电池、钠1 3 电池、 金属空气电池以及锂电池等。 燃料电池 燃料电池的基本化学原理是水电解反应的逆过程，即氢氧反应产生电、水和热。通 常，燃料电池由正负极电极、电解质和催化层构成。按照电解质的不同，燃料电池可分 为磷酸型p a 、质子交换膜型p e m 、碱性型a 、熔融碳酸盐型m c 和固体氧化物型s o 等。燃料电池能够高效率地把燃料转化为电能，工作安静，零排放或低排放，产生的剩 余热量可以再次利用，补充燃料迅速，同时燃料易于获得，工作持久可靠。 超级电容 超级电容是为了满足混合电动汽车能量和功率实时变化要求而提出的一种能量存 储装置。实现超级电容概念的主要措施是采用双层电容技术。原理是当在电极上加上电 压时，由于电解质分子的趋耦和排列作用，在两个电极的表面形成一个双层电容。电容 器的这种极化作用可以储存电能。根据电极材料的不同，可分为金属氧化物和碳类超级 电容。 飞轮电池 飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池，包括电机发电机、功率转换器、 飞轮、磁悬浮轴承和真空壳体。飞轮储能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能量 等优点，并且充电快捷，充放电次数无限，对环境无污染。但是，飞轮储能的维护费用 相对其他储能方式要昂贵得多。 第1 章绪论 1 2 电动汽车充电站发展现状及趋势 1 2 1电动汽车充电的基本方式 常用的电动汽车充电方式有慢充、快充和快换三种【7 】，【8 】，其特点如下表所示： 表1 1三种充电基本方式特点 根据电动汽车充电方式的不同，电动汽车充电设施可以分为充电桩、充电站和换电 站三种类型【9 1 。 充电桩可分为交流充电桩和直流充电桩，交流充电桩( a cc h a r g i n gp o i n t ) 为固定 安装在电动汽车外、与交流电网连接，为电动汽车车载充电机提供交流电源的供电装置； 而直流充电桩( d cc h a r g i n gp o i n t ) 为固定安装在电动汽车外，与交流电网连接，为电 动汽车动力电池提供小功率直流电源的供电装置。 充电站为由三台以及三台以上非车载充电机与交流充电桩构成( 非车载充电机数量 必须超过一台) ，能够进行电动汽车的充电和电池更换服务，同时可以在充电过程中实 现充电机、动力蓄电池的状态监控的设施。 换电站则为用户提供更换电池和电池维护服务，主要设备为电池拆卸、安装设备， 具有操作专业性强、更换电池时间短、占用场地面积小等特点。 1 2 2 国内外电动汽车充电站发展现状 到目前为止，我国电动汽车充电站通常使用在电动公交车或者集团内部用车，由于 电动汽车的应用尚未普及，面向各种类型用户的充电站服务网络尚未形成。己建成典型 充电站如下【l o 】： 2 0 0 6 年，比亚迪公司在深圳建设首个电动汽车充电站。 2 0 0 8 年，为迎接奥运会，北京市建设国内首个集中式充电站，能够同时满足5 0 辆 4 浙江工业大学硕士学位论文 纯电动公交的蓄电池充电需求。 2 0 0 9 年1 0 月，上海市建成上海漕溪电动汽车充电站，这是国内第一个具备商业运 营功能的电动汽车充电站。 2 0 0 9 年底，北京首科集团于健翔桥建成国内首个包含完整智能微网的纯电动汽车示 范充电站。 2 0 0 9 年1 2 月3 1 日，南方电网在深圳建成首批电动汽车充电站( 桩) ，建设规模为 2 个充电站和1 3 4 个充电桩。 2 0 1 0 年3 月3 1 日，国家电网唐山南湖充电站建成使用，为我国第一座国家电网设 计的充电站，能同时为1 0 辆电动汽车进行快充和慢充两种充电作业。 2 0 1 0 年起，全国电动汽车基础设施建设和规划开始超快速发展，国家电网、南方电 网、中石油、中石化和中海油等大型央企都分布了电动汽车充电设施建设规划和意向。 2 0 1 0 年1 月2 7 日，国家电网公布社会责任报告，计划在2 7 个省市( 区) 全面推进 电动汽车充电站建设，在2 0 1 0 年年底拟建公用充电站7 5 座、交流充电桩6 2 0 9 台以及 部分电池更换站。 南方电网公司将深圳列为首批能源汽车试点城市。到2 0 1 2 年，深圳规划建设各类 电动汽车充电站1 2 7 5 0 个，其中公交充电站5 0 座，社会公共快速充电站2 0 0 座，公务 车充电桩2 5 0 0 个，社会公共慢速充电桩1 0 0 0 0 个。 综观全球，美国、英国、法国、日本、以色列等发达国家也大力发展电动汽车，充 电站建设如火如荼【1 1 】。2 0 1 0 年8 月，北美首个公用电动汽车快速充点站在波特兰落成， 该充电站由日本电器公司建造，由波特兰发电公司安装在停车场，可在2 0 一3 0 分钟内为 电动汽车锂电池充入8 0 的电量【1 2 】。日本j f e 工程公司正在开发一种快速充电系统，可 在3 分钟内在锂电池中充入5 0 的电量【1 3 1 。 1 2 3 国内外电动汽车充电站研究现状 北京交通大学的电池管理团队长期进行电动汽车的蓄电池管理系统核心技术的研 发和工程应用，在国家“十五”规划时承接“8 6 3 ”电动汽车重大专项里的x l 纯电动轿车 的电池管理系统以及e q 6 1 1 0 h e v 混合动力城市公交的电池管理系统【1 4 】，【1 5 1 。作为北京纯 电动汽车运行示范线路充电站建设的规划设计单位，北京交通大学研制了大功率高频充 电机，适用于锂离子、铅酸电池等蓄电池的充电控制系统和车载电池管理系统及其相关 通信协议，同时也建立了地面监控网络系统，含2 8 台充电机，整个电动汽车充电站已 5 第1 苹绪论 经安全运行了4 年【1 6 】。 黄李等结合2 0 0 8 年奥运会电动客车充电站的运营，对充电站的布局、规划和运营 思路进行分析，同时分析了充电站的电气设计，计算充电站的总谐波畸变率，为充电站 的建设提供了依据和技术支剩1 7 】，【1 8 】。 王云艳等根据北京市电动汽车充电站管理系统，设计基于4 8 5 网络的信息管理系统 ( m i s ) ，依据电动汽车充电站的系统要求，为了正确设置充电机的参数并合理进行充放 电的控制，介绍一种数据库系统的开发方式，以完成人机界面的对话和并对数据库进行 管理以及打印，并能判断充电机的状态并进行故障诊吲1 9 】。 黄梅、黄少芳等研究接入电力系统后电动汽车充电站对公共电网产生谐波的特点和 计算方法，通过充电站( 机) 谐波计算仿真模型，通过仿真数据来讨论充电站的谐波特 点，提出简化后的充电站谐波工程算法，其中用线性分段函数来等效充电机等值非线性 电阻，计算充电周期内的谐波最大值以及谐波变化特性冽，【2 1 】，瞄】。 牛利勇等建立纯电动汽车高频充电机的等效模型的方法，研究了大功率高频充电机 产生的电流谐波的构成以及影响电流谐波含量的主要因素，在此基础上建立了仿真模 型，以分析纯电动公交充电站的谐波电流污染与供电网和用电设备问题，并以该模型进 行了电动公交和蓄电池参数的充电站谐波电流仿真分析【2 3 1 。 北京理工大学王震坡等根据电动公交客车的运行机制及动力电池的充电功率需求 变化特性，建立电动公交客车充电站容量需求的数学模型，分析电动公交客车充电站配 电容量的影响因素，在等间隔和变间隔充电机制下，通过仿真计算充电站的配电容量需 求和电动公交客车车队的充电机制，可为确定电动汽车的实际充电运行机制和充电站的 容量需求提供理论依据【2 4 】。 同时王震坡等对将加油站改装成加油充电站的风险分析进行了研究。在现有的汽油 加油站扩展充电服务，既可以节约土地成本，也可以加快充电站的建设。该文献首先分 析- j 力n 油站与充电站的异同，并进一步分析将加油站改装成加油充电站的风险，如国家 政策风险、管理风险、市场风险和技术风险，最后讨论了不同的建设模式，并给出了可 行的建议【2 5 】。 王震坡等根据中国电网的峰谷状态和电动汽车的发展趋势，分析了电动公交车充电 站的使用和对电网的贡献，并研究发展电动汽车来调节电网峰谷的潜力。文献同时分析 不同储电站的总效率，并提出一种储电式电动汽车充电站，来解决电动汽车和基础设施 之间的矛盾，研究其运行模式，为电动汽车和电网调峰提供新的思路【2 6 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 华北电力大学寇凌峰等建立电动汽车充电站选址的最佳费用模型，以确定充电站的 规模及位置，用居民负荷分布情况来实际模拟电动汽车数量，采取层次分析法确定站址 的权重，在变电站与充电站址的距离、充电站安装费用、电动汽车数量等因素的约束下， 将充电站运营费用、网损费用和充电站的配电变压器投资加入到目标函数。模型中针对 电动汽车的充电电价选择实时电价，对某假设算例应用粒子群算法进行优化求解，最终 验证了最优费用模型有效【2 7 1 。 美国特拉华大学z h e n gl i 等提出一种电动汽车车用便携式充电站网络的概念。文献 给出了最优充电站调度系统，并仿真模拟其在单一高速公路，二条相交的高速公路和曼 哈顿网格交通模型中的性能，评估其储运损耗概率和等待服务的延迟表现，同时研究了 便携式充电站的数量对储运概率和等待服务的影响。仿真结果可进一步应用在更真实的 随机结构的交通模型中【2 8 1 。 三菱电机研究实验室s a h i n o g l uz a f e r 提出动态定价能量的车载便携式充电站的网络 管理。这项工作涉及便携式充电站网络中悬而未决的问题：最优调度下的电动车之间的 买方和卖方的动态定价策略，提出给定约束下实用的单纯能量激励模型，同时给出一种 最优能量调度系统，和在该条件下的定价策叫2 9 1 。 文献 3 0 3 1 设计了一种光伏电动汽车充电站，其总体目标是利用太阳能为市区电动 汽车充电，在停车场6 个角度的弧形项盖安装9 2 4 v 的光伏发电机，用两种充电塔来管 理能量流动、用户控制和系统监控，两个连接电网的逆变器为电动汽车充电并将多余电 量反馈电网，该设施已被设计为便携式以作为示范演示。 深圳市出台的电动汽车充电系统技术规范第6 部分对充电站监控管理系统做出 相应规定。该标准规定：充电站监控系统由网元层、站级监控层和网络管理层组成；并 给出单网结构和双网结构两种监控管理系统典型结构副3 2 1 。 与此同时，v 2 g ( v e h i c l et og r i d ，即车辆到电网) 技术正成为一个研究热点【3 3 】，【3 4 】。统 计数据表明，通常只有1 0 的时间乘用车处在行驶状态，其余时间则处于闲置状态。而 v 2 g 技术是指在电动汽车停驶状态时让其接入电网，同时与电网之间可实现电能与信息 双向的交换关系。电动汽车可作为分布式储能单元，在对自身续驶里程要求不造成影响 的前提下( 如车载电池s o c 始终不低于7 0 ) ，当电网负荷低谷时段对车载蓄电池进行 充电，而当电网负荷高峰时段车载蓄电池将一部分电能反馈给电网。智能电网实现以及 大规模应用以后，电动汽车能够起到给电网储能和控制用电负荷的作用，且在停电时还 可以作为电网备用电源，从而实现对电网的削峰填谷。2 0 0 7 年1 0 月，以美国特拉华大 7 第1 章绪论 学w i l u e t tk e m p t o n 教授为首的研究团队，成功将一辆电动汽车接入电网，同时接受相 应的调度指令。试验结果显示，电动汽车能够用作调峰发电设备，一年内每辆电动汽车 能给电力公司带来4 0 0 0 美元的经济效益【3 5 】， 3 6 】。文献【3 7 】提出使用v 2 g 技术实现的未来 家用不间断可再生能源系统，该系统由光伏、插电式混合动力汽车和各种房屋负载构成。 当插电式混合动力汽车接入时，该系统作为房屋的不间断电源，能够在独立模式下工作， 并能和电网保持信息同步。 浙江工业大学谢伟东教授提出分布式飞轮储能电动汽车充电站的构捌3 8 1 ，将现有技 术的快速充电站中的a c d c 变换器，用飞轮储能装置取代，从而组成了飞轮储能快速 充电站，这种飞轮储能装置既有储电功能，同时还具有a c d c 变换功能，既可以有效 避免对电网的瞬时大功率需求和冲击，又可以错峰用电，大大降低用电成本。该技术发 明已申请国家专利。 1 3 研究内容 为满足电网高峰用电与低峰用电时电力负荷超过1 0 以上的功率差，可采用电动汽 车充电站的蓄电系统进行调峰。储能式电动汽车充电站一般由充电、蓄电、配电和辅助 用电四个子系统组成，由于飞轮储能具有输入输出能量迅速，可就近分散放置，不污染 和破坏环境等优点，充电站的蓄电系统可由飞轮电池组成。本论文在传统电动汽车充电 站中增加蓄电系统，对飞轮储能式电动汽车充电站的基本结构和组成原理进行深入的研 究，提出一些新的思路和方法，为下一步的研究奠定基础。本文研究的关键技术包括： ( 1 ) 充电站的总体结构设计、工作模式分析以及提出的典型设计方案实例；( 2 ) 为得 到充电站在一定约束条件下供电和蓄电容量的最佳配置，建立充电站工作循环的数学模 型；( 3 ) 建立的整个飞轮储能系统控制模型和电动汽车充电站的整体模型，以备飞轮储 能电动汽车充电站进一步研究。本论文的主要内容如下： 1 、第1 章叙述了课题的研究背景和意义，主要查阅了相关国内外参考文献，跟踪调 查国内外电动汽车以及电动汽车充电站的研究状况、发展趋势以及面临的问题，指出分 布式飞轮储能电动汽车充电站的重要优势，并对确定研究内容和技术路线。 2 、第2 章根据飞轮储能式电动汽车充电站的总体布局和结构特点，研究充电、蓄电、 配电和辅助用电等四个子系统特性，根据相关标准和国家电网电动汽车充电站典型设 计，对飞轮储能式电动汽车充电站进行总体方案设计。 3 、第3 章分析飞轮储能式电动汽车充电站的三种工作模式，针对每种工作模式，建 浙江工业大学硕士学位论文 立其工作流程图，根据电量的流向确定不同负荷下的电量方程，考虑各系统的电量损耗 以后，得到整个充电站的充电工作循环数学模型，根据北京标准规定的一级充电站，通 过仿真计算得出供电容量和蓄电容量的最佳配置。 4 、第4 章根据飞轮储能系统的运行要求，选取永磁同步电机作为飞轮电池的电机， 将对飞轮储能系统的控制简化为对飞轮电机转速的控制，在永磁同步电机的数学模型基 础上，采用电流和速度双闭环p i 控制，在m a t l a b s i m u l i n k 建立整个飞轮储能系统的 控制模型，分析四个子模块，并对整体模型进行仿真，通过仿真证明控制方案是有效并 可行的。 5 、第5 章分析充电机基本要求、运行模式和基本结构，在高频充电机的结构框图基 础上建立充电机的等效模型，同时在m a t l a b s i m u l i n k 中建立充电机的仿真模型，进 而搭建出整个电动汽车充电站的整体模型，以备飞轮储能式电动汽车充电站进一步研 究。整个研究内容的技术路线可见图1 2 。 图1 - 2 技术路线 9 第2 章飞轮储能式电动汽车充电站总体系统设计 第2 章飞轮储能式电动汽车充电站总体系统设计 2 1 充电站设计原则 1 、兼顾经济效益和社会效益用 在对充电站进行建设论证时，必须充分考虑其建设成本和运行成本。第一，进行电 网规划时要充分考虑电动汽车充电需求，就近建设变配电站，同时也要考虑电网昼夜存 在峰谷差，要提高负荷利用率；第二，在进行整座城市的充电站规划时，既要计算单个 充电站的建设成本、运行成本和经济效益，更要综合兼顾社会效益。 2 、满足相关规范 充电站的功能是有效地对电动汽车车载电池进行电能补给，为实现这一功能，充电 站的充电系统、配电系统、电池管理系统和监控管理系统的结构、设备性能和接口一定 要满足相关国家标准和技术规范。 3 、考虑通用性和扩展性 由于电动汽车动力电池的国际标准尚未确立，各厂家生产的动力电池也各不相同， 铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池的性能也不尽相同，即使是同类型的电池，充电曲线 和使用性能也不尽相同。所以，设计充电站时要保证通用性和可扩展性。 4 、考虑充电智能化 电动汽车产业化和推广普及要求充电站的操作过程不能繁琐，所以，充电站的充电 设施应保证安全、操作简单，使电动汽车驾驶员能尽快学会，让没有相关专业知识的车 辆驾驶员能安全使用。 5 、满足安全要求 设计充电站必须保证设备和人身的安全。安全性不仅要考虑充电设备，如充电站和 充电机，也要考虑被充电设备，如电动汽车、蓄电池，尤其要保证充电站工作人员和电 动汽车驾驶员的人身安全。 6 、满足环保要求 充电站的运营会对周围的环境造成影响，如噪声、电磁干扰、安全危害等。设计充 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 电站时，要尽可能减少其对环境造成的不良影响，以保证该区域的环保要求。另外，有 电力测量仪器等敏感设备的区域，要保证充电站的运行尽量不影响设备的正常运行。 2 2 充电站总体结构设计 2 0 0 8 年奥运会电动车充电站采用电池更换方式，主体采用的是封闭式充电间，该充 电间由配电站、监控室、充电机、充电平台、电池更换库、维护车间和更换电池区等构 成【8 1 。其主要工作包括四个方面：更换电池、充电、维护和电池编组。总体运作流程图 如下： 车进站 否尺 是 准备整车充卜卜 o 时，电机处在电动机模式；若t m o 时，电机处在发电机模式。p m s m 模块的输出 量都是测量向量，各向量定义为： l 3 ：定子三相电流i 。，i b ，i c ，a ；4 5 ：q 轴和d 轴定子电流i q ，i d ，a ：6 7 ：q 3 9 第4 章飞轮储能系统的仿真研究 轴和d 轴定子电压u q 、u d ，v ；8 ：转子角速度m ，r a d s ；9 ：转子的位置角0 ，r a d ：1 0 ： 电磁转矩t 。，n m 。 需要设置的p m s m 本体参数包括：定子电阻r ，q ；交直轴定子电感l d 、l 帕，h ； 转子磁场磁通m ，w b ；转动惯量j ，k g m 2 ；粘滞摩擦系数b ，n m s ；电机的极对数p 等。 p _ 仃墟n 鲁m l b g f 融 s 驴嘲“t 蛐b 曲i 图4 _ 5 永磁同步电机( p m s m ) 本体模块 4 3 2 坐标变换模块 d q a b c 坐标变换模块能够实现三相坐标和两相同步旋转坐标之间的转换，即根据转 子的位置角8 ，按照d q a b c 变换的反变换公式可产生三路基准信号，d q a b c 变换的反变 换公式如下： 阡 c o s p s i l l 口1 c o s ( 口一詈万) 一s i i l ( 目一吾万) 1 j j ， ， c o s ( e + - 争r ) 一s i l l ( 护+ 妄刀) 1 ， j ( 4 1 5 ) 式中含有零序分量，但在对称三相条件下，不存在零序分量，其坐标变换模块如图 4 6 所示。 图4 - 6 坐标变换模块 浙江工业大学硕士学位论文 对f c n 、f c n l 和f c n 2 的参数设置如下： 图4 7f c n 参数设置 图禾8f c n l 参数设置 ，簟 g _ n l - t 憾岫h l 础v 。v 。- t hi ，时州# ht - - t 自_ “：t k 工：- 坤1 2 - ；2 】j ，_ r 竹 t ，l 蟹啊霉喷纂碧算舅黛翼舅翻舅黑。 ，t t 啦 1 船j a b 酵， 耐 图舢9f c n 2 参数设置 4 3 3 双闭环p i 控制模块 为了能够防止运行时出现的过流现象，本文选用电流、转速双闭环p i 控制，也对 转速进行外闭环进行控制，对电流采用内闭环控制。对于电流p i 控制模型，令i d * = o ， p i 控制的作用就是让i d 宰与1 d 取偏差，使实际电流不断地跟踪指定电流【5 5 】；而速度p i 控 制模型，其输入端是实际转速和参考转速之间的差值，输出端则是三相参考电流幅值， p i 控制的作用就是通过比较转速误差，使实际转速不断跟踪给定转速值，从而对速度进 行闭环控制，为了将输出的三相参考电压相电流幅值限定在要求的范围之内，因此需要 加上s a t u r a t i o n 饱和限幅模块。 图4 - 1 0 电流p i 控制模型 4 1 第4 章飞轮储能系统的仿真研究 图4 1 1 速度p i 控制模型 4 3 4p w m 模块 p w m 逆变器是电机调速控制系统关键部件，可完成控制信号到电机输入电能的控 制。本文选用电流滞环p w m ，输入为三相实际电流i 。、i b 、i c 和三相参考电流i a * 、i b * 、 i c 幸，输出为逆变器电压信号。若实际电流大于参考电流，且偏差大于滞环比较器的环宽 时，则使对应相正向关断，负向导通，从而减小控制电流；若实际电流小于参考电流， 且偏差大于滞环比较器的环宽时，要使对应相正向导通，负向关断，从而增大控制电流。 通过设置合适的滞环环宽，让实际电流随时跟踪参考电流，从而实现电流的闭环控制【5 5 】。 p w m 模块如图4 1 2 所示。 图4 - 1 2p w m 模块 而c o m p a r 、c o m p a r l 和c o m p a r 2 的子系统如图4 1 3 所示。 图4 - 13 c o m p a rs u b s y s t e m 4 2 浙江工业大学硕士学位论文 l 一一- - 一 4 3 5 飞轮电池控制系统的仿真模型 综合以上四个子模块，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立整个飞轮控制系统的仿真模型， 采用电流和速度的双闭环p i 控制，如图4 1 4 所示。 图4 - 1 4 飞轮储能系统仿真模型 4 4 飞轮控制系统仿真研究 4 4 1 参数设置 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了永磁同步电机的仿真模型，电机参数设置如下： 表4 _ l飞轮储能系统电机参数设置 一_ - _ _ - _ _ - _ - _ - _ _ _ l _ - _ - - - - _ - _ - 一 电机参数 数值 定子相绕组电阻为r l 定子d 相绕组电感k 定子q 相绕组电感k 转动惯量j 转子磁链 极对数p i d l 幸 f 额定转速n 4 4 2 结果分析 将转子转速设定为1 0 0 0 0 r m i n ，在0 0 3 s 时负载转矩迅速从1 0 n m 减少到0 ，通过 仿真，得到双闭环p i 控制的飞轮电机转速、转矩和定子电流的特性曲线图。 4 3 m 丑 c；锕舛她讪 = 薹 讹跚跚呶姗 ；薹 船 舶 舯 舳 m a 似 z n o 0 o 4 o o 1 第4 章飞轮储能系统的仿真研究 八九n n 。n t 歹u y 伊y 。 ”。”y 。，v v “ 卜 卜 浙江工业大学硕士学位论文 根据对飞轮电机转速的仿真曲线的观察，当电机启动之后暂态过程非常短，少于 0 0 1 s ，然后转速很快升高到1 0 0 0 0 r m i n ，不过转速含有超调量，在0 0 1 5 s 以后转速才逐 渐稳定在1 0 0 0 0 r m m 左右，而由于负载瞬时变小，在0 0 3 s 的时候，造成转速再次出现 微小变动，大致在0 0 3 5 s 之后，转速开始平稳在10 0 0 0 r m i n 。 启动电机时，电机电磁转矩剧烈增大到3 0 n m 以上，经过0 0 2 5 s 波动以后，转矩 开始平稳运行在1 0 n m ，而在0 0 3 s 时，因为负载瞬时变小，导致转矩也再次出现变动， 大致在0 0 4 5 s 之后，转矩开始平稳在o n m 。 同时也可以观察到转矩和定子电流的特性，在滞环宽度内，定子电流实际值和指令 值总存在着相当的误差值，由于存在着电流滞环p w m ，转矩输出存在很大的波动，然 而这种波动对转矩的整个变化趋势影响不大。这表明，在合理的p i 控制下，输出转矩 能够时时追踪负载的转矩，同时能够围绕在负载的大致范围内上下变动。 4 5 本章小结 本章主要讨论飞轮储能系统的仿真，根据飞轮储能系统的运行要求，选取永磁同步 电机( p m s m ) 作为飞轮电池的电机，将对飞轮储能系统的控制简化为对飞轮电机转速 的控制，在永磁同步电机的数学模型基础上，采用电流和速度双闭环p i 控制，在 m a t l a b s i m u l i n k 建立整个飞轮储能系统的控制模型，分析四个子模块，并对整体模 型进行仿真，仿真表明控制方案是可行的。 4 5 第5 章基于m a t l a b s i r n u l i n k 的电动汽车充电站仿真模型 第5 章基于m a t l a b s i m u l i n k 的电动汽车充电站仿真 模型 5 1 充电机分析 5 1 1 充电机基本要求 电动汽车的充电机可接受来自供电电源的电能，同时通过适当的方法提供给蓄电 池，可看作供电电源和蓄电池之间的功率转换接口。其基本要求如下【5 6 】，【5 7 】： 1 、充电过程中充电机能够保证蓄电池单体电压、温度以及电流低于允许值；充电 机能够防止输出短路，也能防止反接；充电机能够为锂离子电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄 电池中的一种或几种进行充电。 2 、充电机以隔离桥式d c d c 变换器为主体结构；控制系统可由单片机和驱动板构 成；内部包含输入输出电能计量装置。 3 、具有恒流和恒压两种工作模式；能够对充电过程实施多模式控制；具有计算机 远程监控能力。通过充电机的隔离4 8 5 通信接口形成充电站监控网络，以记录并监控各 台充电机的运行状况、控制充电机的开关。 4 、拥有并联运行的能力，两台或两台以上充电机可并联运行；具备完善