一种充电站智能负载均衡节能控制系统的制作方法

本发明涉及充电站负载均衡控制，具体为一种充电站智能负载均衡节能控制系统。

背景技术：

1、充电站内多台充电桩同时工作时，负载均衡与节能控制通常依赖对各充电桩输出电压、输出电流和功率因数的采集，并按照预设分配规则或集中调度算法生成调节量。现有控制方式多采用单桩独立调节、固定比例功率分配或基于瞬时电流的简单反馈控制。在充电桩数量较多、车辆充电功率变化频繁的场景下，上述方式难以及时协调站内各充电桩的功率输出，变压器容量利用不均衡，部分充电桩轻载而另一些接近满载，线路损耗增加。

2、现有技术对充电桩之间电气耦合关系的刻画不足。多台充电桩接入同一低压母线和配电线路后，某一充电桩的电流变化会通过母线电压和线路阻抗影响其他充电桩的运行参数，这种影响随负荷波动而改变。固定分组或静态权重控制无法反映动态耦合关系，使得调节策略与实际电气运行状态不一致。负载需求预测多依赖单桩历史电流曲线或充电阶段估算，未引入桩间耦合信息，预测电流增量存在滞后和偏差，功率分配不能提前响应负荷迁移。

3、在调节量生成方面，现有方法常以当前电流偏差或平均分配方式确定各充电桩调节量，未考虑不同充电桩在耦合拓扑中的影响范围差异，调节权重难以匹配各桩的实际扰动贡献，容易造成部分充电桩调节过度或不足。部分方案通过充电站级能量管理系统统一调度，通信延迟和集中计算耗时使调节指令滞后于快速变化的充电需求。另有方案根据变压器实时负载率进行削峰，但未考虑各充电桩之间的相互扰动，削峰过程容易牺牲部分充电桩的充电速度。由于缺乏对动态耦合关系、需求预测和调节量生成的连续处理，负载均衡控制的节能效果受到限制。

技术实现思路

1、针对现有充电站负载均衡控制中缺乏充电桩间动态电气耦合关系量化和需求预测滞后的问题，本发明提供一种充电站智能负载均衡节能控制系统，利用输出电压波动序列和功率因数波动序列构建动态拓扑矩阵，将耦合权重引入电流增量预测，依据需求电流增量和节点度生成调节权重，并输出脉宽调制占空比调节量，从而改善多桩负载均衡精度和节能效果。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种充电站智能负载均衡节能控制系统，包括参数实时采集模块、动态拓扑构建模块、负载需求预测模块、均衡调节策略生成模块和调节指令输出模块。

3、参数实时采集模块用于以固定采样周期采集各充电桩的输出电压、输出电流和功率因数。优选的，固定采样周期为20毫秒，同步采集站内所有充电桩的输出电压瞬时值、输出电流瞬时值和功率因数瞬时值，并将采集到的瞬时值按照采样时间顺序分别缓存至各充电桩对应的电压环形缓冲区、电流环形缓冲区和功率因数环形缓冲区；各环形缓冲区存满时，生成各充电桩的电压时间序列、电流时间序列和功率因数时间序列。各环形缓冲区的长度均为50个采样点。通过同步采集和时序缓存，使动态拓扑分析所依据的数据在时间上保持一致，减少采集不同步对耦合关系判断造成的干扰。

4、动态拓扑构建模块用于根据各充电桩的输出电压波动序列和功率因数波动序列，构建反映各充电桩之间电气耦合关系的动态拓扑矩阵。作为本发明的一个技术方案，从各充电桩的电压时间序列中提取相邻采样点之间的电压差值，组成电压波动序列；从各充电桩的功率因数时间序列中提取相邻采样点之间的功率因数差值，组成功率因数波动序列；计算任意两个充电桩的电压波动序列之间的第一关联系数，以及功率因数波动序列之间的第二关联系数；将第一关联系数与第二关联系数的乘积作为该两个充电桩之间的耦合权重，填充至动态拓扑矩阵中对应位置。第一关联系数根据两个电压波动序列的协方差与各自标准差乘积确定，第二关联系数根据两个功率因数波动序列的协方差与各自标准差乘积确定。该动态拓扑矩阵能够反映电压和功率因数两个维度波动相关性综合确定的耦合强度，提高充电桩间电气耦合关系识别的准确性。

5、负载需求预测模块用于根据动态拓扑矩阵中各节点之间的耦合权重，将各充电桩的实时输出电流映射至预测时间段，获得各充电桩在预测时间段内的需求电流增量。优选的，选取动态拓扑矩阵中与目标充电桩的耦合权重大于预设阈值的其他充电桩，组成目标充电桩的关联桩集合；获取关联桩集合中各充电桩在最近n个采样时刻的输出电流变化量，并按照各自与目标充电桩的耦合权重进行加权求和，得到目标充电桩的电流扰动累加值；将目标充电桩的电流扰动累加值作为目标充电桩在预测时间段的需求电流增量。预设阈值为动态拓扑矩阵中所有耦合权重的平均值。通过关联充电桩的电流变化加权传导，使需求电流增量能够提前反映目标充电桩的负荷变化趋势。

6、均衡调节策略生成模块用于根据各充电桩的需求电流增量及其在动态拓扑矩阵中的节点度，生成各充电桩的电流调节权重。作为本发明的一个技术方案，统计动态拓扑矩阵中与目标充电桩直接耦合的其他充电桩的数量，作为目标充电桩的节点度；将目标充电桩的需求电流增量除以目标充电桩的节点度与预设基数之和，得到目标充电桩的初始调节因子；对各充电桩的初始调节因子进行归一化处理，使所有充电桩的初始调节因子之和等于1，得到各充电桩的电流调节权重。通过将节点度纳入调节因子计算，可对电气耦合关系复杂的充电桩进行平滑调节，降低局部扰动引起的调节波动。

7、调节指令输出模块用于根据各充电桩的电流调节权重和当前输出电压，输出各充电桩的脉宽调制占空比调节量。优选的，获取站内总可用输出功率和已分配输出功率，将总可用输出功率减去已分配输出功率，得到待分配剩余功率；将待分配剩余功率乘以各充电桩的电流调节权重，得到各充电桩的功率调节量；将各充电桩的功率调节量除以对应充电桩的当前输出电压与功率因数的乘积，得到各充电桩的电流调节量；将各充电桩的电流调节量除以对应充电桩的额定电流，得到各充电桩的脉宽调制占空比调节量。站内总可用输出功率为充电站变压器额定容量与预设安全系数的乘积。该模块以剩余功率为约束，并将实时输出电压和功率因数纳入调节量转换，使输出的占空比调节量更符合充电桩当前工作状态，有利于充电站整体功率分配均衡和节能运行。

8、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

9、参数实时采集模块以固定采样周期同步采集各充电桩的输出电压、输出电流和功率因数，动态拓扑构建模块从电压时间序列和功率因数时间序列中提取相邻采样点差值，形成电压波动序列和功率因数波动序列。对任意两个充电桩，分别计算电压波动序列的协方差与各自标准差乘积的比值，以及功率因数波动序列的协方差与各自标准差乘积的比值，将两个比值相乘后作为动态拓扑矩阵中的耦合权重。该耦合权重随电压和功率因数波动实时更新，相比固定拓扑或仅基于电气距离的静态权重，能够反映负荷波动下充电桩之间电气耦合强度的瞬时变化。负载需求预测模块根据该耦合权重筛选关联桩集合，将关联桩的输出电流变化量按耦合权重加权求和，得到电流扰动累加值，再与目标充电桩当前输出电流相加得到预测电流值。电流扰动累加值来源于桩间实际波动传递，预测电流增量能够跟随电气耦合变化，减少单桩历史数据外推带来的滞后和偏差，使功率分配在负荷迁移前获得更接近实际的电流需求。

10、均衡调节策略生成模块统计动态拓扑矩阵中与目标充电桩直接耦合的其他充电桩数量作为节点度，将需求电流增量除以节点度与预设基数之和得到初始调节因子，并对所有充电桩的初始调节因子归一化，形成电流调节权重。节点度参与调节因子计算，使电气耦合范围较大的充电桩在功率分配中受到相应约束，避免简单按电流增量大小分配造成调节量过度集中。调节指令输出模块将站内总可用输出功率与已分配输出功率的差值作为待分配剩余功率，乘以各充电桩的电流调节权重得到功率调节量，再除以当前输出电压与功率因数乘积得到电流调节量，并依据额定电流转换为脉宽调制占空比调节量。剩余功率的分配与动态拓扑中的耦合强度和节点影响范围相匹配，相比固定比例或平均分配方式，能够减少轻载与过载并存现象，降低变压器峰值负载和线路损耗，改善站内能量利用效率。