充电站能量管理算法设计及FPGA实现

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随着新能源汽车的不断推广普及,电动汽车充电站相关产业随之不断发展。大量电动汽车接入电网,其负荷波动剧烈和负荷率低等典型负荷特性将对配电网的安全稳定运行产生不良的影响。作为降低这些不良影响、提升充电站运营经济性的有效手段,电动汽车充电站的能量管理控制器逐渐成为充电站相关领域的关注热点。目前,电动汽车充电站能量管理策略均在站级监控系统中执行,再经由智能配电柜等设备将指令下发给充电桩和储能设备等装置,需经过多次通信传输,控制的实时性较差,无法满足充电站能量管理实时优化控制的要求。研究开发兼具智能配电柜和能量管理功能的一体化能量管理控制器,避免通信传输延时带来的控制失效问题,更好的实现能量优化控制具有显著的应用价值。此外,研究开发的能量管理控制器应面向包括小规模无人值守充电站在内的多类型充电站,进一步扩展充电站能量管理的应用范围,更加全面的降低充电对电网的不良影响、提升充电站运营经济性。针对上述现状,本文主要研究基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的电动汽车充电站能量管理控制器的设计方法,特别是充电站能量管理算法及其在FPGA中的实现,用于具备电池储能系统的电动汽车充电站中储能系统的充放电出力优化管理。本文首先介绍分析了电动汽车充电站的典型拓扑,基于配备储能系统的典型电动汽车充电站拓扑提出了一种充电站能量管理控制器应用的系统架构;接着以减小充电站负荷方差为目标的能量管理策略为例,建立了充电站优化能量管理模型,采用粒子群智能优化算法实现该策略;随后将建立的模型通过MATLAB进行算例仿真,验证了该策略的有效性和可行性。此外,本文设计了基于FPGA的电动汽车充电站能量管理控制器的硬件架构,提出了基于粒子群算法的充电站能量管理策略在FPGA中的结构设计与实现流程。根据粒子群算法的原理与设计流程,设计了基于粒子群算法的充电站能量管理策略各功能模块,采用硬件描述语言(Verilog HDL)编写程序实现粒子群算法的模块化设计,详细阐述分析了各个功能模块的设计原理与结构。最后通过硬件仿真对各个功能模块的功能了进行验证,进而验证算法设计的正确性。
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