1 引言
1.1 课题研究背景与意义
当今世界，随着社会不断进步和能源需求不断加深，全球能源危机更加迫切地促使各国政府和大型企业加大对节能减排的重视程度。作为以节能与环保为出发点的新一代交通工具，电动汽车必然成为人类交通出行方式中不可或缺的一部分。与之配套的充电基础设施建设，特别是快速充电站的建设同样得到了快速发展。电动汽车充电站的数量在近几年呈现爆发式增长的趋势。
电动汽车充电站的能量主要来源于电网。当大量的车载充电机或者高功率等级的快充充电机同时接入电网充电时，叠加形成的充电负荷将对电力系统的运行产生很大的影响和挑战。其主要影响涉及三个方面：一是影响系统运行稳定性（包括加大电网峰值负荷和峰谷差、带来电压越线、频率波动等方面）；二是影响系统电能质量（包括产生电压偏移、谐波电流，影响电网波形，或导致入网节点电压的三相不平衡）；三是影响系统的经济性（将会增加线路与变压器的损耗导致经济损失、降低电气设备的寿命和可靠性等方面）。虽然提高配电网的负荷容量能从一定程度上解决此类问题，但完成扩容所需的成本高昂，不符合电网运行的经济性原则。文献[1]指出电动汽车的普及会对电网负荷和电压等方面造成不良影响。文献[2]指出大量电动汽车接入电网会造成电网电压大幅下降。文献[3,4]研究了大量插电式混合动力汽车使用对配电网的影响，研究结果表明插电式混合动力汽车的使用会造成节点电压偏移和、配电网损耗增加以及减小配电网变压器使用寿命等影响。文献[5-7]指出电动汽车的充电负荷将对配电网线路损耗和变压器的使用寿命以及可靠性等方面产生消极影响。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 储能系统参与能量管理控制策略研究现状
目前国内外学者对含储能系统的能量管理控制策略的研究已经十分深入，在电力系统的各个方面都有广泛的应用。本文着重介绍能量管理控制策略在配电网的应用的研究现状。在配电网中随处可见电池储能系统的应用场景，其中应用最为广泛的是微电网，电池储能系统主要产生削峰填谷、改善微电网负荷特性以及减小对配电网的负面影响等作用。
文献[9]研究了通过建立微电网能量管理模型对微电网进行优化，提出了能量平衡约束对储能系统进行优化管理，并将储能管理和经济负荷分配等多目标优化问题完全转变成了单目标优化问题，并通过改进的遗传算法对该单目标优化问题进行求解。
文献[10]针对配备储能系统的快速充电站研究了一种实时负荷优化能量管理策略，并提出了多种储能系统参与的充电站负荷优化策略，通过动态规划优化算法对优化问题求解。 文献[11]研究了公交快速充电站的负荷特性，并以改善快充站的负荷特性和提高快充站运行经济性为目标，分析了储能系统的特点并提出三种实时能量管理策略，其中两种策略采用模型预测控制算法进行求解
文献[12-14]均采用模型预测控制对储能系统进行实时能量管理。
文献[15]通过对分布式电源的特点进行详细分析，研究了基于模型预测控制的改进算法来实现双层多时间尺度的微电网负荷优化策略。根据微电网中的复杂的情况，提出模型预测控制的自适应改进。依据日前计划的要求进行优化计算得到未来的微电网能量分配，而在日内通过运行改进模型预测控制算法并配合日前计划优化结果实现实时能量管理的目的，从而减小外部环境因素对优化策略实现的影响。
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2 充电站能量管理控制器系统架构及算法设计
2.1 充电站拓扑
合理的电动汽车快速充电站的设计除满足充电需求外还需综合考虑以下因素：(1)网侧电能质量调节能力，快速充电站需要尽可能能在提供大功率充电的基础上，保持充电站的入网节点电压、校正功率因数的稳定，同时能够缓解峰值负荷。(2)可再生能源和储能系统并网，将风电、光伏等可再生能源规划配置快速充电站，可以在一定程度上减少充电站对电网的负荷需求，并且增加可再生能源的利用率，提高快速充电站的运行经济性。当然也可以通过合理的控制策略把电动汽车蓄电池当作一种能源为电网提供电能，实现电网削峰填谷的目的，从而提高电网运行可靠性和输配电利用率。(3)功率密度，快速充电站的功率密度定义为单位建筑面积所能提供的充电功率的大小。在不同的应用场景需要配置的快速充电站的功率密度也不尽相同。如在医院、商场等人流量较大的地区附近，因受到建设用地等各方面的限制，快速充电站的规划需有较大的功率密度。(4)运行可靠性，不同的电动汽车充电站的电路拓扑中所包含的电气元件的数量也差异交大，以及不同的控制策略也都会影响充电站运行可靠性，功率开关器件的数量增多将会导致其驱动和控制电路复杂的复杂性，将会极大地增加系统复杂度，导致充电站的运行可靠性的减弱。
从电动汽车快速充电站得到实际充电负荷数据，如图 2-1 所示。通过分析负荷曲线能够得到快充站的负荷特性。
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2.2 含能量管理控制器的充电站系统架构
能量管理控制器的控制对象是电动汽车快速充电站，其首要任务是对电动汽车充电站内部的进行能量管理与控制，使该充电站入网节点运行最优，提高充电站的运行经济性和稳定性，减小充电站负荷对配电网产生的不良影响。充电站配备储能系统，通过能量管理控制器运行合理的能量管理控制策略，实现降低充电站负荷峰值和改善负荷特性，提高充电站运行的经济性等目的。
电动汽车接通充电桩从而获取电能达到充电的目的。首先充电桩要将电动汽车充电的实时数据发送给能量管理控制器，同时能量管理控制器也需要接受储能系统的详细数据，然后能量管理控制器运行合适的能量管理控制策略计算出合适的储能出力，最后将该储能出力结果发送给储能系统控制设备，从而达到降低充电站入网节点峰值负荷的目的。在该系统架构中能量管理控制器实现主要的功能，上级监控系统主要负责向能量管理控制器发送充电站的负荷预测等信息，并不直接参与能量管理。主要的能量管理及控制策略的计算都将在能量管理控制器上运行。这种设计很大程度上减少了控制器与上级计算机的通信频率，能量调度指令也不需要经过多次传输，增大了系统运行的实时性。
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3 能量管理控制器硬件设计 .................................. 21
3.1 能量管理控制器的整体方案 .................................. 21
3.2 现场可编辑门阵列及其开发环境 ........................... 22
4 基于 FPGA 的充电站能量管理算法实现 ............................. 45
4.1 算法模块的功能仿真 ................................ 45
4.1.1 随机数模块 ................................... 45
4.1.2 随机参数模块 ........................................ 46
5 总结与展望 ................................... 59
5.1 总结 ......................................... 59
5.2 展望 ............................................ 59
4 基于 FPGA 的充电站能量管理算法实现
4.1 算法模块的功能仿真
根据 PSO 算法的设计流程对 PSO 算法进行模块化设计，并分析各个模块的具体功能与设计原理，就可以完成 PSO 算法各个硬件模块的代码设计。在完成粒子群算法硬件系统中各模块的代码设计后，并不能保证所编写的代码就一定没有错误，就需要对各个模块进行仿真验证。
Verilog HDL 仿真主要有功能仿真和时序仿真这两种类型。功能仿真是指仅对所设计的模块在逻辑功能方面进行测试模拟，以验证其实现的功能是否满足原设计的要求。功能仿真的主要作用是验证所设计模块的功能是否正确，同时还具有检查逻辑错误的作用。在功能仿真过程中不对时序作任何的验证，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性等，因此也叫前仿真。它是对 HDL 硬件描述语言的功能实现能力进行仿真，以确保 HDL 语言描述能够满足设计者的最初意图。时序仿真则是在模块逻辑功能可以满足设计者功能要求的基础上，在经过布局布线后，通过设置时序参数进行仿真，模拟真实数字系统的运行环境。
在对算法模块进行功能仿真之前，必须先编写激励文件。激励文件就是根据所设计模块的功能，对输入信号进行不同的赋值模拟实际场景中可能出现的情况。通过仿真器运行后观察输出信号的波形，验证模块功能是否满足设计要求。每个激励文件都只对应于一个模块，激励文件程序也是用 Verilog HDL 编写的，模拟模块在实际工作场景中的应用。激励文件设计重点是模拟真实场景信号，这需要对设计的数字电子系统的功能和使用场景充分的了解。从而保证模块在实际运用时所有可能的情况都包含在内，全面验证模块的功能。通过给每个模块创建激励文件对模块的功能进行仿真验证分析，才能保证算法在 FPGA 系统上运行的正确性。
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5 总结与展望
5.1 总结
本文针对基于 FPGA 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 中的实现开展了研究工作。以 FPGA 为硬件平台实现了具有储能系统的电动汽车充电站的一种能量管理策略，并给出了具体的设计思路与设计方案。具体研究工作及结论如下： (1) 首先明确了能量管理控制器的控制对象，研究分析了具备储能系统的电动汽车充电站的拓扑与工作方式。针对充电站能量管理的需求，给出了一种能量管理控制系统架构。通过分析电动汽车充电站的负荷特性，制定了以减小充电站负荷方差为目标的充电站能量管理策略。建立了充电站储能系统能量优化控制模型，确立了模型的目标函数和约束条件，并利用粒子群算法实现该能量管理策略。同时针对建立的数学模型利用 MATLAB 进行算例仿真，算例分析验证了该能量管理策略的正确性。
(2) 根据能量管理控制器的功能需求，确定了能量管理控制器的整体设计方案。基于粒子群算法的特点，确定了以 FPGA 作为硬件平台来实现粒子群算法的系统设计。利用模块化与自顶向下的设计思想对粒子群算法进行结构设计，根据粒子群算法的流程图将粒子群算法划分为随机数模块、约束模块、适应度值模块、最小值模块等多个不同功能模块，粒子群算法整体上使用串行设计，每个粒子的多维度计算使用并行设计，加快了能量管理算法的计算速度，有利于充电站储能出力的实时滚动优化。使用 Verilog HDL 编写程序实现粒子群算法，对每个模块的功能进行具体分析和设计。
(3) 在对每个模块进行设计编码后，通过模拟模块的输入信号对模块的功能进行了硬件仿真，对结果的分析验证了模块设计的正确性和有效性。此外，将验证无误的功能模块根据算法流程整合在一起进行了联合仿真，验证连接后模块的功能实现效果。
参考文献（略）