電動汽車充換電站交直流系統(tǒng)設計及優(yōu)化

閆安心，秦 健，馮勇軍，王 旗，王曉虎

(1．江蘇省電力設計院，南京市211102;2．國網江蘇省電力公司建設部，南京市210024;3．國網新疆電力公司營銷部，烏魯木齊市830068)

0 引 言

電動汽車是解決環(huán)境、能源問題的重要設備之一，許多學者對電動汽車的相關問題進行了研究和探索。文獻［1］研究了電動汽車和車電互聯技術(vehicle-to-grid)導致的鋰離子電池退化。文獻［2］評估了插電式電動汽車對配電網的影響。文獻［3］研究了北京市居民對電動汽車的響應特點。文獻［4］設計了一套充換電站及電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)。文獻［5］對充換電站蘇滬杭城際互聯方案和工程難點進行了總結。文獻［6］探討了電動汽車充電站最優(yōu)規(guī)模和布局。文獻［7］分析了電動汽車供電能源優(yōu)化組合及智能充電策略。文獻［8］研究了“充放儲”一體化站對區(qū)域配電網的諧波治理。文獻［9］提供了一種電動汽車供電能源優(yōu)化組合及智能充電策略。文獻［10］分析了智能電網對用戶用電的影響。文獻［11］進行了基于IEC 61850 的電動汽車充電站通信網關的設計。文獻［12］探析了電動汽車充電站運營模式。文獻［13］分析了電動汽車充電站對電網諧波的影響。文獻［14］基于WebGIS 技術提出了一種電動汽車充電樁運營管理系統(tǒng)建設方案。良好的充換電站網絡的建立是推廣電動汽車產業(yè)的前提，而交直流系統(tǒng)作為充換電站的心臟，現有文獻中未見有關其的研究報告。本文從實際工程項目角度出發(fā)，提出一種充換電站交直流系統(tǒng)的設計及優(yōu)化方法。

1 系統(tǒng)構成及網絡架構

1.1 充換電站

電動汽車充換電站的結構示意見圖1。圖中:空心、實心箭頭分別表示能量、信息流動方向;直角、圓角方框分別表示充換電站站內、外的系統(tǒng)。其中交直流系統(tǒng)是整個充換電站的能量供應中樞，用以為充換電站內的其他系統(tǒng)提供電源;監(jiān)控系統(tǒng)主要完成采集、處理、存儲來自站內各系統(tǒng)的數據，提供圖形化人機界面及語音報警功能，展示各系統(tǒng)的數據并下發(fā)控制命令;充電系統(tǒng)用以將電池充滿電;換電系統(tǒng)用以將充好電的電池更換到電動汽車上;通信系統(tǒng)實現監(jiān)控信息、計量信息的上傳;輔助系統(tǒng)包括采暖通風、電氣消防等。

圖1 電動汽車充換電站的結構示意Fig．1 Structure diagram of electrical vehicle charging station

1.2 交直流系統(tǒng)

電動汽車充換電站交直流系統(tǒng)分為交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)二大類。電動汽車充換電站交直流系統(tǒng)結構示意如圖2 所示。為便于計算，交流不停電電源系統(tǒng)(uninterruptible power supply，UPS)也歸入直流系統(tǒng)。在圖示的直流系統(tǒng)中，10 kV/380 V 變壓器低壓母線提供380 V 或220 V 交流電壓，AC/DC 模塊將交流母線電壓變換為各電壓等級的直流電，UPS 從交流母線或直流母線取電并轉換為220 V 交流電。在交流系統(tǒng)中，分箱充電機從交流分電柜取電，充電機、充電樁、采暖通風等設備通過電纜直接從交流母線取電。

2 參數計算

2.1 交流系統(tǒng)計算

2.1.1 交流負荷統(tǒng)計

本算例假設充換電站含有1個換電工位(共98 臺15 kW 的分箱充電機)、5 臺100 kW 一體式直流充電機、5 臺12 kW 交流充電樁。

2.1.2 充電設備總容量

式中:P 為充電機的輸出功率;cosφ 為功率因數，根據規(guī)程要求，應達到0.9 以上，取0.92;η 為充電機工作效率，高頻開關整流充電機取0.9;K 為同時系數，取0.65;n 為充電機數量。

圖2 交直流系統(tǒng)結構示意Fig．2 Structure diagram of AC/DC system

對于換電部分，配置98 臺功率為15 kW 的分箱充電機，分箱充電機運行功率按12 kW 考慮，由式(1)可得該部分總容量S1=923 kVA。

對于充電機部分，配置5 臺100 kW 一體式直流充電機，由式(1)可得該部分總容量S2=393 kVA。

2.1.3 其他設施負荷(除充電機外)

按照2 套公交車電池箱更換設備共50 kW，5 臺7 kW 的交流充電機共35 kW，其他監(jiān)控、照明、空調和辦公用電負荷等60 kW，同時系數取0.8，可得除充電機外設施的負荷S3=116 kVA。

2.1.4 總負荷

2.1.5 變壓器容量

變壓器最佳負載率，取0.8;變壓器總容量為

即設置1 臺2 000 kVA 的干式變壓器。

2.2 直流系統(tǒng)計算

建議選擇直流母線電壓220 V，直流計算借鑒變電站直流系統(tǒng)計算方法，參考文獻［15］。

2.2.1 負荷統(tǒng)計

本充換電站內各類直流負荷統(tǒng)計、直流負荷計算結果分別見表1、2。

2.2.2 蓄電池個數

充換電站推薦采用閥控式鉛酸蓄電池，其浮充電壓暫按13.5 V 考慮。計算得單體蓄電池個數為18 只，每只的放電末期終止電壓為11.22 V。

2.2.3 蓄電池容量

蓄電池容量計算采用階梯計算法，根據表2，經計算建議選用蓄電池容量80 Ah。

2.2.4 充電裝置

根據文獻［15］，選擇充電裝置:220 V，3 ×20 A +1×20 A。

表1 直流負荷統(tǒng)計Tab．1 Statistics of DC load

表2 直流負荷計算結果(220 V)Tab．2 Calculation results of DC load (220 V)

3 主要設備的選擇

3.1 交流系統(tǒng)

3.1.1 電氣接線方案

10 kV 側、0.4 kV 側均采用單母線接線;0.4 kV側采用中性點直接接地運行方式。交流系統(tǒng)主接線示意圖見圖3 所示。

3.1.2 供電變壓器選型

選用樹脂澆注干式變壓器，接線組別Dyn11，阻抗電壓6.0%，變比10 ±2 ×2.5% /0.4 kV。

圖3 交流系統(tǒng)主接線示意Fig．3 Main wiring diagram of AC system

3.1.3 中、低壓配電柜選型

10 kV 開關柜采用空氣絕緣式負荷開關柜，額定電流選擇630 A，短路開斷電流及熱穩(wěn)定時間不小于25 kA/4 s。

低壓柜采用抽屜柜。其中進線斷路器選用框架斷路器，額定極限短路分斷能力65 kA。出線斷路器選用普通塑殼斷路器，額定極限短路分斷能力50 kA。高壓斷路器配置輔助觸點和報警開關，以接入監(jiān)控系統(tǒng)配合工作。配置相應數量的0.4 kV 進線柜、饋線柜。

3.1.4 電力電纜選型

采用1 回10 kV 進線(就近接入、長1 km 計)，電纜截面不小于120 mm2。配變出線柜至變壓器的電纜截面不小于70 mm2;饋線柜至交流分電柜的電纜截面不小于240 mm2;交流分電柜至充電機柜的電纜截面不小于70 mm2。

3.2 直流系統(tǒng)

全站設置1 套直流系統(tǒng)，母線電壓推薦DC 220 V。直流系統(tǒng)主接線示意圖見圖4 所示。全站事故停電按1 h考慮，配置80 Ah/12 V 蓄電池18 只，3×20 A +1×20 A 直流充電裝置、饋線各1 套。蓄電池、直流充電裝置及饋線等設備組2 面直流柜。全站設置1 套公用的交流不停電電源系統(tǒng)，由2 臺容量為3 kVA 的UPS 等組成。交流不停電電源系統(tǒng)組1 面屏柜。

4 應用及優(yōu)化

4.1 其他規(guī)模的交直流系統(tǒng)計算

采用其他上述方法，對以下4 種規(guī)模的充換電站交直流系統(tǒng)進行計算，計算條件如表3 所示，結果如表4 所示。

圖4 直流系統(tǒng)接線示意Fig．4 Main wiring diagram of DC system

表3 充換電站交直流系統(tǒng)計算條件Tab．3 Calculation conditions of AC/DC system for charging station

表4 充換電站交直流系統(tǒng)計算結果Tab．4 Calculation results of AC/DC system for charging station

4.2 交直流系統(tǒng)的優(yōu)化

4.2.1 交直流系統(tǒng)接線形式的優(yōu)化

為使主接線簡單清晰，維護、檢修簡單方便，降低成本，主接線采用以下形式。

(1)交流系統(tǒng)。整個充換電站采用1 路10 kV站外電源供電;站內10 kV 側采用單母線接線;0.4 kV側配置1 臺變壓器時，采用單母線接線，配置多臺變壓器時，采用單母分段接線。

(2)直流系統(tǒng)。直流系統(tǒng)采用單母線接線。由于斷路器電動操作機構為預儲能式，合閘電流較小，因此不設置合閘母線，由控制母線提供合閘電流。

4.2.2 饋線網絡的優(yōu)化

(1)交流系統(tǒng)采用“配電室—配電柜—場地設備”形式的饋線網絡(在場地設備較少的情況下也可采用“配電室—場地設備”形式)，以減少電纜數量、降低電纜敷設難度。

(2)直流負荷數量較少，直接采用“輻射式”饋線網絡，即以直流母線為中心，直接向用電負荷供電。

4.2.3 設備選型和布置的優(yōu)化

(1)交流系統(tǒng)進線使用斷路器，1 250 kVA 及以下容量的變壓器在高壓側使用負荷開關加熔斷器，1 250 kVA以上則使用斷路器，變壓器低壓側使用低壓斷路器。如果充換電站的規(guī)模小于本文的算例、方案，變壓器容量不大于630 kVA，可以考慮不設置配電室，而采用箱式變壓器，以節(jié)省占地、減少投資。

(2)直流系統(tǒng)蓄電池放置于直流電源柜內，無須設置蓄電池小室，可布置于二次設備室或主控室。

4.2.4 保護裝置的優(yōu)化

僅設置10 kV 進線保護、變壓器保護，充電設備的保護，測控裝置內置于裝置內，簡化了供電。

對于沖擊負荷，即斷路器操作電源，僅對10 kV交流進線、變壓器設置保護(此時設置直流操作電源);對于負荷開關，可不設置保護、測控裝置和直流操作電源。

4.2.5 與監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的關系

監(jiān)控系統(tǒng)中的服務器、工作站數量應根據充換電站的規(guī)模進行調整，可在單個服務器或工作站上實現多個功能或運行多個軟件，參數計算時需要予以考慮。

通信采用帶光口的三層交換機實現，無須另外配置通信接入設備，因此不考慮通信系統(tǒng)的供電。

4.2.6 停電時間的設置

根據充換電站用電負荷的重要程度，全所事故停電按1 h 考慮，事故照明按搶修人員0.5 h 到現場后手工投閘考慮。該時間可根據實際情況或特殊要求進行調整。

5 結 論

(1)本文借鑒了變電站交直流系統(tǒng)的參數計算方法，根據充換電站規(guī)模和參數計算的結果來進行設備選擇和布置。其中，交直流負荷的大小和種類直接影響著參數計算、設備選擇結果，因此負荷統(tǒng)計應力圖精確。而交直流系統(tǒng)優(yōu)化的主要原則是在充換電站可靠運行的前提下，盡量減少占地和投資。

(2)在實際工程項目中，充換電站交直流系統(tǒng)的設計還必須符合電動汽車、充換電站的相關規(guī)程、規(guī)定，并針對具體細節(jié)作進一步考慮和完善。

［1］Peterson S B，Apt J，Whitacre J F． Lithium-ion battery cell degradation resulting from realistic vehicle and vehicle-to-grid utilization［J］． Journal of Power Sources，2010，195 (8 ):2385-2392．

［2］Taylor J，Maitra A，Alexander M，et al． Evaluation of the impact of plug-in electric vehicle loading on distribution system operations［C］//Proceedings of IEEE Power and Energy Society General Meeting． Calgary， Canada: Energy Development and Power Generation Committee，2009:1-6．

［3］何永秀，周波，熊威． 北京市電動汽車用戶響應度研究［J］． 電力建設，2013，34(1):1-6．

［4］徐敏銳．充換電站及電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用［J］． 江蘇電機工程，2013，30(5):50-52，56．

［5］寇英剛，許慶強，金勝利，等． 充換電站蘇滬杭城際互聯方案和工程難點［J］． 江蘇電機工程，2012，31(4):55-57，62．

［6］王澤黎，齊燦． 電動汽車充電站最優(yōu)規(guī)模和布局［J］． 電力建設，2014，35(4):132-136．

［7］唐曉瑭，倪樺，王永生． 電動汽車供電能源優(yōu)化組合及智能充電策略［J］． 電力建設，2013，34(12):111-115．

［8］楊敏霞，賈玉健，馮俊淇，等． 充放儲一體化站對區(qū)域配電網的諧波治理［J］． 電力科學與工程，2012，28(11):1-6，12．

［9］唐曉瑭，倪樺，王永生． 電動汽車供電能源優(yōu)化組合及智能充電策略［J］． 電力建設，2013，34(12):111-115．

［10］賈東梨，楊旭升，史常凱． 智能電網對用戶用電的影響［J］． 電力建設，2011，32(6):13-17．

［11］蘆 甜，楊耀權． 基于IEC 61850 的電動汽車充電站通信網關的設計［J］． 電力科學與工程，2014，30(1):62-65．

［12］周逢權，連湛偉，王曉雷，等． 電動汽車充電站運營模式探析［J］． 電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(21):63-66，71．

［13］陳新琪，李鵬，胡文堂，等． 電動汽車充電站對電網諧波的影響分析［J］． 中國電力，2014 ，41(9):31-36．

［14］胡勇，劉奇峰． 基于WebGIS 的分布式電動汽車充電樁運營管理系統(tǒng)設計與實現［J］． 電力建設，2014，35(1):98-103．

［15］DL/T 5044—2004 電力工程直流系統(tǒng)設計技術規(guī)程［S］． 北京:中國電力出版社，2004．