適用于社區(qū)的電動汽車柔性直流充電技術(shù)研究

顧國華，宋偉華

（江蘇格潤電力科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

新基建方案中，新能源汽車充電樁產(chǎn)業(yè)直接帶動了國內(nèi)基礎建設、新能源汽車行業(yè)以及互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，能夠?qū)?G網(wǎng)絡和能源互聯(lián)等具有明顯時代特征的融合型基礎設施。我國是世界第一大電動汽車市場，預計從2021年到2030年，需要新建樁6 300多萬個。社區(qū)充電具有充電便捷、電能源浪費相對較低以及使用性能高等特點，是電動汽車車主最理想的充電方式[1]。

各地市逐步出臺了支持在住宅小區(qū)增設電動汽車充電樁的指導意見或建議。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國前36名的城市約有30萬個小區(qū)，其中上海的小區(qū)超過15 000個，北京的小區(qū)超過10 000個。目前，住宅小區(qū)停車場配有的充電設施很少，很多居民想購買電動汽車，卻因為擔心充電困難不敢購買，而私人安裝充電樁受到車位和小區(qū)配電容量等條件的制約。社區(qū)規(guī)模化建設電動汽車充電樁存在諸多問題，如新建社區(qū)供電富裕量難以分配給充電裝置、舊社區(qū)供電容量增容難、充電樁功率增加給社區(qū)供電穩(wěn)定性帶來隱患、社區(qū)內(nèi)交流充電樁現(xiàn)狀滿足不了與電網(wǎng)互動的技術(shù)基礎以及社區(qū)內(nèi)慢充的現(xiàn)狀無法解決快充的需求等[2]。

針對這些問題，本文全面調(diào)研和分析了社區(qū)內(nèi)規(guī)?；ㄔO充電設施涉及到的方案和綜合技術(shù)，提出了一種兼顧社區(qū)電網(wǎng)環(huán)境和用戶使用需求的柔性直流充電方法，以促進我國社區(qū)充電網(wǎng)絡建設的規(guī)?；l(fā)展。

1 社區(qū)內(nèi)電動汽車充電設施現(xiàn)狀

目前，社區(qū)內(nèi)電動汽車充電模式可分為交流充電和直流充電兩種方式，具體對比參數(shù)如表1所示。交流充電通過交流充電樁實現(xiàn)。實際上，交流充電樁本身不具備充電功能，是通過提供電力輸出給車載充電機，從而實現(xiàn)電動汽車電池的充電。因為車載充電機的功率一般都比較小，為3～7 kW，所以交流充電樁無法實現(xiàn)快速充電，充滿電一般需要5～8 h。當前社區(qū)里私人用戶大都是安裝的交流充電樁，其人工及能源成本低，安裝便捷，且可利用晚上低谷電進行充電。充電時段充電電流較小，電壓相對穩(wěn)定，能夠保證動力電池組的安全并延長動力電池使用壽命，但是慢充充電時間過長，難以滿足車輛短時恢復運行的需求。

一些供電富余量較大的小區(qū)，在公共停車區(qū)域可能會安裝少量的直流充電樁。這種裝置充電功率一般高于30 kW，可在30～60 min內(nèi)為動力電池充電50%～80%。相對于交流充電樁，它具有充電時間短、充電車輛流動快以及節(jié)省充電站車場面積等優(yōu)勢，但也存在充電效率低、設備成本較高以及大電流充電會對公共電網(wǎng)設備形成沖擊而影響供電質(zhì)量和安全等若干問題。

表1 社區(qū)內(nèi)交流充電與直流充電的主要參數(shù)對比

交流充電和直流充電的充電負荷會影響社區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。特別是對于供電裕量不足的社區(qū)低壓配電來說，快充負荷的接入會大幅降低并網(wǎng)母線電壓的靜態(tài)穩(wěn)定裕度。同時，充電啟停階段的瞬時沖擊會引起社區(qū)電網(wǎng)頻率波動超標的問題，從而影響其他接入該電網(wǎng)用電設備的安全運行[3]。

隨著社區(qū)內(nèi)電動汽車數(shù)量的快速增加，大量充電負荷接入社區(qū)電網(wǎng)，改變了原有的電網(wǎng)形態(tài)，而不確定的充電行為進一步擴大了負荷峰谷差。社區(qū)電網(wǎng)容量難以增加，加大了配電網(wǎng)變壓器過載風險，顯著增加了電網(wǎng)損耗和電壓偏差。為了緩解此類問題的風險，市場上已出現(xiàn)了箱變控制集中布置、充電終端分散布置以及具備群管群控功能的交流充電設施，可與社區(qū)用電數(shù)據(jù)進行對接，從而合理調(diào)配車輛充電時間段，提高電力使用效率。但是，這種充電方式仍屬于交流充電方式，充電速度慢且不支持V2G，既難以滿足社區(qū)的現(xiàn)有充電需求，也不能適應未來車網(wǎng)互聯(lián)互通的能量雙向流動需求。

2 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置對電力系統(tǒng)的影響研究

社區(qū)充電需要引入一種既能適應當前配電網(wǎng)形態(tài)，又能給用戶提供高質(zhì)量充電服務的充電方式。為滿足以上需求，設計了一種適應于社區(qū)的柔性直流充電裝置，可在不增加社區(qū)配電網(wǎng)容量的前提下，通過預測、測量以及控制小區(qū)供電容量和充電負荷，輔以精細化的有級投切控制技術(shù)，實現(xiàn)社區(qū)多車位直流快充和慢充全覆蓋。柔性直流充電系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置對社區(qū)用電電力平衡的影響

圖1 適用于社區(qū)的柔性直流充電系統(tǒng)

社區(qū)電網(wǎng)存在地域性分配限制，其容量的增加難度很大。電動汽車進行大規(guī)模充電時，可能會影響社區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，社區(qū)內(nèi)充電網(wǎng)絡的建設必須要重視社區(qū)用電的穩(wěn)定性和平衡[4]。針對這一問題，柔性直流充電系統(tǒng)可實時監(jiān)測社區(qū)配電網(wǎng)的變壓器容量和供電電壓等參數(shù)，通過有序充電控制器協(xié)調(diào)控制每臺充電樁，并對需要充電的電動汽車數(shù)量和充電功率等采取一定的干預措施，從而避免出現(xiàn)變壓器負荷過載和線路故障等問題，確保社區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2.2 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置對社區(qū)電能質(zhì)量的影響

充電功率的波動和接入時的沖擊會對社區(qū)電網(wǎng)電壓造成影響。電壓不穩(wěn)定或者波動會影響社區(qū)內(nèi)其他用電設備。另外，電動汽車充電負荷屬于非線性負荷，所使用的電力電子設備將產(chǎn)生一定的諧波，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，如電壓畸變增大和功率因數(shù)降低，降低了社區(qū)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性[5]。本文設計的柔性直流充電系統(tǒng)采用主動電能質(zhì)量治理技術(shù)，輸出電流諧波低、功率因數(shù)高，并留有儲能接入接口，可為后續(xù)系統(tǒng)與供電方的交互提供設備基礎，并可通過儲能設施提高社區(qū)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置關鍵技術(shù)及應用

3.1 小功率和高電壓充電模塊

充電模塊是直流充電裝置的核心部件。柔性直流充電系統(tǒng)的整流模塊采用全數(shù)字解耦控制技術(shù)，自帶有源功率因數(shù)校正功能，功率因數(shù)高，電流諧波低，電磁兼容性好。斬波模塊為全橋三電平DC/DC隔離變換拓撲，采用全數(shù)字控制自帶同步均流技術(shù)，效率高、紋波低以及調(diào)壓范圍大，整體效率大于96%。圖2為該充電模塊的原理框圖。

圖2 充電模塊原理框圖

由圖2可知，充電模塊整流部分以50 kW為單位進行設計，斬波部分由7 kW為單位進行設計，通過精細化分級投切功率回路控制。單槍功率7～50 kW輸出可調(diào)，全面覆蓋慢充和快充；超寬輸出電壓范圍DC 200～950 V，覆蓋國標全部電壓范圍；超寬恒功率輸出區(qū)間為DC 340～450 V和DC 680～950 V，最大功率輸出滿足主流車型大功率充電需求，非常適合在社區(qū)配電容量不大和充電樁多的場景下使用。

3.2 社區(qū)電網(wǎng)充電功率有序控制策略

社區(qū)電網(wǎng)充電功率有序控制策略以社區(qū)供配電網(wǎng)容量、實時負荷、充電負荷以及充電需求等參數(shù)為基準，有序充電控制社區(qū)內(nèi)的電動汽車充電裝置，在保障社區(qū)供電網(wǎng)絡安全穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)最大數(shù)量的充電樁運營，滿足車主的充電需求，提升社區(qū)充電網(wǎng)絡的運營效率和經(jīng)濟性。社區(qū)內(nèi)充電網(wǎng)絡有序控制策略框圖如圖3所示。

3.3 車網(wǎng)互動和用戶互動的高級應用開發(fā)

當今移動互聯(lián)網(wǎng)盛行，手機已成為人們不可或缺的工具，是電動汽車、充電裝置與用戶良好交互的媒介。柔性直流充電系統(tǒng)可收集、分類以及分析社區(qū)負荷、社區(qū)內(nèi)電動車類型、車主充電習慣以及電動車電池充電特性等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)社區(qū)內(nèi)充電動態(tài)功率分配、社區(qū)供電/用電負荷監(jiān)控、有序充電管理、新能源發(fā)電及儲能系統(tǒng)接入、社區(qū)充電網(wǎng)絡系統(tǒng)信息模型的建立以及用戶微信公眾號互動等功能，在保障社區(qū)供電安全的前提下，給車主提供高質(zhì)量充電服務。圖4為柔性直流充電系統(tǒng)的移動客戶端。

4 結(jié) 論

在保護環(huán)境、利用綠色電力以及倡導綠色出行的大背景下，新能源汽車的推廣和使用體現(xiàn)出了重要的意義和價值。隨著新能源汽車的大量接入，大規(guī)模電動汽車充電給社區(qū)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的帶來了諸多問題。本文從社區(qū)內(nèi)電網(wǎng)的實際情況和充電需求出發(fā)，對比分析了當前社區(qū)內(nèi)交流充電與直流充電兩種充電方式的功能，提出了一種柔性直流充電系統(tǒng)，并探討了該柔性直流充電系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。柔性直流充電系統(tǒng)能夠優(yōu)化充電功率的分配，加快當前社區(qū)充電網(wǎng)絡的建設，且其配備的儲能擴展接口在未來能源互聯(lián)網(wǎng)建設中將發(fā)揮重要作用。

圖3 社區(qū)內(nèi)充電網(wǎng)絡有序控制策略框圖

圖4 柔性直流充電系統(tǒng)移動客戶端