高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)方案設(shè)計

黃筱葉，龍萬利

（湖南平高開關(guān)有限公司，長沙 410008）

0 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，高速公路服務(wù)區(qū)因供電能力不足和現(xiàn)有供電設(shè)施容量有限，難以滿足日益增多的電動汽車充電的需要.目前，高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)置的電動汽車充電樁數(shù)量很少，甚至不少高速公路服務(wù)區(qū)尚無電動汽車充電樁.為實現(xiàn)電動汽車快速充電，充電樁的用電功率相當(dāng)大，單個充電樁的功率通常為35～100 kW［1］.而高速公路服務(wù)區(qū)通常地處偏僻，現(xiàn)有的配電網(wǎng)難以承載過多的充電樁為電動汽車同時充電，電動汽車接入的不確定性給高速公路服務(wù)區(qū)配電網(wǎng)帶來較大的負面影響.這也是目前高速公路服務(wù)區(qū)充電樁數(shù)量少（不超過4 個），或有些服務(wù)區(qū)還未建立新能源汽車充電樁的主要原因.

為解決高速公路電動汽車充電難的問題，并考慮高速路服務(wù)區(qū)由于地處偏遠，依靠常規(guī)電網(wǎng)提升供電能力困難的情況，開發(fā)利用新能源，建立由常規(guī)電源、分布式發(fā)電、儲能裝置、電動汽車充電裝置組成的電動汽車微電網(wǎng).

1 電動汽車充電方式

目前實際應(yīng)用的電動汽車充電模式有常規(guī)充電、快速充電、更換電池等.

（1）常規(guī)充電方式

常規(guī)充電方式通常需要使用電動汽車內(nèi)置的車載充電機，使用交流充電樁或車載充電槍.用戶通過建設(shè)在小區(qū)停車場、路邊停車位等公共區(qū)域的交流充電樁或者家用220 V 交流電為電動汽車充電，車載充電機完成電能的變換與充電管理.常規(guī)充電方式優(yōu)勢在于充電建設(shè)成本低，充電方便.缺點是充電功率小，充電時間長.通常充電功率小于7 kW，充電時間在6 h 以上.適用于電動汽車平常停車時段使用，如上班、休息、購物等電動汽車長時間閑置時充電.

（2）快速充電模式

快速充電模式采用的直流充電樁，充電不需要通過車內(nèi)的車載充電機，充電樁直接與電動汽車動力電池連接，能夠?qū)崿F(xiàn)在30 min 將30%電量充到80%以上［2］.快速充電通常為應(yīng)急充電，多為市區(qū)的士以及高速路服務(wù)區(qū)來往車輛服務(wù).但快速充電的缺點是電池短時間接受大量電能會導(dǎo)致電池溫度急劇上升，從而對電池造成一定的損傷，影響電池的壽命.直流充電站大功率電能的輸出要求配電網(wǎng)提供足夠的容量，因此充電站的選址局限性很大.直流充電樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［3］如圖1 所示.

圖1 直流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖1 中，交流電源經(jīng)過整流濾波變成直流，再經(jīng)過IGBT 逆變橋?qū)⒅绷髯優(yōu)樗枰拿}寬調(diào)制的交流.經(jīng)過高頻變壓器的隔離后再進行整流濾波，得到對動力電池充電的直流電.控制電路通過檢測充電電壓和電流，對IGBT 逆變橋驅(qū)動電路進行控制.如果充電電壓超過規(guī)定的值，則啟動放電電路，以保證電池不受損壞.

（3）更換電池

更換電池是一種解決電動汽車充電時間長最有效的辦法，通過設(shè)計自動化設(shè)備能夠在短短幾分鐘完成電池的更換從而讓電動車重新?lián)碛谐渥愕碾娏?但是換電模式缺點也很明顯，建站成本高、電池規(guī)格難統(tǒng)一，無法解決電池所有權(quán)問題.所以，換電池模式比較適合在公交車和運營車上使用，因為兩者標準化程度高，而且對運營效率要求更嚴.

2 并網(wǎng)型直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

高速公路服務(wù)區(qū)地處偏僻，常規(guī)電源供電能力較弱，不能滿足較多的電動汽車同時充電的問題.為解決這一問題，可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電，建立一種由分布式電源、電動汽車負荷、儲能裝置構(gòu)成并與常規(guī)電源并網(wǎng)的微電網(wǎng).

由于電動汽車微電網(wǎng)最主要負荷是采用直流充電樁的電動汽車.而分布式電源則主要考慮太陽能光伏發(fā)電，是直流電源.因此，采用直流微電網(wǎng)就會更經(jīng)濟一些.電動汽車直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示.分布式發(fā)電、儲能裝置、直流負荷均通過直流變流裝置連接在直流母線上，而交流負載的接入則要求使用逆變裝置.直流電網(wǎng)不需要同交流電網(wǎng)一樣實時保證交流母線的電壓、頻率與相位，因此其控制比較簡單［4-6］.

圖2 電動汽車直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)建設(shè)方案

3.1 設(shè)計規(guī)模

在占地20 畝（13333 m2）的高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)電動汽車直流微電網(wǎng)系統(tǒng).其中75%的占地面積（10000 m2）鋪設(shè)光伏電池板，按每平方米光伏電池板發(fā)電功率150 W，則整個微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏裝機容量為1.5 MWp.安裝功率為30 kW 的充電樁50 個.絕大多數(shù)電動汽車動力電池母線電壓低于500 V，因此以直流500 V為電動汽車直流微電網(wǎng)的直流母線電壓.目前續(xù)航超過400 km 的電動汽車動力電池容量為50 kW·h，為電動汽車直流微電網(wǎng)配備500 kW·h 儲能電池以及50 kW·h 的超級電容電池.綜上，高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)方案設(shè)計參數(shù)如表1所示.

表1 微電網(wǎng)方案設(shè)計參數(shù)表

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計

光伏發(fā)電系統(tǒng)選用4420 塊單晶硅光伏電板（PV），其主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示.4420 塊單晶硅分為85 個光伏發(fā)電單元.每個光伏發(fā)電單元由4 組（串）并聯(lián)，每組（串）由13 塊光伏電板串聯(lián)，最大功率為17.68 kW.光伏發(fā)電單元技術(shù)參數(shù)如表3 所示.

表2 光伏電池板技術(shù)參數(shù)

表3 光伏發(fā)電單元技術(shù)參數(shù)

續(xù)表3

每個單元由4 個分支線接入直流匯流箱，4 個直流匯流箱接入一個直流配電箱，再經(jīng)過DC/DC變換器接微電網(wǎng)直流母線，如圖3 所示.

3.3 儲能容量配置與儲能裝置選型

由于光伏發(fā)電受天氣的影響，而高速公路服務(wù)區(qū)所接常規(guī)電網(wǎng)供電能力較弱，所以必須要有儲能裝置.儲能裝置一是在光伏發(fā)電較充裕而用電功率較小時儲存電能；二是在負荷高峰時平衡電能；三是與常規(guī)電源一道，滿足陰雨天氣電動汽車充電的需要.本微電網(wǎng)以蓄電池為主，同時輔以超級電容儲能.超級電容充放電能力強，反應(yīng)速度快，能有效地保證直流母線電壓的穩(wěn)定.

安裝蓄電池容量500 kW/500 kW·h，超級電容容量50 kW·h.儲能電池采用安全穩(wěn)定壽命長的磷酸鐵鋰電芯，電芯單體3.3 V/100 AH，電芯型號為FREY 36130290-100AH.122 個單體電池串聯(lián)，電壓為402 V，容量為40.2 kW·h，構(gòu)成一個電池包.整個微電網(wǎng)系統(tǒng)由12 個電池包組成，每個電池包獨立為微電網(wǎng)供電，獨立控制其充電放電.超級電容單體2.5 V/125 AH，采用160 串組成容量為50 kW·h的超級電容通過雙向DC/DC 接入直流母線.蓄電池和超級電容的主要參數(shù)如表4 所示.

表4 蓄電池和超級電容的主要參數(shù)

4 結(jié)論

隨著電動汽車的快速增長，解決高速公路上電動汽車充電的問題日益迫切.而高速公路服務(wù)區(qū)地處偏僻，電網(wǎng)供電能力較弱，難以滿足電動汽車充電的需要.本文提出了在高速公路服務(wù)區(qū)開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電，建設(shè)電動汽車微電網(wǎng)的構(gòu)想.考慮到光伏發(fā)電和電動汽車負荷特性，提出采用直流微電網(wǎng)，建設(shè)高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)的具體方案.