新能源在充電樁供配電設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 馬艷麗

近年來我國節(jié)能減排政策陸續(xù)出臺(tái)，燃油汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，使電動(dòng)汽車的應(yīng)用與普及成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。為適應(yīng)這種發(fā)展趨勢，民用建筑應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范提出的要求加強(qiáng)充電樁建設(shè)，按照相關(guān)指導(dǎo)意見，理論上新建住宅建筑自帶停車場必須建設(shè)充電樁，或?yàn)槌潆姌兜慕ㄔO(shè)預(yù)留一定基礎(chǔ)條件，而對(duì)于大型公共建筑，其停車場中配備充電樁的停車位數(shù)量不能少于總車位數(shù)的10%。由于大部分充電樁使用的電能仍為采用傳統(tǒng)能源生產(chǎn)的電能，所以電動(dòng)汽車使用的依然是傳統(tǒng)能源，這與電動(dòng)汽車開發(fā)的本質(zhì)不相符，所以有必要重視充電樁對(duì)新能源的利用。

電動(dòng)汽車主要依靠充電樁獲取動(dòng)力來源，充電樁的電能則主要從電網(wǎng)中獲取。因我國當(dāng)前依然主要采用火力發(fā)電方式，所以電動(dòng)汽車并沒有從根本上擺脫對(duì)傳統(tǒng)能源的應(yīng)用。而伴隨新能源及其應(yīng)用技術(shù)的不斷開發(fā)和利用，為從本質(zhì)上解決這一問題創(chuàng)造了良好條件。為解決充電樁依然對(duì)傳統(tǒng)能源有很高依賴性的問題，本文在介紹充電樁常見類型的基礎(chǔ)上，結(jié)合某項(xiàng)目實(shí)際情況，對(duì)其充電樁供配電設(shè)計(jì)過程中新能源的適用性及系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行深入分析，提出實(shí)現(xiàn)新能源合理利用的技術(shù)解決方案。

1 充電樁主要類型

市面上按照輸出電流形式可將充電樁分成直流與交流充電樁。其中，交流充電樁依靠傳導(dǎo)方式為裝配了車載充電單元的電動(dòng)汽車充電，其充電電流相對(duì)較小，需較長時(shí)間才能充滿、屬慢速充電范疇，在居民區(qū)與辦公樓建筑中較為適用，平均充電時(shí)間在6～10h 范圍內(nèi)。若按照電壓等級(jí)，還可將該充電樁進(jìn)一步分為單相與三相充電樁兩種，單相充電樁的工作電壓為220V，三相充電樁的工作電壓為380V。

直流充電樁和上述交流充電樁完全不同，屬于非車載充電裝置，可將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，但也通過傳導(dǎo)為電動(dòng)汽車提供電能。該充電樁的電流相對(duì)較大，能縮短充電時(shí)間，在公共場所中較為適用，可滿足用戶的快充要求，一般僅需20～60min 即可充滿。該充電樁的輸入電壓通常為380V，有多種輸入功率，如30kW、45kW、60kW 和120kW。需注意的是，盡管該充電樁能縮短充電時(shí)間，但對(duì)電源及設(shè)備安全性都有更高要求[1]。

交流充電樁的建設(shè)條件應(yīng)達(dá)到以下要求：環(huán)境方面。工作環(huán)境溫度在-20℃～+50℃范圍內(nèi)，空氣相對(duì)濕度在5%～95%范圍內(nèi)，海拔高度不能超過1000m，安裝地點(diǎn)為室外，抗震能力為地面水平加速度0.3g、地面垂直加速度0.15g，充電樁應(yīng)可承受同時(shí)作用持續(xù)三個(gè)正弦波，同時(shí)安全系數(shù)應(yīng)達(dá)到1.67以上；電氣方面。將插頭與插座連接好后才能閉合電路、開始為插座供電，漏保裝置需安裝于供電電纜進(jìn)線側(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接地故障時(shí)采用絕緣監(jiān)察裝置進(jìn)行報(bào)警、并將故障電路及時(shí)切斷，在照明配電線路中照明與插座回路不可采用同一條回路進(jìn)行供電。

直流充電樁的建設(shè)條件應(yīng)達(dá)到以下要求：電源輸入電壓為三相四線380VAC±15%，頻率為50Hz±5%；以直流電為輸出且輸出電壓應(yīng)滿足負(fù)載電池要求；將充電方式分成常規(guī)與快速兩種，其中常規(guī)充電時(shí)間為5h 左右、而快速充電時(shí)間應(yīng)達(dá)到1h 甚至更短；充電樁應(yīng)配備操作器，使用戶自行選擇適宜的充電方式，并為充電操作提供指導(dǎo)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示出電池的實(shí)際狀態(tài)，以此實(shí)現(xiàn)無人管理目標(biāo)；充電樁應(yīng)能對(duì)整個(gè)充電過程產(chǎn)生的異常狀態(tài)予以報(bào)警，并提供必要的保護(hù)功能；充電樁應(yīng)能對(duì)汽車電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并以電池溫度和電壓為依據(jù)，對(duì)充電時(shí)的電流電壓實(shí)施自動(dòng)調(diào)整與控制；充電樁應(yīng)配備強(qiáng)制風(fēng)冷裝置。

2 項(xiàng)目基本情況及供配電設(shè)計(jì)

某商業(yè)項(xiàng)目總建筑面積約0.98萬m2，地上共4層，設(shè)1層地下室，建筑總高23.7m，為多層建筑。項(xiàng)目除基本用電以外，還需配備11個(gè)輸入功率為7kW 的單相交流充電樁以及2個(gè)輸入功率為30kW的三相交流充電樁，此外還制定了以下直流充電方案：采用具有儲(chǔ)能功能的直流充電樁，其輸入功率最大可達(dá)100kW；在此基礎(chǔ)上配備普通直流充電樁，其輸入功率可達(dá)到300kW，輸出電壓最高可達(dá)800V，充電效率可達(dá)100km/4min。因該直流充電樁主要執(zhí)行歐洲標(biāo)準(zhǔn)，我國應(yīng)用并不多，所以這給當(dāng)?shù)毓┡潆娫O(shè)計(jì)有了很高要求。在對(duì)該項(xiàng)目的充電樁實(shí)施供配電設(shè)計(jì)時(shí)，要注意以下要點(diǎn)：

對(duì)于民用建筑而言，中斷供電后會(huì)給公共安全帶來明顯損失的充電設(shè)施，其供電負(fù)荷等級(jí)需達(dá)到二級(jí)以上。由于該項(xiàng)目擬建設(shè)充電樁為商業(yè)用途、并不屬于以上范圍，所以可按照三級(jí)負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該項(xiàng)目無法為充電樁設(shè)置專門的變壓器，需要和其它負(fù)荷共用，所以要充電樁供電需設(shè)置專門的回路。因變壓器低壓側(cè)和充電樁形成的范圍內(nèi)配電級(jí)數(shù)要控制在三級(jí)以內(nèi)，同時(shí)還要嚴(yán)格遵循盡可能減少配電級(jí)數(shù)的基本原則，所以將充電樁的配電級(jí)數(shù)確定為二級(jí)。由于直流充電樁實(shí)際輸入功率存在很大差異，對(duì)于具有儲(chǔ)能功能的直流充電樁其配電級(jí)數(shù)應(yīng)為二級(jí)，從低壓側(cè)母線中通過后由干線電纜反射到所在區(qū)域的配電箱，然后再從配電箱進(jìn)入到充電樁。而對(duì)普通的直流充電樁，可通過低壓側(cè)母線實(shí)現(xiàn)直接供電，其原因?yàn)樵摮潆姌秾?duì)輸入功率有很大需求[2]。

直流充電樁有很高的輸入功率，容易產(chǎn)生沖擊電流，所以其安裝數(shù)量須根據(jù)變壓器容量確定，當(dāng)變壓器最小安裝容量為1kVA 時(shí)，可安裝630個(gè)具有儲(chǔ)能功能的充電樁和320個(gè)普通充電樁；當(dāng)變壓器最小安裝容量為2kVA 時(shí)，可安裝1000個(gè)具有儲(chǔ)能功能的充電樁和630個(gè)普通充電樁；當(dāng)變壓器最小安裝容量為4kVA 時(shí)，可安裝1000個(gè)具有儲(chǔ)能功能的充電樁和1000個(gè)普通充電樁；當(dāng)變壓器最小安裝容量為6kVA 時(shí)，可安裝1000個(gè)具有儲(chǔ)能功能的充電樁和1250個(gè)普通充電樁。

從以上要求可知，伴隨具有儲(chǔ)能功能的充電樁數(shù)量不斷增加，給變壓器安裝容量提出的要求趨于平穩(wěn)，給變壓器容量提出要求的原因?yàn)闇p小沖擊電流可能給變壓器造成的影響。但對(duì)于普通充電樁，因在中間環(huán)節(jié)設(shè)置隔離型變壓器，能起到一定對(duì)沖擊電流的抑制作用?；诖耍?dāng)直流充電樁配置數(shù)量增加時(shí)須提高變壓器安裝容量。

通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集與分析，可確定直流充電樁對(duì)應(yīng)的需要系數(shù)，同時(shí)在實(shí)際使用過程中要結(jié)合項(xiàng)目具體情況及供電部門提供的資料進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在設(shè)計(jì)工作中確定變壓器容量是一項(xiàng)重要內(nèi)容，此過程中須充分考慮日常用電負(fù)荷與交流充電樁要求，同時(shí)預(yù)留一定擴(kuò)容空間，為日后充電樁建設(shè)及發(fā)展創(chuàng)造良好條件[3]。

在用電高峰應(yīng)盡量降低同時(shí)使用率以減小輸入功率，確保整個(gè)建筑所有日常用電負(fù)荷都能正常運(yùn)行。對(duì)具有儲(chǔ)能功能的直流充電樁而言，將鋰離子電池作為儲(chǔ)能裝置，整個(gè)電池模組需3h 左右的充電時(shí)間。按照分時(shí)充電基本原則，充分利用用電低谷時(shí)間進(jìn)行充電而在高峰時(shí)進(jìn)行放電，以此減少運(yùn)營成本。此外，通過對(duì)充放電策略的有效控制與優(yōu)化，延長充電樁儲(chǔ)能裝置壽命。

應(yīng)注意，為滿足防火方面的要求需將直流充電樁設(shè)置在室外，同時(shí)要盡可能縮短和配電室間的距離，供電電源和能源轉(zhuǎn)換裝置間的距離控制在50m內(nèi)，而能量轉(zhuǎn)換裝置和充電終端間的距離控制在30m 內(nèi)，這樣能有效減少線路產(chǎn)生的電源損耗。另外，在整條配電回路中還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)剩余電流的保護(hù)，不可接入其它用電設(shè)備。由于充電樁設(shè)置在室外，所以還應(yīng)加強(qiáng)接地保護(hù)與電擊防護(hù)，以確保設(shè)備得以安全與可靠的使用。

3 新能源應(yīng)用

新能源是對(duì)傳統(tǒng)能源實(shí)施的補(bǔ)充與替代，由于具有可再生性和清潔性，所以得到高度重視。伴隨其應(yīng)用技術(shù)不斷成熟，已開始在民用建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對(duì)民用建筑而言，常用新能源類型包括風(fēng)能、地?zé)崮芗疤柲堋Ｆ渲?，風(fēng)能利用一般和建筑主體布局優(yōu)化及門窗合理設(shè)置充分結(jié)合，以此實(shí)現(xiàn)自然降溫，保證建筑自然通風(fēng)效果，從而減少能源消耗。采用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，即便不考慮工程造價(jià)，在發(fā)電過程中也會(huì)產(chǎn)生很大噪音污染，給建筑使用時(shí)的聲環(huán)境造成影響，而且城市當(dāng)中風(fēng)能資源十分有限。該項(xiàng)目屬于多層建筑、不具備風(fēng)能發(fā)電條件；地?zé)崮苁侵赋浞掷玫貧ぶ泻械奶烊粺崮苓M(jìn)行發(fā)電，往往對(duì)地理位置有很高的要求。項(xiàng)目所在地區(qū)主要利用的是淺層地?zé)崮埽柚卦礋岜眉夹g(shù)對(duì)水進(jìn)行加熱，然后實(shí)現(xiàn)建筑供暖及制冷，相較于地?zé)岚l(fā)電不僅開發(fā)時(shí)間較短而且利用率高。因此，地?zé)崮懿⒉贿m合發(fā)電[4]。

太陽能指的是太陽光線的熱輻射能，亦可以稱作太陽光能，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的過程即為太陽能光伏發(fā)電。太陽能的利用基本不會(huì)受到場地因素的限制，光伏板可充分利用屋頂與墻面，且系統(tǒng)建設(shè)周期相對(duì)較短，所采用的發(fā)電方式也較靈活。盡管光伏發(fā)電技術(shù)存在初期投資相對(duì)較高和能量密度不高的實(shí)際問題，然而伴隨這項(xiàng)技術(shù)的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，光電轉(zhuǎn)換效率將不斷提高，隨之初期投資也能大幅降低，為充電樁對(duì)太陽能的利用創(chuàng)造了良好條件。

常規(guī)光伏發(fā)電系統(tǒng)包含光伏陣列，充、放電控制器，儲(chǔ)能裝置（逆變器）。系統(tǒng)安裝容量可采用公式計(jì)算得出：P=pSη，式中，P 表示系統(tǒng)安裝容量；p 表示單位面積光伏板實(shí)際輸出功率；S 表示光伏板有效作用面積；η 表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。按照當(dāng)前技術(shù)水平，光伏板實(shí)際輸出功率大多保持在150～200W/m2范圍內(nèi)，而系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率一般不低于70%。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，有1200m2的面積可進(jìn)行光伏板鋪設(shè)，據(jù)此保守估計(jì)該建筑光伏系統(tǒng)安裝容量可達(dá)到120kW。

對(duì)民用建筑而言，主要使用下列兩種光伏系統(tǒng)，即離網(wǎng)型與并網(wǎng)型。考慮到充電樁實(shí)際用電量相對(duì)較大，安裝容量只有120kW 左右的光伏系統(tǒng)難以滿足所有充電樁用電要求。如果只采用離網(wǎng)型一種類型，則會(huì)使蓄電池實(shí)際安裝容量顯著增大，對(duì)項(xiàng)目而言不僅經(jīng)濟(jì)性較差而且實(shí)現(xiàn)難度很大?；诖?，該建筑主要引入的是并網(wǎng)型系統(tǒng)[5]。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)并網(wǎng)型系統(tǒng)而言，應(yīng)采取有效措施避免孤島效應(yīng)發(fā)生。通過設(shè)置防逆流控制裝置，通過對(duì)變壓器低壓側(cè)實(shí)際電流及電壓進(jìn)行的實(shí)時(shí)檢測對(duì)并網(wǎng)逆變器實(shí)際投入進(jìn)行控制，確保光伏系統(tǒng)電量始終比用電負(fù)荷實(shí)際用電量小，實(shí)踐表明，通過這樣的設(shè)計(jì)能有效避免系統(tǒng)向市電反送電能。根據(jù)該項(xiàng)目所在地區(qū)實(shí)際情況，光伏板的安裝需按照25°的角度進(jìn)行，若每年的有效利用時(shí)間取1200h，則經(jīng)過初步測算僅需6～8年的時(shí)間即可將前期建設(shè)投資完全回收。

4 結(jié)語

大力推廣和應(yīng)用電動(dòng)汽車的主要目的，在于減少對(duì)無法再生的能源和資源的依賴程度。在電動(dòng)汽車充電樁中通過對(duì)新能源技術(shù)的合理應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)更高層次的節(jié)能減排目標(biāo)、使新能源技術(shù)實(shí)際應(yīng)用成為系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)都有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。就目前來看，要想在民用建筑領(lǐng)域大規(guī)模引入新能源技術(shù)，依然存在成本造價(jià)較高的問題，表現(xiàn)為需要大幅增加初期投資來設(shè)置一系列裝置和系統(tǒng)，雖然這部分投資通過后期運(yùn)行減少對(duì)傳統(tǒng)能源的利用來彌補(bǔ)，但這需要很長的周期。

因此，如何使新能源技術(shù)的應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益上達(dá)到平衡是接下來研究工作的重點(diǎn)，有必要引起相關(guān)人員的高度重視。經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)踐，該項(xiàng)目充電樁新能源技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證是合理可行的，值得類似項(xiàng)目參考借鑒，為新能源技術(shù)在充電樁設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。