電動汽車充換電站交直流系統(tǒng)設(shè)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(shè)計院，南京市211102;2．國網(wǎng)江蘇省電力公司建設(shè)部，南京市210024;3．國網(wǎng)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(shè)備之一，許多學(xué)者對電動汽車的相關(guān)問題進(jìn)行了研究和探索。文獻(xiàn)［1］研究了電動汽車和車電互聯(lián)技術(shù)(vehicle-to-grid)導(dǎo)致的鋰離子電池退化。文獻(xiàn)［2］評估了插電式電動汽車對配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)［3］研究了北京市居民對電動汽車的響應(yīng)特點(diǎn)。文獻(xiàn)［4］設(shè)計了一套充換電站及電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)［5］對充換電站蘇滬杭城際互聯(lián)方案和工程難點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)［6］探討了電動汽車充電站最優(yōu)規(guī)模和布局。文獻(xiàn)［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(xiàn)［8］研究了“充放儲”一體化站對區(qū)域配電網(wǎng)的諧波治理。文獻(xiàn)［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(xiàn)［10］分析了智能電網(wǎng)對用戶用電的影響。文獻(xiàn)［11］進(jìn)行了基于IEC 61850 的電動汽車充電站通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計。文獻(xiàn)［12］探析了電動汽車充電站運(yùn)營模式。文獻(xiàn)［13］分析了電動汽車充電站對電網(wǎng)諧波的影響。文獻(xiàn)［14］基于WebGIS 技術(shù)提出了一種電動汽車充電樁運(yùn)營管理系統(tǒng)建設(shè)方案。良好的充換電站網(wǎng)絡(luò)的建立是推廣電動汽車產(chǎn)業(yè)的前提，而交直流系統(tǒng)作為充換電站的心臟，現(xiàn)有文獻(xiàn)中未見有關(guān)其的研究報告。本文從實(shí)際工程項(xiàng)目角度出發(fā)，提出一種充換電站交直流系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化方法。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 充換電站

電動汽車充換電站的結(jié)構(gòu)示意見圖1。圖中:空心、實(shí)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(nèi)、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(yīng)中樞，用以為充換電站內(nèi)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(nèi)各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，提供圖形化人機(jī)界面及語音報警功能，展示各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息、計量信息的上傳;輔助系統(tǒng)包括采暖通風(fēng)、電氣消防等。

圖1 電動汽車充換電站的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為220 V 交流電。在交流系統(tǒng)中，分箱充電機(jī)從交流分電柜取電，充電機(jī)、充電樁、采暖通風(fēng)等設(shè)備通過電纜直接從交流母線取電。

2 參數(shù)計算

2.1 交流系統(tǒng)計算

2.1.1 交流負(fù)荷統(tǒng)計

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

2.1.2 充電設(shè)備總?cè)萘?/p>

式中:P 為充電機(jī)的輸出功率;cosφ 為功率因數(shù)，根據(jù)規(guī)程要求，應(yīng)達(dá)到0.9 以上，取0.92;η 為充電機(jī)工作效率，高頻開關(guān)整流充電機(jī)取0.9;K 為同時系數(shù)，取0.65;n 為充電機(jī)數(shù)量。

圖2 交直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)，分箱充電機(jī)運(yùn)行功率按12 kW 考慮，由式(1)可得該部分總?cè)萘縎1=923 kVA。

對于充電機(jī)部分，配置5 臺100 kW 一體式直流充電機(jī)，由式(1)可得該部分總?cè)萘縎2=393 kVA。

2.1.3 其他設(shè)施負(fù)荷(除充電機(jī)外)

按照2 套公交車電池箱更換設(shè)備共50 kW，5 臺7 kW 的交流充電機(jī)共35 kW，其他監(jiān)控、照明、空調(diào)和辦公用電負(fù)荷等60 kW，同時系數(shù)取0.8，可得除充電機(jī)外設(shè)施的負(fù)荷S3=116 kVA。

2.1.4 總負(fù)荷

2.1.5 變壓器容量

變壓器最佳負(fù)載率，取0.8;變壓器總?cè)萘繛?/p>

即設(shè)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(xiàn)［15］。

2.2.1 負(fù)荷統(tǒng)計

本充換電站內(nèi)各類直流負(fù)荷統(tǒng)計、直流負(fù)荷計算結(jié)果分別見表1、2。

2.2.2 蓄電池個數(shù)

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(shù)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(jù)表2，經(jīng)計算建議選用蓄電池容量80 Ah。

2.2.4 充電裝置

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

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

表2 直流負(fù)荷計算結(jié)果(220 V)Tab．2 Calculation results of DC load (220 V)

3 主要設(shè)備的選擇

3.1 交流系統(tǒng)

3.1.1 電氣接線方案

10 kV 側(cè)、0.4 kV 側(cè)均采用單母線接線;0.4 kV側(cè)采用中性點(diǎn)直接接地運(yùn)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(guān)柜采用空氣絕緣式負(fù)荷開關(guān)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(jìn)線斷路器選用框架斷路器，額定極限短路分?jǐn)嗄芰?5 kA。出線斷路器選用普通塑殼斷路器，額定極限短路分?jǐn)嗄芰?0 kA。高壓斷路器配置輔助觸點(diǎn)和報警開關(guān)，以接入監(jiān)控系統(tǒng)配合工作。配置相應(yīng)數(shù)量的0.4 kV 進(jìn)線柜、饋線柜。

3.1.4 電力電纜選型

采用1 回10 kV 進(jìn)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(jī)柜的電纜截面不小于70 mm2。

3.2 直流系統(tǒng)

全站設(shè)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(shè)備組2 面直流柜。全站設(shè)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(yīng)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(jìn)行計算，計算條件如表3 所示，結(jié)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(jié)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(hù)、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(nèi)10 kV 側(cè)采用單母線接線;0.4 kV側(cè)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(jī)構(gòu)為預(yù)儲能式，合閘電流較小，因此不設(shè)置合閘母線，由控制母線提供合閘電流。

4.2.2 饋線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

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

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

4.2.3 設(shè)備選型和布置的優(yōu)化

(1)交流系統(tǒng)進(jìn)線使用斷路器，1 250 kVA 及以下容量的變壓器在高壓側(cè)使用負(fù)荷開關(guān)加熔斷器，1 250 kVA以上則使用斷路器，變壓器低壓側(cè)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(shè)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(nèi)，無須設(shè)置蓄電池小室，可布置于二次設(shè)備室或主控室。

4.2.4 保護(hù)裝置的優(yōu)化

僅設(shè)置10 kV 進(jìn)線保護(hù)、變壓器保護(hù)，充電設(shè)備的保護(hù)，測控裝置內(nèi)置于裝置內(nèi)，簡化了供電。

對于沖擊負(fù)荷，即斷路器操作電源，僅對10 kV交流進(jìn)線、變壓器設(shè)置保護(hù)(此時設(shè)置直流操作電源);對于負(fù)荷開關(guān)，可不設(shè)置保護(hù)、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(guān)系

監(jiān)控系統(tǒng)中的服務(wù)器、工作站數(shù)量應(yīng)根據(jù)充換電站的規(guī)模進(jìn)行調(diào)整，可在單個服務(wù)器或工作站上實(shí)現(xiàn)多個功能或運(yùn)行多個軟件，參數(shù)計算時需要予以考慮。

通信采用帶光口的三層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)，無須另外配置通信接入設(shè)備，因此不考慮通信系統(tǒng)的供電。

4.2.6 停電時間的設(shè)置

根據(jù)充換電站用電負(fù)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(xiàn)場后手工投閘考慮。該時間可根據(jù)實(shí)際情況或特殊要求進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié) 論

(1)本文借鑒了變電站交直流系統(tǒng)的參數(shù)計算方法，根據(jù)充換電站規(guī)模和參數(shù)計算的結(jié)果來進(jìn)行設(shè)備選擇和布置。其中，交直流負(fù)荷的大小和種類直接影響著參數(shù)計算、設(shè)備選擇結(jié)果，因此負(fù)荷統(tǒng)計應(yīng)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(yùn)行的前提下，盡量減少占地和投資。

(2)在實(shí)際工程項(xiàng)目中，充換電站交直流系統(tǒng)的設(shè)計還必須符合電動汽車、充換電站的相關(guān)規(guī)程、規(guī)定，并針對具體細(xì)節(jié)作進(jìn)一步考慮和完善。

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