配電系統與電動汽車充電網絡的協調規劃研究

劉印楠

摘 要：我國的能源緊缺情況十分嚴重，而汽車行業對能源的消耗量比較大，所以汽車行業開始使用新型的電力能源，使電動汽車得到廣泛的應用。在對電動汽車進行推廣的過程中，需要對配電系統和充電網絡進行協調性的規劃，才能促進我國電力汽車的快速發展。本文對電動汽車充電基礎設施進行分析，并就充電樁的設計進行探討。

關鍵詞：配電系統 電動汽車 充電網絡 協調規劃

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0102-02

要全面地推廣電動汽車，就需要先解決汽車的充電問題，這就涉及到配電系統與電動汽車充電網絡的協調規劃。其中，最關鍵的就是充電基礎設施的建設，以及對充電樁的設計。有效地解決這個問題，促進電力汽車的推廣，從而緩解我國的能源緊缺問題。

1 充電基礎設施分析

1.1 快速充電站

由于電動汽車的電池在使用一段時間后就會老化，使汽車的電力供應不足，所以車主通常會將分散式充電樁作為汽車的電能補充。但是，在車主用車過程中，可能會出現電力不足需要充電的情況，但又不可能花太多的時間去等待充電，這就需要快速充電站來完成充電工作。比如，某車主從A地行駛電動汽車到B地，里程總共為460km，當行駛到300km時，電動汽車的電量就只剩下20%，無法支撐到目的地，所以需要在途中充電。快充設備能夠補充電能，對電動汽車進行能量補給。假定電動汽車不會對車主的出行造成影響，每個快速充電站中，待充電車輛的平均到達率與其截獲的交流流量是成正比關系的，則其帶充電車輛的平均 達到率，會受到多種因素的影響。比如，快速充電站的候選站地址、在某個時間段和交通高峰期待充電車輛的平均達到率等。而電站的服務水平，會在很大程度上受電動汽車普及程度的影響。快速充電站的服務水平，主要受交通高峰時段平均每個車主充電時間的影響。所以，在設計快速充電站中充電設備的數量時，要以車主平均充電時間不會超過設定的閾值為原則。比如，有4個快速充電站，1號和2號快速充電站的實際位置分別為N（a）和N（b）。3號和4號快速充電站的位置分別為N（c）和N（d），快速充電設備的數量分別為C和D。其中，N（a）表示此快速充電站在配電系統中的實際節點編號為N，在交通網絡中的節點標號為（a），后面的位置依次類推。則在對這對快速充電站中充電設備的數量進行配置時，1號、2號、3號和4號配置的數量分別為A、B、C、D。

1.2 分散式充電樁

在電動汽車的能源補給方式中，分散式充電樁是最主要的方式，電動汽車充電網絡中的充電服務水平，受分散式充電樁布局合理性的影響比較大。通常情況下，在確定每個節點的充電需求時，可將分散式充電樁的數量作為確定的依據。第一個公式為，；第二個公式為，。其中，表示分配系統節點的充電頻次需求；為應配置的分散式充電樁數量；為配電系統充電頻次的總需求；為選擇將分散式充電樁作為能源補給方式的比例；為在時段內，配電系統節點在處所停放的電動汽車數量；為配電系統中節點的集合；T的取值范圍為從1到24的整數，是一天24小時的時段結合；則表示每個充電樁每天的平均服務次數。通過分散式充電樁而引入的配電系統中，每個節點在不同時段的充電功率和容量，可以通過相應的關系來計算。即可以通過關系式

和

來計算。其中；表示分散式充電樁引入的配電系統節點在時段的充電功率；表示分散式充電樁引入的配電系統節點在時段的容量；表示平均充電的時間長度；表示分散式充電樁的額定充電功率。

2 充電樁設計分析

2.1 外形設計

在設計充電樁的外形時，不能影響到充電樁的安全防護功能，內部的電氣保護設備，要能夠對回路起到有效的保護作用。同時，在對充電樁的外觀進行設計時，要保證其擁有一定的美觀度，為電力企業樹立良好的外在形象。而充電樁的外殼材料要比較堅固，其室外保護等級不能低于IP54。此外，還應安裝空氣開關，為輸入防雷器的空氣開關，且要具備直流漏電保護功能。安裝緊停按鈕，可在緊急情況下及時停止充電操作，還需要安裝交流熔斷器充電連接器。

2.2 功能設計

在對充電樁進行功能設計時，主要包括以下幾方面：第一，安全防護功能，比如，在充電樁中采取過流、過壓、過溫、防雷保護等措施，對線路中的相應異常情況起防控作用，從而達到對充電樁進行保護的目的。第二，設計緊急停止功能，系統可自動對充電連接器進行分析，判斷充電電纜的連接是否合理、安全，從而保證在電動汽車連接到交流充電電樁時，充電樁能夠正常地進行充電啟動。當兩者的連接不正確時，充電樁就不會正常啟動充電。第三，充電樁要能夠計量計費，所以要在其中安裝電能計量裝置，實現其與主控器之間的通信。最后，后臺系統要能夠將汽車的BMS系統信息進行上傳，所以充電樁要具備信息傳輸功能。

2.3 交流充電樁設計

在對充電樁進行高壓設計時，主要采用SF6絕緣開關柜，其中所包含的單元主要有三個，即進、出線負荷開關和負荷開關熔斷組合。在低壓部分安裝掛接式的系統，母線不打孔，進線開關要具備隔離功能，所以一般選擇熔斷式的開關。高壓設計部分，要選擇完全絕緣的高壓環網開關柜，帶電部分和開關要用封閉在不銹鋼外殼中，這樣就可避免受到外界因素的影響。所以，不需要再安裝加熱器，也不用擔心會出現凝聚現象，從而保證充電樁能夠正常使用。

3 協調規劃

為確保配電系統與電動汽車充電網絡之間的規劃具有協調性，就需要做到以下幾點：第一，投資和系統網損最小，在實際的規劃過程中，所投入的成本會影響充電網絡在實際運行中所產生的經濟效益。所以，在對配電系統與電動汽車充電網絡進行規劃時，要建立相應的數學模型進行分析。根據相關研究，影響投資成本和系統網損的因素主要有四點，第一是配電線路在建設過程中所花費的成本；第二是快速充電站建設所投入的成本；第三是系統網損的成本；最后是變電站擴充容量需投入的成本。所以，在實際的網損值計算中，要采用多時段潮流計算，在計算過程中還需引入虛擬時段值。此外，投資企業還要對自己的投資成本、系統的網損情況、快速充電站所截獲交通流量等進行對比，這樣才能了解到快速充電站在每年中所截獲的交通流量實際值，從而為具體的規劃方案提供數據依據。在對比過程中，同樣需要建立其相關的數學模型進行分析，以確保對比結果的準確性。一些投資商還建立測試系統，采用54節點配電系統與25節點交通網絡的耦合系統對相關的協調規劃模型進行驗證，以便確定模型的可靠性，可用于對配電系與電動汽車充電網絡進行協調規劃，并確保其協調規劃具有實際的操作意義。

4 結語

綜上所述，電動汽車的能源補給方式主要是通過兩種形式進行的，一種是分散式充電樁，一種是快速充電站。同時，還需要對充電樁的外觀、功能和交流充電樁進行合理的設計，以確保配電系統與電動汽車充電網絡的協調規劃科學合理，并能盡可能地減少投資商的投資成本，創造更多的經濟效益。

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