含路燈充電樁的智慧城市電網節能體系構建與研究

文_唐京瑞 楊新順 段勛興 陳勇

1.重慶化工職業學院 2.國家電網公司

1 引言

進入21世紀，節能與環保已成為全球化共同關注的話題。能源短缺、電力供應緊張問題形勢日益嚴峻，2018年7月，重慶市最大用電負荷增長迅猛，電力最高負荷達到2100萬千瓦以上，已超過歷史最高負荷。其中，市政路燈照明和電動汽車充電用電量占到了總用電量的34%。傳統的城市配電網存在設備能耗高現象日益突出，本文以市政路燈和新能源汽車充電樁為主要研究對象,對用戶終端負荷特性的變化進行了分析,提出了基于直流配電網的智慧城市節能體系構建方案。

2 市政智慧路燈充電樁設施分析

目前電動汽車充電主要采用換電和充電兩種方式。換電需要建設專業的換電站，通過電池拆卸和安裝服務為電動汽車補充電能。本文主要分析充電方式下充電樁的設施建設情況。

已建設的充電樁，以獨立充電樁為主，主要建設在居民小區、公共停車場和地下車庫等地。一般采用額定功率3～15kW的交流充電模式。充電樁的優點主要體現在占地面積小、投資少、建設快、充電方便、并且對電網沖擊較?。坏瑫r存在充電時間長、充電集中負荷大等不足。

市政路燈與電動汽車充電樁一體化系統，將市政路燈由傳統的高壓鈉燈改為新型LED路燈，并建成路燈充電樁一體化裝置，在智慧城市電網節電體系中具有一定的應用價值。隨著國內每年電動汽車數量的增加，電動汽車充電耗能占城市用電負荷所在比重亦越來越大。因此，構建和探索新的智慧城市電網節能體系具有重要的研究意義。

3 智慧城市節能體系的構建與研究

目前城市配電網主要以交流電網為主，電壓等級有10kV、6kV以及低壓220/380V等，電網結構較為成熟。但隨著柔性負荷和直流設備的增多，現有的交流配電網越來越不能適應節能的要求，因此非常有必要構建新的智慧城市節能體系。

3.1 低壓直流配電網的系統架構

低壓直流母線系統構成形式主要分為三種，分別是單母線結構、雙母線結構和分層式母線結構。其中單母線結構典型的母線電壓為380V或400V，如圖1所示。單母線直流結構容易與現有的380V交流設備兼容，若需給計算機等弱電設備供電時，也只需增加電源適配器即可滿足供電要求。

圖1 單母線系統結構圖

雙母線結構由兩條母線分別連接不同的分布式電源，從而實現兩條母線交替時供電的直流配電系統，當一條母線出現故障時，另外一條母線仍然可以給負載供電，保證了供電的可靠性，但相對于單母線結構而言，雙母線結構建設成本更高。

分層式母線結構一般具有兩種不同電壓等級的兩條或多條直流母線構成，例如圖2中分別具有380V和24V兩條直流母線，分層式母線結構增加了低壓設備供電的安全性，并且可以同時向不同電壓等級設備供電，省去電源適配器降壓環節，具有供電可靠、效率高等優點。

圖2 分層式雙母線系統結構圖

3.2 分布式新能源發電特性

目前可利用的新能源主要以太陽能和風能為主。太陽能發電直接以直流電的形式產出電能，為直流電源，需要經過DC/AC轉換才能接入傳統的交流配電網。

風力發電發出的電能則為交流電，但由于風機上葉輪受力的不同，其旋轉的頻率也不同，因此發出的電力頻率也不穩定，無法直接接入現有的交流電網（頻率為50Hz），因此需要先經過AC/DC轉換，再經過DC/AC的兩次轉換，才能并入50Hz交流配電網。

如果使用直流配電網，在分布式能源并入過程中可以減少直流轉換交流的環節，不但能夠減少電網的建設成本，提高電網的可靠性，還能降低電能傳輸過程中的損耗，起到良好的節能效果。因此，隨著分布式發電的快速發展及全面推廣，直流配電的優勢越來越明顯，在城市的建設過程中迫切需要發展直流配電網以適應新能源發展的要求。

3.3 含路燈充電樁直流配電網絡的構成

路燈充電樁主要是將電動汽車充電樁嫁接在市政路燈上，一方面既能保持現有的道路照明，另一方面還能為新能源電動汽車提供充電服務。

除此之外，智慧路燈充電樁往往還具有LED廣告屏、無線網絡微基站、環境監測和監控等功能,這些設備也主要以直流電源為主。因此在含路燈充電樁直流配電網構成當中，供電電源一部分來自于外部交流電網，通過AC/DC整流變換為直流電源，另一部分主要以吸納太陽能、風能和電池儲能電源，光伏發電和風能發電可以直接為路燈和LED廣告屏提供電能，同時還可以將剩余的電能存儲起來，為電動汽車提供充電電源。含路燈充電樁直流配電網絡結構如圖3所示。雖然在起初建設過程中需要投入一定的成本，但從長遠來看能夠起到良好的節能效果。

圖3 含路燈充電樁直流配電網絡結構圖

4 結語

通過對低壓直流配電網和分布式新能源特性的分析，并結合智慧城市電網發展的主要趨勢，本文提出了含路燈充電樁直流配電網絡的構成方式，與現有的交流電網相比，直流配電網具有節能減排的作用，具有較好的應用前景。