新能源在充電樁供配電設計中應用的技術探討

劉權漪 楊磊 梁冬旭

摘要：電動汽車通過充電樁獲取的電能，通常是從電網直接獲取。由于我國現階段仍以消耗傳統能源的火力發電為主，因此電動汽車并未真正擺脫對傳統不可再生能源的依賴。隨著新能源的進一步開發與利用，為有效解決此問題提供了可能性。本文對新能源在充電樁供配電設計中應用的技術進行探討。

關鍵詞：新能源;充電樁;供配電設計;技術探討

1項目概況

某新建商業項目建筑面積為9800m2，建筑層數地上4層，地下1層，高度為23.7m，屬多層建筑。除了項目常規的日常用電外，工程中還要求為其配備11個7kW的單相交流充電樁，2個30kW的三相交流充電樁，以及對直流充電方案進行供配電設計。直流充電方案分為兩種，一種為儲能型直流充電樁，最高輸入功率為100kW;另一種為非儲能型直流充電樁，最高輸入功率高達300kW，直流輸出電壓高達800V，百公里里程充電僅需4min。由于此直流充電樁執行的是歐洲標準，在我國境內的應用尚屬首次，因此也對本地化的供配電設計提出挑戰。

2充電樁供配電設計

民用建筑中，對于中斷供電將在公共安全方面造成較大損失的充電設施，或對公共交通、社會秩序造成較大影響的充電設施，其供電負荷等級不低于二級負荷。該項目充電樁僅用于商業用途，不在此范圍內，因此按三級負荷設計。該項目不具備單獨設立充電樁專用變壓器的條件，與其他用電負荷共用變壓器，采用專用回路為充電樁供電。由于變壓器低壓側至充電樁之間的配電級數不宜超過三級，并且遵循配電級數越少供電越可靠的原則，交流充電樁采用二級配電模式。考慮到直流充電樁輸入功率的差異性，儲能型直流充電樁采用二級配電模式，經由變壓器低壓側母線通過干線電纜放射式至區域配電箱，再由區域配電箱供電至各充電樁。對于輸入功率需求較大的非儲能型充電樁，則由變壓器低壓側母線直接供電。充電樁供配電系統示意圖如圖1所示。

直流充電樁輸入功率高、沖擊電流大，其安裝數量也對變壓器的容量提出了要求。直流充電樁數量對變壓器安裝容量要求如表1所示，變壓器安裝容量僅為對應直流充電樁的負荷需求，不包含其他負荷的設計容量。從表1中可以看出，儲能型直流充電樁隨著數量的增加，對變壓器的容量需求趨于穩定，對于容量的需求旨在限制沖擊電流對于變壓器的影響。而非儲能型直流充電樁，由于在中間環節采取隔離型變壓器，有效抑制沖擊電流對市電的影響。因此，隨著直流充電樁安裝數量的增加，變壓器的容量需求隨之增大。

根據實際運行數據和相關資料，經過分析處理，得出直流充電樁的需要系數。直流充電樁需要系數曲線如圖2所示，在實際運用中，可根據當地供電部門資料和項目運行情況進行調整。在設計時對變壓器容量的選擇，應充分考慮到項目中日常負荷及交流充電樁的用電，并適當預留擴容空間，滿足日后充電樁發展需求。

同時，采用能源管理控制器對充電樁負載進行能耗控制。在用電峰值期間，減少交流充電樁的同時使用率，降低直流充電樁的輸入功率，保證整個大樓日常用電負荷的正常運行。用電峰值期間能源管理前后供電需求對比如圖3所示。對于儲能型直流充電樁，其儲能裝置采用的鋰離子電池，全電池模組充電時長為3h。采用分時充電原則，利用電價谷時時間段為儲能裝置充電，在電價峰時為直流充電樁放電，進一步降低電價所帶來的運營成本。另外對充放電策略進行控制，延長儲能裝置的使用壽命。需要注意的是，考慮到建筑防火要求，直流充電裝置宜設置在室外。直流充電裝置宜與變配電室就近集中布置，其中供電電源點至能量轉換裝置的距離不宜超過50m，能量轉換裝置至充電終端的距離不宜超過30m，以減少供電線路上的電源損耗。充電樁配電回路應設置剩余電流保護，并且不應接入無關的用電設備。室外充電設備應做好電擊防護和接地措施，保證設備安全、可靠的運行。

3新能源適用分析

新能源作為傳統能源的替代和補充，其可再生性及清潔性正越來越受到人們的重視。隨著新能源技術日趨成熟，新能源已經廣泛應用在民用建筑中。國家住房和城鄉建設部頒布的國家標準GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》第7章、GB/T50378—2019《綠色建筑評價標準》第7.2.9條、建筑工程行業標準JGJ/T229—2010《民用建筑綠色設計規范》第10.1.2條以及各省市制定的地方標準，如上海市工程建設標準DGJ08-2143—2014《公共建筑綠色設計標準》，都為新能源的利用與推廣提供支持。在民用建筑領域，新能源的利用主要集中在太陽能、風能和地熱能等能源上。風能是利用風在空氣中流動形成的負載能量。在民用建筑中，風能的利用通常與建筑的主體布局和門窗設置相結合，達到自然降溫和通風的效果，來減少機械能源的消耗。而通過風能發電，除去工程造價的考慮，一方面，風力發電機容易產生噪聲污染，影響整個建筑的聲環境;另一方面，城市中風能資源有限，即使利用也僅在高層建筑中有可行性。該項目僅為多層建筑，因此利用風能發電不適合。地熱能是利用地殼中的天然熱能發電，對地理位置要求極高。上海地區多是利用淺層地熱能，通過地源熱泵技術，直接利用地熱水對建筑進行供暖制冷。與地熱發電相比，其開發時間短、投資低、利用效率更高。所以，利用地熱能為充電樁供電在該項目中不可取。太陽能是指太陽的熱輻射能，也稱太陽光能。利用太陽光能轉換為電能的發電方式，稱之為太陽能光伏發電。太陽能不受場地限制，隨處可得;太陽能光伏板可有效利用建筑物的屋頂和墻面，同時太陽能光伏發電系統建設周期短，發電方式靈活。雖然太陽能光伏發電受制于初始投資成本高、能量密度低等問題，但隨著近年來太陽能光伏發電技術不斷改進，其光電轉換效率進一步提高，投資成本也大大降低，為在充電樁供配電中應用提供可能性。

結束語

電動汽車的推廣是為了減少對傳統不可再生能源的依賴。通過對新能源在充電樁供配電設計中應用的技術探討，對進一步實現節能減排，讓新能源技術的利用真正成為一個完整的產業系統有著重要意義。現階段新能源在民用建筑中的應用成本造價仍相對較高，如何實現其有效應用與經濟效益的平衡是下一步深入研究的課題。

參考文獻

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