適用于社區的電動汽車柔性直流充電技術研究

顧國華，宋偉華

（江蘇格潤電力科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

新基建方案中，新能源汽車充電樁產業直接帶動了國內基礎建設、新能源汽車行業以及互聯網行業的快速發展，能夠對接5G網絡和能源互聯等具有明顯時代特征的融合型基礎設施。我國是世界第一大電動汽車市場，預計從2021年到2030年，需要新建樁6 300多萬個。社區充電具有充電便捷、電能源浪費相對較低以及使用性能高等特點，是電動汽車車主最理想的充電方式[1]。

各地市逐步出臺了支持在住宅小區增設電動汽車充電樁的指導意見或建議。據不完全統計，全國前36名的城市約有30萬個小區，其中上海的小區超過15 000個，北京的小區超過10 000個。目前，住宅小區停車場配有的充電設施很少，很多居民想購買電動汽車，卻因為擔心充電困難不敢購買，而私人安裝充電樁受到車位和小區配電容量等條件的制約。社區規模化建設電動汽車充電樁存在諸多問題，如新建社區供電富裕量難以分配給充電裝置、舊社區供電容量增容難、充電樁功率增加給社區供電穩定性帶來隱患、社區內交流充電樁現狀滿足不了與電網互動的技術基礎以及社區內慢充的現狀無法解決快充的需求等[2]。

針對這些問題，本文全面調研和分析了社區內規模化建設充電設施涉及到的方案和綜合技術，提出了一種兼顧社區電網環境和用戶使用需求的柔性直流充電方法，以促進我國社區充電網絡建設的規模化發展。

1 社區內電動汽車充電設施現狀

目前，社區內電動汽車充電模式可分為交流充電和直流充電兩種方式，具體對比參數如表1所示。交流充電通過交流充電樁實現。實際上，交流充電樁本身不具備充電功能，是通過提供電力輸出給車載充電機，從而實現電動汽車電池的充電。因為車載充電機的功率一般都比較小，為3～7 kW，所以交流充電樁無法實現快速充電，充滿電一般需要5～8 h。當前社區里私人用戶大都是安裝的交流充電樁，其人工及能源成本低，安裝便捷，且可利用晚上低谷電進行充電。充電時段充電電流較小，電壓相對穩定，能夠保證動力電池組的安全并延長動力電池使用壽命，但是慢充充電時間過長，難以滿足車輛短時恢復運行的需求。

一些供電富余量較大的小區，在公共停車區域可能會安裝少量的直流充電樁。這種裝置充電功率一般高于30 kW，可在30～60 min內為動力電池充電50%～80%。相對于交流充電樁，它具有充電時間短、充電車輛流動快以及節省充電站車場面積等優勢，但也存在充電效率低、設備成本較高以及大電流充電會對公共電網設備形成沖擊而影響供電質量和安全等若干問題。

表1 社區內交流充電與直流充電的主要參數對比

交流充電和直流充電的充電負荷會影響社區電網的穩定性。特別是對于供電裕量不足的社區低壓配電來說，快充負荷的接入會大幅降低并網母線電壓的靜態穩定裕度。同時，充電啟停階段的瞬時沖擊會引起社區電網頻率波動超標的問題，從而影響其他接入該電網用電設備的安全運行[3]。

隨著社區內電動汽車數量的快速增加，大量充電負荷接入社區電網，改變了原有的電網形態，而不確定的充電行為進一步擴大了負荷峰谷差。社區電網容量難以增加，加大了配電網變壓器過載風險，顯著增加了電網損耗和電壓偏差。為了緩解此類問題的風險，市場上已出現了箱變控制集中布置、充電終端分散布置以及具備群管群控功能的交流充電設施，可與社區用電數據進行對接，從而合理調配車輛充電時間段，提高電力使用效率。但是，這種充電方式仍屬于交流充電方式，充電速度慢且不支持V2G，既難以滿足社區的現有充電需求，也不能適應未來車網互聯互通的能量雙向流動需求。

2 社區內柔性直流充電裝置對電力系統的影響研究

社區充電需要引入一種既能適應當前配電網形態，又能給用戶提供高質量充電服務的充電方式。為滿足以上需求，設計了一種適應于社區的柔性直流充電裝置，可在不增加社區配電網容量的前提下，通過預測、測量以及控制小區供電容量和充電負荷，輔以精細化的有級投切控制技術，實現社區多車位直流快充和慢充全覆蓋。柔性直流充電系統如圖1所示。

2.1 社區內柔性直流充電裝置對社區用電電力平衡的影響

圖1 適用于社區的柔性直流充電系統

社區電網存在地域性分配限制，其容量的增加難度很大。電動汽車進行大規模充電時，可能會影響社區電網的穩定性。因此，社區內充電網絡的建設必須要重視社區用電的穩定性和平衡[4]。針對這一問題，柔性直流充電系統可實時監測社區配電網的變壓器容量和供電電壓等參數，通過有序充電控制器協調控制每臺充電樁，并對需要充電的電動汽車數量和充電功率等采取一定的干預措施，從而避免出現變壓器負荷過載和線路故障等問題，確保社區電網的穩定運行。

2.2 社區內柔性直流充電裝置對社區電能質量的影響

充電功率的波動和接入時的沖擊會對社區電網電壓造成影響。電壓不穩定或者波動會影響社區內其他用電設備。另外，電動汽車充電負荷屬于非線性負荷，所使用的電力電子設備將產生一定的諧波，會對電網產生一定的影響，如電壓畸變增大和功率因數降低，降低了社區電網的安全性和穩定性[5]。本文設計的柔性直流充電系統采用主動電能質量治理技術，輸出電流諧波低、功率因數高，并留有儲能接入接口，可為后續系統與供電方的交互提供設備基礎，并可通過儲能設施提高社區配電網的電能質量。

3 社區內柔性直流充電裝置關鍵技術及應用

3.1 小功率和高電壓充電模塊

充電模塊是直流充電裝置的核心部件。柔性直流充電系統的整流模塊采用全數字解耦控制技術，自帶有源功率因數校正功能，功率因數高，電流諧波低，電磁兼容性好。斬波模塊為全橋三電平DC/DC隔離變換拓撲，采用全數字控制自帶同步均流技術，效率高、紋波低以及調壓范圍大，整體效率大于96%。圖2為該充電模塊的原理框圖。

圖2 充電模塊原理框圖

由圖2可知，充電模塊整流部分以50 kW為單位進行設計，斬波部分由7 kW為單位進行設計，通過精細化分級投切功率回路控制。單槍功率7～50 kW輸出可調，全面覆蓋慢充和快充；超寬輸出電壓范圍DC 200～950 V，覆蓋國標全部電壓范圍；超寬恒功率輸出區間為DC 340～450 V和DC 680～950 V，最大功率輸出滿足主流車型大功率充電需求，非常適合在社區配電容量不大和充電樁多的場景下使用。

3.2 社區電網充電功率有序控制策略

社區電網充電功率有序控制策略以社區供配電網容量、實時負荷、充電負荷以及充電需求等參數為基準，有序充電控制社區內的電動汽車充電裝置，在保障社區供電網絡安全穩定運行的前提下，實現最大數量的充電樁運營，滿足車主的充電需求，提升社區充電網絡的運營效率和經濟性。社區內充電網絡有序控制策略框圖如圖3所示。

3.3 車網互動和用戶互動的高級應用開發

當今移動互聯網盛行，手機已成為人們不可或缺的工具，是電動汽車、充電裝置與用戶良好交互的媒介。柔性直流充電系統可收集、分類以及分析社區負荷、社區內電動車類型、車主充電習慣以及電動車電池充電特性等數據，實現社區內充電動態功率分配、社區供電/用電負荷監控、有序充電管理、新能源發電及儲能系統接入、社區充電網絡系統信息模型的建立以及用戶微信公眾號互動等功能，在保障社區供電安全的前提下，給車主提供高質量充電服務。圖4為柔性直流充電系統的移動客戶端。

4 結 論

在保護環境、利用綠色電力以及倡導綠色出行的大背景下，新能源汽車的推廣和使用體現出了重要的意義和價值。隨著新能源汽車的大量接入，大規模電動汽車充電給社區配電網安全穩定運行的帶來了諸多問題。本文從社區內電網的實際情況和充電需求出發，對比分析了當前社區內交流充電與直流充電兩種充電方式的功能，提出了一種柔性直流充電系統，并探討了該柔性直流充電系統的關鍵技術。柔性直流充電系統能夠優化充電功率的分配，加快當前社區充電網絡的建設，且其配備的儲能擴展接口在未來能源互聯網建設中將發揮重要作用。

圖3 社區內充電網絡有序控制策略框圖

圖4 柔性直流充電系統移動客戶端