地下車庫電動汽車充電樁配電設(shè)計及變壓器容量優(yōu)化的研究

閻 宏，袁幼哲，柳全成

(甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，蘭州 730000)

0 引言

電動汽車的不斷普及和發(fā)展，推動著充電設(shè)施的同步發(fā)展。近些年，隨著國家能源戰(zhàn)略的調(diào)整和電能的可靠利用，電動汽車逐步進(jìn)入了社會的生活圈，不僅減少了對燃油汽車的依賴，而且也對新能源汽車的發(fā)展、電能的合理利用及民眾低碳環(huán)保的意識得到有效的推廣。

然而，電動汽車的長途續(xù)航能力及電動汽車充電樁設(shè)施的建設(shè)是制約其發(fā)展的重要因素。近幾年，為加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，國家出臺了相關(guān)指導(dǎo)性意見和設(shè)計規(guī)范，要求新建住宅小區(qū)配建停車位按100%建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留建設(shè)安裝條件。

目前，電動汽車在國內(nèi)外還處于發(fā)展階段，相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)已投入運行的電動汽車充電設(shè)施數(shù)據(jù)，明確了電動汽車充電設(shè)施的電氣設(shè)計參數(shù)(如需要系數(shù)、變壓器規(guī)格等)。本文基于充電樁實際工作時的充電數(shù)據(jù)，分析了充電樁配電容量的計算，著重研究需要系數(shù)的合理取值。根據(jù)小區(qū)變壓器負(fù)載率的情況，提出了電動汽車交流充電樁配比和可靠運行的優(yōu)化設(shè)計方案，為建筑電氣設(shè)計人員提供一定的參考。

1 充電樁配電容量的計算

1.1 電動汽車保有量現(xiàn)狀

2020年11月發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》中明確了堅持電動化、聯(lián)網(wǎng)化、智能化、共享化的發(fā)展方向。根據(jù)有關(guān)方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2021年6月，全國汽車的保有量為3.84億輛，新能源汽車的保有量為603萬輛，純電動汽車的保有量的保有量為493萬輛，約占新能源汽車總量的81.68%，占汽車總量的1.28%。在國家新能源汽車發(fā)展規(guī)劃的帶領(lǐng)下，電動汽車的銷量不斷增加，預(yù)計2025年將達(dá)到20%以上。倫敦著名市場調(diào)查研究公司IHS Markit預(yù)測，20年后，全世界電動汽車的數(shù)量占總汽車數(shù)量的比例最高可達(dá)到35%。

由于全球電動汽車保有量的不斷增加和穩(wěn)定增速，電動汽車充電的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也需要不斷擴大和完善，需要發(fā)展效率更高、布局更合理的電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。截至2021年7月，國內(nèi)已建成公共類充電樁98.5萬臺，其中非車載充電機39.9萬臺、交流充電樁58.6萬臺、交直流一體充電機414臺。

1.2 充電樁的分類和參數(shù)

電動汽車充電設(shè)施包含非車載充電機和交流充電樁。非車載充電機因其充電速度快的特點被稱之為“快充”，其中單臺輸出功率可達(dá)到350kW，充滿電動汽車大約只需要10min。而交流充電樁一般額定功率為7kW，比非車載充電機功率低，充電時間較長，充滿單臺電動汽車的時間約為7～9h。

非車載充電機占地面積大，例如100kW的中型非車載充電機占地面積約為0.64m2，投資費用較大。目前大部分電動汽車都支持交直流兩種充電方式，在公共充電樁(站)可采用非車載充電機快速充電，滿足出行電量不足的情況；在住宅小區(qū)地下車庫，通常設(shè)置交流充電樁滿足業(yè)主返程后、閑暇之余長時間充電需求。交流充電樁具有占地小、可掛墻安裝等特點，結(jié)合民用建筑物的防火要求和降低火災(zāi)的危險性，住宅小區(qū)地下車庫固定車位充電樁適宜采用交流充電樁，而公共充電站、公共建筑的地面停車位和公共交通運營單位等地適宜采用非車載充電機。

1.3 充電樁配電容量的計算

對于地下車庫的電動汽車停車位，其單臺交流充電樁的計算容量如下式：

(1)

式中，S為單臺充電樁的計算容量，kVA；P為單臺充電樁的輸出功率，kW；Kx為需要系數(shù)，此處取值為1；η為充電樁充電時的效率；cosφ為充電樁的功率因數(shù)。

住宅小區(qū)地下車庫充電樁的總計算容量為所有充電樁輸入計算容量的代數(shù)和，因此，充電樁計算負(fù)荷總?cè)萘咳缡?2)所示：

(2)

式中，SΣ為充電樁的輸入總?cè)萘浚琸VA；Kx為充電樁同時系數(shù)，其值隨著交流充電樁數(shù)量的變化而調(diào)整；P1、P2、Pn為各臺充電樁的輸出功率，kW；cosφ1、cosφ2、cosφ3為充電樁的功率因數(shù)；η1、η2、η3為電池充電的效率。

折合到變壓器端，可得出車庫變配電室變壓器設(shè)備安裝容量為：

S=S0+S∑

(3)

式中，S0為非充電樁的安裝容量，kVA；S∑為車庫充電樁設(shè)備總?cè)萘浚琸VA；S為車庫變壓器安裝容量，kVA。

1.4 充電樁對車庫變壓器容量設(shè)計指標(biāo)分析

由式(2)可以看出，車庫變壓器安裝容量值的確定，除建筑物內(nèi)電氣用電設(shè)備外，與車庫內(nèi)電動充電樁的計算容量直接相關(guān)，而電動充電樁計算容量的大小，關(guān)鍵是需要系數(shù)的準(zhǔn)確獲取，需要系數(shù)取值過大，會導(dǎo)致變壓器計算容量值過高，不經(jīng)濟(jì)運行；取值過小，變壓器配電設(shè)計不能滿足充電用戶用電需求。因此，確定需要系數(shù)對于準(zhǔn)確計算充電設(shè)備容量及設(shè)計變壓器規(guī)格具有重要意義。

需要系數(shù)由實際運行的功率獲得：

(4)

式中，Pc為計算有功功率，稱為需要功率，kW；Pe為額定功率，kW。

本文主要討論交流充電樁需要系數(shù)的確定，通常根據(jù)實際運行設(shè)計需要系數(shù)，從而確定變壓器額定容量的安裝。但是在實際情況中，影響電動汽車充電功率的因素有很多，例如地下車庫充電車位配比、用戶行為及負(fù)荷波動時間的不確定性，因此需要研究獲得準(zhǔn)確的充電需求特性及其分布的規(guī)律。

根據(jù)某住宅小區(qū)地下車庫多臺單相7kW交流充電樁同時投入使用的充電數(shù)據(jù)，如表1所示，表中列出了不同充電樁臺數(shù)下，充電樁總計算容量所對應(yīng)的需要系數(shù)。

單相交流充電樁需要系數(shù)選擇表 表1

根據(jù)數(shù)據(jù)得到交流充電樁需要系數(shù)Kx曲線如圖1所示。

圖1 交流充電樁需要系數(shù)曲線

結(jié)合相關(guān)已運行的住宅小區(qū)地下車庫充電樁的采集數(shù)據(jù)，對確定充電樁的需要系數(shù)提供了可靠依據(jù)。在計算地下車庫的充電樁用電容量和設(shè)計變壓器的安裝容量時，應(yīng)該考慮地下車庫的規(guī)模、充電樁在車庫的配比、充電車主的充電需求和習(xí)慣。

分析目前市場情況，大部分電動汽車的續(xù)航里程為400km左右，平均續(xù)航時間為3～5天，即使考慮到車主不會完全用光電量再充電，也可估計每個車主大約兩天充電一次。此外，考慮單相交流充電柱的額定功率為7kW，而占大部分的電動汽車的功率為6.3kW。因此，這種情況下還可以降低計算地下車庫需要系數(shù)Kx的取值。

充電樁容量計算中需要系數(shù)的取值是進(jìn)行電氣設(shè)計的重要依據(jù)，需要系數(shù)過高，變壓器計算容量偏大，設(shè)備運行時變壓器的負(fù)荷率就會偏低，反之亦然。因此，配電設(shè)計階段應(yīng)根據(jù)住宅小區(qū)及用戶使用的情況再次合理調(diào)整需要系數(shù)的取值，供配電系統(tǒng)設(shè)計就能達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

2 電動汽車充電樁需要系數(shù)對變壓器容量設(shè)計的影響

建筑設(shè)備中變壓器的容量和數(shù)量影響配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及供電安全可靠性。建設(shè)項目用電負(fù)荷的情況和增長速度、初次建設(shè)投資情況、配電裝置和性能指標(biāo)、負(fù)荷性質(zhì)及可靠性等指標(biāo)決定其配置變壓器的容量和臺數(shù)。變壓器負(fù)載率過低，不利于變壓器的經(jīng)濟(jì)運行，因此變壓器維持在合理的負(fù)載率區(qū)間運行最為經(jīng)濟(jì)劃算。為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，鼓勵企業(yè)推動經(jīng)濟(jì)運行計劃，防止不必要的增容和擴建，研究變壓器容量和臺數(shù)的合理設(shè)計具有重要意義。

地下車庫變壓器容量在方案設(shè)計階段時，可采用單位面積指標(biāo)法；但在施工圖設(shè)計階段，地下車庫變壓器容量設(shè)計應(yīng)采用需要系數(shù)法根據(jù)實際充電車位數(shù)量來確定需要系數(shù)。根據(jù)公式(1)計算各臺充電樁的輸出額定功率，充電樁數(shù)量不變的情況下需要系數(shù)越高，變壓器計算容量越大，實際運行時其負(fù)荷率偏低，變壓器冗余度就會相應(yīng)提高。

文獻(xiàn)[4]從防火角度提出地下車庫充電樁設(shè)置應(yīng)該按照防火單元劃分供電，住宅小區(qū)地下車庫防火單元面積不大于1 000m2，每個車位安裝單相7kW交流充電樁，考慮不同充電樁數(shù)量、不同充電習(xí)慣或峰值對住宅小區(qū)車庫變壓器容量設(shè)計的影響，依據(jù)上文和GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中給出的需要系數(shù)建議值及式2，分析可知充電樁安裝比例較低時，對配電變壓器容量影響較少，可與建筑物內(nèi)其他用電設(shè)備共用變壓器；隨著充電樁比例增加，占用變壓器容量負(fù)載率就越大，即：有必要為充電樁單獨設(shè)置變壓器。

3 變壓器經(jīng)濟(jì)運行的研究

配電變壓器是連接用戶側(cè)和電力系統(tǒng)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)樞紐，具有數(shù)量多、容量大的特點。因此，變壓器的降損節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運行，是建筑設(shè)計企業(yè)和用戶關(guān)注的重要問題。

3.1 變壓器負(fù)載率的計算及分析

變壓器繞組的有功損耗與負(fù)載電流平方成正比，正常工作中不得長期運行在滿載情況下，因此需要根據(jù)變壓器實際運行時的負(fù)載狀態(tài)分析。實際設(shè)備運行過程中，若負(fù)荷可以調(diào)整或者轉(zhuǎn)移，應(yīng)避免輕負(fù)載率0.2以下或重負(fù)載率0.85以上運行。

依據(jù)GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，配電變壓器的長期工作負(fù)載率不宜大于85%，然而在實際投運建筑中，變壓器的負(fù)載率往往在40%～50%甚至更低，與規(guī)范要求長期運行的負(fù)載率上限值之間尚存在一定的余量區(qū)間，可理解為變壓器容量的余度，余度過大會造成變壓器容量的浪費和不經(jīng)濟(jì)運行。本文針對既有住宅小區(qū)改造擴容局限，無法為業(yè)主電動汽車配備充電樁專用變壓器的情況，依據(jù)變壓器長期運行負(fù)載率的實際值，合理利用其余度能力，配置相應(yīng)數(shù)量的電動汽車充電樁，使其既能滿足小區(qū)業(yè)主充電的要求，又能達(dá)到最佳負(fù)載率的目的。

3.2 交流充電樁冗余數(shù)量的計算及分析

分析某住宅小區(qū)地下車庫安裝電動汽車充電樁案例，要求既有住宅小區(qū)配建充電樁按20%設(shè)置充電設(shè)施的安裝條件，車庫變壓器容量為1 600kVA、車位設(shè)置數(shù)量500個、計算變壓器不同負(fù)載率下充電樁的冗余臺數(shù)如表2。

不同負(fù)載率下交流充電樁冗余數(shù)量 表2

因此，既有建筑在設(shè)置充電樁數(shù)量及配比時，應(yīng)該綜合考慮建筑電力設(shè)施的使用性能和投資施工經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，基于實際、考慮前景，根據(jù)本地實際情況要求，適當(dāng)設(shè)計配建計劃。對于新建住宅小區(qū)地下車庫，考慮到未來電動汽車普及發(fā)展，變配電室應(yīng)預(yù)留配電設(shè)置的增容和擴建能力，為電動汽車充電樁預(yù)留變配電設(shè)施的安裝條件，提前做好合理實施計劃。

4 交流充電樁運行優(yōu)化設(shè)計方案

4.1 定時充電方案

對于住宅小區(qū)電動汽車充電用戶來說，雖然電網(wǎng)運營企業(yè)給出峰、谷電價優(yōu)惠政策，但實際情況中，由于業(yè)主的作息時間需要，不能按照電網(wǎng)用電谷值區(qū)間深夜出門充電。基于電網(wǎng)推出的峰谷分時電價政策，本文提出一種地下車庫充電樁定時充電方案，峰期用戶可以設(shè)置充電延遲時間，在滿足充電需要的前提下，避開電網(wǎng)峰值充電時段。還可以根據(jù)用戶的特殊需要，設(shè)置保底充電時間和完整充電時間，使得峰谷分時電價優(yōu)惠政策真正提高用戶充電的效率。

4.2 自動充電方案

谷期充電策略與定時充電在性質(zhì)上類似，用戶設(shè)置谷期充電模式后根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷谷期自動充電，充電期間若遇到電網(wǎng)用戶負(fù)荷峰值期間，會自動斷電，峰值過后自動充電，該充電方案滿足需求不緊張的用戶。

兩種充電方案都不限制充電時段，都從避開峰值的角度進(jìn)行谷值充電，減輕建設(shè)單位用電負(fù)擔(dān)的同時，減小了電網(wǎng)峰值供電壓力，從而實現(xiàn)用戶和建設(shè)單位的雙贏。

5 結(jié)束語