電動汽車充電樁對城市供電負荷決策的影響

雷瑞雪

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引言

當前，隨著我國傳統能源的缺乏，新能源電動汽車已經成為人們日常生活的重要組成部分。電動汽車不僅方便了人們的日常出行，也在很大程度上減少了城市環境的污染。通過用電代替石油，可以促進我們的社會朝著更加綠色和健康的方向發展。電動汽車充電是一個重點內容。充電樁會不同程度地影響城市供電負荷，嚴重時會影響人們的日常生活。針對這個問題，需要相關部門多加重視，才能更好解決供電負荷問題。

1 電動汽車充電樁規劃

電動汽車充電設施的規劃、設計、安裝應貫徹執行國家有關方針政策，本著統一規劃、分期建設、適度超前的原則，符合地區國民經濟和社會發展規劃的要求，以提高建設水平，保護人身和財產安全為宗旨進行設計，滿足符合消防、供用電安全、環境保護的要求。電動汽車充電設施的設計與規劃應當符合項目地政府關于電動汽車的整體發展計劃以及相關技術發展的方向，且要和各地總體規劃及專項規劃調和一致。充電設施的規劃除應符合上述地方規劃外，尚應滿足電力部門的配電網絡規劃。

在進行電動汽車充電設施系統設計時，應選用符合國家現行規范標準且經相關檢測機構檢測合格的產品，嚴禁使用已被規范明令淘汰的產品，不宜在汽車車庫坡道出入口的雙側設置充電設備，建筑內走廊、疏散通道上不應該設置落地安裝的充電設備。

2 電動汽車充電樁供配電系統

供電系統應符合國家現行標準《供配電系統設計規范》GB50052的相關要求，如無特殊要求，一般充電設施的負荷等級均按照三級負荷考慮。當中斷供電影響較大時需按照二級負荷及以上要求供電。

在進行負荷計算時，首先建議選擇需要系數法進行計算。當容量較大時應當對負荷進行分組計算。民用建筑中非車載充電機多為30kW、60kW，大容量的非車載充電機適用于大中型車輛。大容量的三相交流充電樁為AC380V、50Hz，容量不低于40kW，主要車型為比亞迪全系車型。標準的單相交流充電樁為AC220V、7kW。

若是充電設施數量大且供電容量也高，建議為充電設施單獨設置獨立的變壓器供電。除柔性充電堆、電池更換站、充電設備總安裝容量在250kW以上、既有建筑改造時變壓器負荷不足等情形外，電動汽車充電設備不需要單獨設置變壓器。

當充電設備設置專用變壓器時，應注意以下幾點：來自不同電源的低壓進線斷路器和低壓分段斷路器之間應設機械閉鎖和電氣聯鎖裝置，防止不同電源并聯運行；低壓進線斷路器應具有短路短延時、長延時保護功能；低壓出線斷路器應具有短路瞬時、長延時保護功能[1]。

單相交流充電樁為7kW、32A，鏈式供電的交流充電樁上限值定為8個，即總容量上限值為56kW，與60kW非車載充電機相近，額定電流上限值為256A，對保護電器、線纜等要求可以容易實現，同時一旦某充電樁故障造成保護電器跳閘，故障可以控制在一定范圍。

充電設備末端配電線路應設過流和短路保護；分支回路的保護電器已有剩余電流保護功能。有條件地應對每臺充電設備設置限流保護器。做出上述約定的原因很多，主要是出于人身安全防護的角度。

電動汽車充電區域照度標準值可按照表1的相關要求進行設計。

表1 充電設施工作區域的照度標準值

公共停車場（庫）充電區域的照明應采用集中控制或自動控制方式，住宅小區停車場（庫）充電場所的照明宜采用集中控制或自動控制的方式。

3 充電設施對負荷特性的影響

3.1 快速充電對不同類型負載的影響

電動汽車快充負載增加了各種負載的峰谷差和負載比，增加幅度和滲透率基本遵循線性規律。對于商業、企業、住宅負荷，電動汽車快充負荷會加大峰谷差。幅度明顯大于增加的幅度。對于工業負載，在各種穿透條件下，電動汽車快充負載的峰谷差和負載增量都比較小[2]。

3.2 快速充電對總負荷的影響

預計到2030年，我國的電動汽車數量將增加到5000萬輛以上。假設電動汽車充電功率為10kW，當同步轉速達到極值時，電動汽車可以一起充電，達到5億kW。當大量電動汽車隨機向電網充電時，電網上的負荷成為“峰值”，使得電網的峰值更加困難，增加了配電網的壓力，大大降低了電網的安全性和可靠性。隨著電動汽車數量的不斷增加，電動汽車充電對電網的不利影響越來越嚴重。

3.3 最大負荷對電網的影響

充電時間、日行駛里程等參數在一定程度上是隨機的。根據概率統計原理，隨機數用于模擬和解決問題。在獲取問題概率函數的基礎上，利用計算機對解進行計數和采樣，得到問題的解。根據電動車類型選擇電動車，然后輸入該車型的基本信息，如電池容量、充電功率和電動車尺寸。然后，取任意初始充電時間和初始充電SOC，計算24h的充電負載率，得到負載曲線。重復上述過程，累積電荷負荷曲線，找到最終的電荷負載[3]。

4 電動汽車充電樁系統設計優化策略

4.1 錯開用電負荷峰值

通過對電價與負荷波動最小優化控制方式的調整，能夠與白天用電高峰時間段錯開。利用浮動電價優惠政策方式，錯開高峰時間段，從而將電動汽車充電峰值轉移到這兩個時間段的附近區段中，通過該種方式，能夠在一定程度上防止電網負荷最耗電情況出現。通過電網負荷高滲透率，電動汽車并網接入，能夠提升每日最小負荷率。在這一過程中，一旦沒有采用錯峰控制方式，那么就會出現峰值溢出情況。對整個電動汽車系統整體進行調整，使電動汽車充電能夠錯峰。

4.2 充電樁效率優化設計

目前來看，在已建成電動汽車充電樁項目中，普遍存在電路功率因數小的問題，限制了充電樁功率的提升，使得電動汽車實際充電時間較長，并在充電期間損耗較大電能，違背了節能環保理念。因此，在充電樁系統設計方案中，應采取調節電路功率因數數值的方法來改善充電效果、提升充電效率與充電樁功率，具體方法包括設計提高、人工補償兩種，設計提高是做好變壓器選型設計工作、優化電路布線結構、合理選擇電氣設備種類型號，人工補償是在系統結構中安裝無功補償裝置來補償電氣設備及電路的無功功率。

例如，對原有方案中的PFCAC/DC變換器控制方法進行改進，傳統控制方法本質上屬于一種雙閉環控制法，在充電樁長時間處于低功率輸出運行狀態時，存在著控制穩定性差、AC/DC變換器占空比較小、采取ZVS軟開關控制的問題，由此產生嚴重充電損耗，影響到系統工作效率，并在負載出現瞬時變化時出現主電路輸入電壓過沖現象。針對于此，可采取用于解決非線性系統問題的微分平坦理論來控制PFCAC/DC變換器，根據已掌握信息來假定一組平坦穩定地輸出變量，使用變換形式，基于輸出變量值來表示系統輸入量及狀態變量，在證明輸出變量是平坦輸出的情況下，即可在輸出空間內設計參考軌跡。

4.3 充電終止控制設計

在電動汽車充電完成后，如果沒有及時停止充電樁對蓄電池的充電，會因此快速提升汽車蓄電池的工作溫度和內壓值，隨著時間推移，出現電壓負增長情況，嚴重時損害蓄電池使用壽命[4]。如何避免過度充電，是早期充電樁系統亟待解決的一項重要問題。為解決這一問題，設計人員可選擇在系統方案中采取溫度控制法、電壓控制法、時間控制法或是綜合控制法，使充電樁系統具備自動斷電能力。

4.3.1 溫度控制法是在系統中安裝溫度傳感器或溫度探頭裝置，持續檢測蓄電池溫度，在蓄電池充滿電后，多余電能轉為熱能，使蓄電池溫度提升，在蓄電池溫度檢測值達到限定值后，向核心控制模塊發送特定信號，從而下達停止充電的控制指令，一般情況下，將蓄電池溫度限值設定為45℃，在溫度超過這一標準后，將進入浮充的充電模式，無法起到實際作用。

4.3.2 電壓控制法是通過安裝電壓檢測設備，在充電期間持續檢測實時電壓值，待蓄電池電量充滿后出現電壓迅速提升至最大值的現象，基于這一現象來判斷蓄電池是否完成充電、是否出現電壓負增量情況，將信號反饋至核心控制模塊。

4.3.3 時間控制法是在軟件程序中預先設定充電時間，加裝時間控制器，在充電樁處于充電狀態后進行計數，計數值達到額定值后通過切斷電路來結束充電，此項方法有著易于實現、操作簡單的優勢，但控制精度較低，各臺車輛的蓄電池使用年限及性能存在差異性，有可能出現過度充電或是充電力度不足問題。

4.3.4 綜合控制法是對上述3種方法的同時采納，對比溫度、電壓、充電時間等監測要素來判斷蓄電池電量是否充滿，有著極高的控制精度，但設計難度較大，并加大了充電樁系統的前期建設成本[5]。

4.4 快速充電設計

為滿足不同消費者群體的電動汽車充電需求，在系統設計方案中，應設定快速充電內容，消費者可根據自身需求，在系統界面上選取常規充電方式或是快速充電方式。

以磷酸鐵鋰電池為例，常規充電方式包括恒流充電、恒壓充電、反射式充電與脈沖充電四種，而快速充電方式為分段式快充，將充電樁充電過程分解為預充電、分段恒流快速充電、大電流充電，分別起到保護汽車電池、在短時間內迅速向汽車電池提供電量、去極化負脈沖的作用。在快速充電設計環節，要求設計人員預先調查市面上常見電動汽車車型的磷酸鐵鋰電池性能參數等基礎信息，開展電壓測定試驗，基于電壓情況來設定快速充電方法的各階段電流值、預充電與分段恒流充電切換時間、大電流充電持續時間等參數，避免因充電電流值過大而破壞電池中活性物質恢復效果，或是因大電流充電時間設定不當而降低充電速度和出現電池極化問題[6]。

4.5 光伏儲能式電動汽車直流充電樁設計

為控制充電樁的總體使用成本，節省電力能源和減少線損量，可選擇設計新型光伏儲能式的直流充電樁系統，在系統結構中加裝太陽能電池陣列、直流母線、儲能裝置、直流變換器等裝置，使用plc可編程邏輯控制器作為系統主控裝置，基于光伏發電效應，在太陽光照射光伏陣列時，因電荷內部分布狀態改變而形成電動勢，在負載終止情況下產生電流，起到發電作用，并使用混合儲能裝置，在充電樁處于待機狀態時，將多轉換多余電能導入儲能裝置中保存[7]。

5 結束語

綜上所述，電動汽車已成為我國未來汽車行業發展的主要趨勢，電動汽車的發展與普及應用，能夠在很大程度上減少對環境的污染，滿足人們日常出行需求，與當前社會發展趨勢相符合。因此，在電動汽車發展過程中，為有效降低電動汽車充電樁對城市供電負荷決策，需要加強電動汽車充電樁優化設計。