基于電力載波自組網的自律式直流充電樁設計

孫國杰

（礦冶科技集團有限公司）

0 引言

基于國家碳中和目標，大量清潔能源如光伏發電等接入電網［1］。建筑屋頂光伏是可再生能源的重要組成部分，到2025年，新建公共建筑屋頂光伏覆蓋率將達到50%。電動汽車蓬勃發展，到2030年，中國將保有約8000萬輛電動汽車［2］。大規模的電動汽車接入會給電網帶來巨大的用電沖擊［3］。因此，電動汽車充電與建筑能源系統深度融合，可最大程度消納可再生能源，降低光伏發電隨機性帶來的電網沖擊［4］。

光伏發電為直流電，需要經過直流/交流轉換才能接入電網或供負載使用，而現有充電樁系統多采用三電平技術實現交流/直流變換，才能供電動汽車電池儲存，從發電到用電過程，電能經過DC/AC、AC/DC兩次變換，能量損失大。另外，現有充電樁系統多采用無線通信或添加額外的有線通信線來實現各充電樁直接的組網通信，這些方法增加了成本，且無線通信存在不穩定的問題，不利于充電樁系統的推廣使用。

本文提出一種基于直流母線能量分配的充電樁及系統設計，充電樁復用電力連接線進行信息交互，采用電力載波自組網通訊方式，提高通信穩定性；同時根據充電樁的個體功率需求，采取自律式柔性管理策略，解決光伏直流微電網中光伏發電、充電樁用電帶來的沖擊，保持系統供電穩定。

1 直流微網整體方案設計

1.1 直流系統電壓等級選擇

為了更好地適應用戶和不同類型設備需求，直流電氣系統可以采用多級電壓，但電壓等級過多，也會增加系統的復雜性，電擊防護和現場維護也會面臨更多問題。在確定電壓等級的過程中，最重要三個因素是用電安全、供電能力和用電設備電壓需求，通過調研分析，采用DC 750V、DC 375V/DC240V和DC 48V幾級電壓，可以滿足絕大多數民用建筑的要求［5］。

設備接入直流母線時，應根據其額定功率選擇電壓等級，并宜符合表1的規定。DC 750V電壓較高，供電能力較強，可以滿足大功率和遠距離供電要求，同時變換器工作效率較高。因此，有大功率充電樁設備接入的直流系統，采用此電壓等級作為主控母線電壓，有助于提高設備能效，并與建筑分布式光伏更加靈活高效互動。

表1 設備接入的電壓等級選擇

1.2 直流微網系統拓撲

大比例光伏、電動汽車和電力電子設備接入建筑配電系統，建筑直流系統便于通過直流母線實現建筑光伏、建筑儲能和不同類型負荷的接入。如圖1所示，電源側光伏、儲能、市網電源，負荷側建筑負荷、大功率充電樁將直流母線作為能量傳遞中心［6］，直流母線可以將動力、通信和弱電配電統一電能形式，使配電系統功率密度更高，損耗更低，響應更快，穩定性更強［7］。

圖1 直流系統拓撲結構

充電樁接入直流系統，可避免DC/AC、AC/DC多次變換的損耗。同時，根據城市電網及光伏發電功率變化要求，配合調節儲能和充電功率，實現供需匹配，進而解決未來新型電力系統供給側和需求側隨機性問題［8］。

2 直流充電樁系統架構

2.1 直流充電樁原理框圖

為適應直流系統，基于30kW單臺充電模塊，采用4臺充電模塊并聯對應雙槍直流充電樁器原理框圖如圖2所示。充電樁設計可供單臺或雙臺電動汽車充電。每一槍通過直流接觸器與電源模塊連接，電力載波通訊接點包含充電樁主控芯片，主控芯片控制繼電器實現每一槍輸出的開通與關斷，從而實現單槍60kW的充電功率［9］。

圖2 直流充電樁器原理框圖

充電模塊母線側電壓范圍為-375V DC~375V DC，電流范圍≤50A；直流輸出側電壓范圍200-750VDC，額定輸出電流60A；充電效率可達94.5%；穩壓精度±0.5%；穩流精度±1%；波紋系數<1%；安全功能包括過壓保護、欠壓保護、過載保護、短路保護、接地保護、過溫保護、防雷保護、急停保護、漏電保護。

2.2 充電樁自律式柔性調節原理

充電樁的柔性調節自律式工作原理如圖3所示：柔性控制芯片接收輸入端的多個信號（直流母線調度信號PDCB、取車時間t、充電電量W、已充電量計量Wc、電荷狀態/電池剩余容量SOC）；對多個輸入信號進行處理、制定多參數自律功率控制決策并將決策傳遞給充電樁；最終，充電樁實現功率大小實時變化的輸出、實現柔性充電。

圖3 直流充電樁自律式充電工作原理圖

3 直流系統電力載波應用

3.1 電力載波原理

電力載波通信室一種利用電力線作為傳輸媒介的通信技術，通過在電力線上疊加高頻載波信號來實現數據傳輸。具有成本低、便捷等優點。如圖4所示，電力線載波通信的原理可以分為三個步驟：調制、傳輸、解調。

圖4 電力載波原理圖

調制是將要傳輸的信號轉換為適用于載波通信的信號。通常采用的調制方式有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）等。調制后的信號經過濾波器進行濾波，去除不需要的頻率成分，保留有效的載波信號；調制后的信號通過耦合器等裝置，將高頻載波信號注入到電力線（直流母線）中。載波信號會在電力線上進行傳輸；解調是將傳輸過程中疊加在電力線上的載波信號還原為原始信號。解調器會對接收到的載波信號進行解調處理，獲取原始信號。解調過程中需要克服電力線本身的干擾和噪聲，保證解調的準確性和可靠性。

3.2 直流電力載波系統

通過在直流750V電力線上疊加高頻信號，實現在高壓直流電力線中建立2MHz~20MHz窄帶數據物理層鏈路，為柔性充電樁自律性群控提供PHY和MAC層支撐，進而實現群控充電樁自組網架構以及自律柔性充電群控管理［10］。

自律群控電力載波模組，具體技術參數如表2所示。

表2 電力載波模組技術參數

充電樁控制策略：以充電母線電壓的壓降變化值作為柔性控制的信號，各個充電樁進行對應功率變化響應。柔性上限功率總線電壓：Vub=750V；柔性下限功率總線電壓：Vlb=700V；總線電壓為V；系統總額定功率：Pmax；單樁額定功率：Ppeer；目標功率：Ptаrget=(V-Vlb/Vub-Vlb)×Pmаx；自律響應樁數：n=-floor(Ptаrget-Pmаx/Ppeer)；自律調節響應超時：5s，5s若功率無法達到目標功率，如P>Ptаrget則電壓在V與Vlb間跳躍，此時n=n+1；反之如P

4 柔性充電樁在光儲直流系統中應用

4.1 光儲直流微網系統拓撲

如圖5所示，光儲直流微網［11］組成：光伏及DC/DC變換器、市電及AC/DC變換器、儲能及DC/DC變換器、DC/DC充電模塊。其中光伏模塊配置電力載波自律群控節點A，市電模塊配置電力載波自律群控節點B，儲能電池模塊配置電力載波自律群控節點C，每個直流充電樁模塊配置一個電力載波節點。光伏、儲能、市電、充電樁通過直流750VDC電力線完成功率傳遞分配，在電力線上疊加2MHz-20MH高頻信號，實現各充電樁及功率分配模塊之間的數據交互。電力載波自律群控節點1~n屬于對等網絡。

圖5 光儲直流微網系統

4.2 柔性充電樁自律群控策略

為保證充電母線電壓穩定［12，13］，減小系統功率振蕩，電源側市電作為主控設備，其次為光伏，第三為儲能。直流充電樁無主從之分。電力載波自律群控節點A~C、1~n均可互相接收到彼此信息，即光伏實時發電功率、市電實時輸出功率、儲能電池充放電狀態以及輸入輸出功率、儲能電池荷電狀態、充電樁輸出功率、電動汽車荷電狀態等信息均為互通。電源裝置側的功率輸出調節策略為：最大限度消納光伏發電；儲能電池作充/放電調配，市電功率輸出符合電網削峰填谷的目標。充電裝置側各充電樁的功率分配原則為：符合源側功率和的波動曲線，柔性分配每個樁的充電功率，不造成系統大的功率振蕩。

5 結束語

響應“雙碳”目標，建筑行業正向以可再生能源為基礎的零碳能源系統轉變。在此大背景下，在建筑用能模式上創建一種新型的充電系統電源裝置及其控制系統，提高通信穩定性，同時根據充個樁的需求功率匹配對應的供電電源，以減少大規模接入帶來的用電沖擊。更進一步，在高效消納可再生能源、減輕城市電網負荷、實現電網負荷削峰填谷等方面具有顯著優勢，其必將成為新型建筑電力系統的重要支撐。