電動汽車充電樁對城市供電負荷決策的影響

雷瑞雪

國網(wǎng)陜西省電力有限公司商洛供電公司 陜西 商洛 726000

引言

當前，隨著我國傳統(tǒng)能源的缺乏，新能源電動汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M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(huán)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(fā)展。電動汽車充電是一個重點內(nèi)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(guān)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(guī)劃

電動汽車充電設(shè)施的規(guī)劃、設(shè)計、安裝應貫徹執(zhí)行國家有關(guān)方針政策，本著統(tǒng)一規(guī)劃、分期建設(shè)、適度超前的原則，符合地區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展規(guī)劃的要求，以提高建設(shè)水平，保護人身和財產(chǎn)安全為宗旨進行設(shè)計，滿足符合消防、供用電安全、環(huán)境保護的要求。電動汽車充電設(shè)施的設(shè)計與規(guī)劃應當符合項目地政府關(guān)于電動汽車的整體發(fā)展計劃以及相關(guān)技術(shù)發(fā)展的方向，且要和各地總體規(guī)劃及專項規(guī)劃調(diào)和一致。充電設(shè)施的規(guī)劃除應符合上述地方規(guī)劃外，尚應滿足電力部門的配電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

在進行電動汽車充電設(shè)施系統(tǒng)設(shè)計時，應選用符合國家現(xiàn)行規(guī)范標準且經(jīng)相關(guān)檢測機構(gòu)檢測合格的產(chǎn)品，嚴禁使用已被規(guī)范明令淘汰的產(chǎn)品，不宜在汽車車庫坡道出入口的雙側(cè)設(shè)置充電設(shè)備，建筑內(nèi)走廊、疏散通道上不應該設(shè)置落地安裝的充電設(shè)備。

2 電動汽車充電樁供配電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)應符合國家現(xiàn)行標準《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB50052的相關(guān)要求，如無特殊要求，一般充電設(shè)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(shù)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(shè)施數(shù)量大且供電容量也高，建議為充電設(shè)施單獨設(shè)置獨立的變壓器供電。除柔性充電堆、電池更換站、充電設(shè)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(shè)備不需要單獨設(shè)置變壓器。

當充電設(shè)備設(shè)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(shè)機械閉鎖和電氣聯(lián)鎖裝置，防止不同電源并聯(lián)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?cè)萘可舷拗禐?6kW，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(xiàn)，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(shè)備末端配電線路應設(shè)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(shè)備設(shè)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(qū)域照度標準值可按照表1的相關(guān)要求進行設(shè)計。

表1 充電設(shè)施工作區(qū)域的照度標準值

公共停車場（庫）充電區(qū)域的照明應采用集中控制或自動控制方式，住宅小區(qū)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(shè)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(guī)律。對于商業(yè)、企業(yè)、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(yè)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(shù)量將增加到5000萬輛以上。假設(shè)電動汽車充電功率為10kW，當同步轉(zhuǎn)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(wǎng)充電時，電網(wǎng)上的負荷成為“峰值”，使得電網(wǎng)的峰值更加困難，增加了配電網(wǎng)的壓力，大大降低了電網(wǎng)的安全性和可靠性。隨著電動汽車數(shù)量的不斷增加，電動汽車充電對電網(wǎng)的不利影響越來越嚴重。

3.3 最大負荷對電網(wǎng)的影響

充電時間、日行駛里程等參數(shù)在一定程度上是隨機的。根據(jù)概率統(tǒng)計原理，隨機數(shù)用于模擬和解決問題。在獲取問題概率函數(shù)的基礎(chǔ)上，利用計算機對解進行計數(shù)和采樣，得到問題的解。根據(jù)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(tǒng)設(shè)計優(yōu)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(yōu)化控制方式的調(diào)整，能夠與白天用電高峰時間段錯開。利用浮動電價優(yōu)惠政策方式，錯開高峰時間段，從而將電動汽車充電峰值轉(zhuǎn)移到這兩個時間段的附近區(qū)段中，通過該種方式，能夠在一定程度上防止電網(wǎng)負荷最耗電情況出現(xiàn)。通過電網(wǎng)負荷高滲透率，電動汽車并網(wǎng)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(xiàn)峰值溢出情況。對整個電動汽車系統(tǒng)整體進行調(diào)整，使電動汽車充電能夠錯峰。

4.2 充電樁效率優(yōu)化設(shè)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(shù)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(jié)能環(huán)保理念。因此，在充電樁系統(tǒng)設(shè)計方案中，應采取調(diào)節(jié)電路功率因數(shù)數(shù)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(shè)計提高、人工補償兩種，設(shè)計提高是做好變壓器選型設(shè)計工作、優(yōu)化電路布線結(jié)構(gòu)、合理選擇電氣設(shè)備種類型號，人工補償是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中安裝無功補償裝置來補償電氣設(shè)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(tǒng)控制方法本質(zhì)上屬于一種雙閉環(huán)控制法，在充電樁長時間處于低功率輸出運行狀態(tài)時，存在著控制穩(wěn)定性差、AC/DC變換器占空比較小、采取ZVS軟開關(guān)控制的問題，由此產(chǎn)生嚴重充電損耗，影響到系統(tǒng)工作效率，并在負載出現(xiàn)瞬時變化時出現(xiàn)主電路輸入電壓過沖現(xiàn)象。針對于此，可采取用于解決非線性系統(tǒng)問題的微分平坦理論來控制PFCAC/DC變換器，根據(jù)已掌握信息來假定一組平坦穩(wěn)定地輸出變量，使用變換形式，基于輸出變量值來表示系統(tǒng)輸入量及狀態(tài)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(nèi)設(shè)計參考軌跡。

4.3 充電終止控制設(shè)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(nèi)壓值，隨著時間推移，出現(xiàn)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(tǒng)亟待解決的一項重要問題。為解決這一問題，設(shè)計人員可選擇在系統(tǒng)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(tǒng)具備自動斷電能力。

4.3.1 溫度控制法是在系統(tǒng)中安裝溫度傳感器或溫度探頭裝置，持續(xù)檢測蓄電池溫度，在蓄電池充滿電后，多余電能轉(zhuǎn)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(fā)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(shè)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(shè)備，在充電期間持續(xù)檢測實時電壓值，待蓄電池電量充滿后出現(xiàn)電壓迅速提升至最大值的現(xiàn)象，基于這一現(xiàn)象來判斷蓄電池是否完成充電、是否出現(xiàn)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(shè)定充電時間，加裝時間控制器，在充電樁處于充電狀態(tài)后進行計數(shù)，計數(shù)值達到額定值后通過切斷電路來結(jié)束充電，此項方法有著易于實現(xiàn)、操作簡單的優(yōu)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(xiàn)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(jiān)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(shè)計難度較大，并加大了充電樁系統(tǒng)的前期建設(shè)成本[5]。

4.4 快速充電設(shè)計

為滿足不同消費者群體的電動汽車充電需求，在系統(tǒng)設(shè)計方案中，應設(shè)定快速充電內(nèi)容，消費者可根據(jù)自身需求，在系統(tǒng)界面上選取常規(guī)充電方式或是快速充電方式。

以磷酸鐵鋰電池為例，常規(guī)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(nèi)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(shè)計環(huán)節(jié)，要求設(shè)計人員預先調(diào)查市面上常見電動汽車車型的磷酸鐵鋰電池性能參數(shù)等基礎(chǔ)信息，開展電壓測定試驗，基于電壓情況來設(shè)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(xù)時間等參數(shù)，避免因充電電流值過大而破壞電池中活性物質(zhì)恢復效果，或是因大電流充電時間設(shè)定不當而降低充電速度和出現(xiàn)電池極化問題[6]。

4.5 光伏儲能式電動汽車直流充電樁設(shè)計

為控制充電樁的總體使用成本，節(jié)省電力能源和減少線損量，可選擇設(shè)計新型光伏儲能式的直流充電樁系統(tǒng)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)主控裝置，基于光伏發(fā)電效應，在太陽光照射光伏陣列時，因電荷內(nèi)部分布狀態(tài)改變而形成電動勢，在負載終止情況下產(chǎn)生電流，起到發(fā)電作用，并使用混合儲能裝置，在充電樁處于待機狀態(tài)時，將多轉(zhuǎn)換多余電能導入儲能裝置中保存[7]。

5 結(jié)束語

綜上所述，電動汽車已成為我國未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢，電動汽車的發(fā)展與普及應用，能夠在很大程度上減少對環(huán)境的污染，滿足人們?nèi)粘３鲂行枨螅c當前社會發(fā)展趨勢相符合。因此，在電動汽車發(fā)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(yōu)化設(shè)計。