配电系统与电动汽车充电网络的协调规划研究

刘印楠

摘 要：我国的能源紧缺情况十分严重，而汽车行业对能源的消耗量比较大，所以汽车行业开始使用新型的电力能源，使电动汽车得到广泛的应用。在对电动汽车进行推广的过程中，需要对配电系统和充电网络进行协调性的规划，才能促进我国电力汽车的快速发展。本文对电动汽车充电基础设施进行分析，并就充电桩的设计进行探讨。

关键词：配电系统 电动汽车 充电网络 协调规划

中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0102-02

要全面地推广电动汽车，就需要先解决汽车的充电问题，这就涉及到配电系统与电动汽车充电网络的协调规划。其中，最关键的就是充电基础设施的建设，以及对充电桩的设计。有效地解决这个问题，促进电力汽车的推广，从而缓解我国的能源紧缺问题。

1 充电基础设施分析

1.1 快速充电站

由于电动汽车的电池在使用一段时间后就会老化，使汽车的电力供应不足，所以车主通常会将分散式充电桩作为汽车的电能补充。但是，在车主用车过程中，可能会出现电力不足需要充电的情况，但又不可能花太多的时间去等待充电，这就需要快速充电站来完成充电工作。比如，某车主从A地行驶电动汽车到B地，里程总共为460km，当行驶到300km时，电动汽车的电量就只剩下20%，无法支撑到目的地，所以需要在途中充电。快充设备能够补充电能，对电动汽车进行能量补给。假定电动汽车不会对车主的出行造成影响，每个快速充电站中，待充电车辆的平均到达率与其截获的交流流量是成正比关系的，则其带充电车辆的平均 达到率，会受到多种因素的影响。比如，快速充电站的候选站地址、在某个时间段和交通高峰期待充电车辆的平均达到率等。而电站的服务水平，会在很大程度上受电动汽车普及程度的影响。快速充电站的服务水平，主要受交通高峰时段平均每个车主充电时间的影响。所以，在设计快速充电站中充电设备的数量时，要以车主平均充电时间不会超过设定的阈值为原则。比如，有4个快速充电站，1号和2号快速充电站的实际位置分别为N（a）和N（b）。3号和4号快速充电站的位置分别为N（c）和N（d），快速充电设备的数量分别为C和D。其中，N（a）表示此快速充电站在配电系统中的实际节点编号为N，在交通网络中的节点标号为（a），后面的位置依次类推。则在对这对快速充电站中充电设备的数量进行配置时，1号、2号、3号和4号配置的数量分别为A、B、C、D。

1.2 分散式充电桩

在电动汽车的能源补给方式中，分散式充电桩是最主要的方式，电动汽车充电网络中的充电服务水平，受分散式充电桩布局合理性的影响比较大。通常情况下，在确定每个节点的充电需求时，可将分散式充电桩的数量作为确定的依据。第一个公式为，；第二个公式为，。其中，表示分配系统节点的充电频次需求；为应配置的分散式充电桩数量；为配电系统充电频次的总需求；为选择将分散式充电桩作为能源补给方式的比例；为在时段内，配电系统节点在处所停放的电动汽车数量；为配电系统中节点的集合；T的取值范围为从1到24的整数，是一天24小时的时段结合；则表示每个充电桩每天的平均服务次数。通过分散式充电桩而引入的配电系统中，每个节点在不同时段的充电功率和容量，可以通过相应的关系来计算。即可以通过关系式

和

来计算。其中；表示分散式充电桩引入的配电系统节点在时段的充电功率；表示分散式充电桩引入的配电系统节点在时段的容量；表示平均充电的时间长度；表示分散式充电桩的额定充电功率。

2 充电桩设计分析

2.1 外形设计

在设计充电桩的外形时，不能影响到充电桩的安全防护功能，内部的电气保护设备，要能够对回路起到有效的保护作用。同时，在对充电桩的外观进行设计时，要保证其拥有一定的美观度，为电力企业树立良好的外在形象。而充电桩的外壳材料要比较坚固，其室外保护等级不能低于IP54。此外，还应安装空气开关，为输入防雷器的空气开关，且要具备直流漏电保护功能。安装紧停按钮，可在紧急情况下及时停止充电操作，还需要安装交流熔断器充电连接器。

2.2 功能设计

在对充电桩进行功能设计时，主要包括以下几方面：第一，安全防护功能，比如，在充电桩中采取过流、过压、过温、防雷保护等措施，对线路中的相应异常情况起防控作用，从而达到对充电桩进行保护的目的。第二，设计紧急停止功能，系统可自动对充电连接器进行分析，判断充电电缆的连接是否合理、安全，从而保证在电动汽车连接到交流充电电桩时，充电桩能够正常地进行充电启动。当两者的连接不正确时，充电桩就不会正常启动充电。第三，充电桩要能够计量计费，所以要在其中安装电能计量装置，实现其与主控器之间的通信。最后，后台系统要能够将汽车的BMS系统信息进行上传，所以充电桩要具备信息传输功能。

2.3 交流充电桩设计

在对充电桩进行高压设计时，主要采用SF6绝缘开关柜，其中所包含的单元主要有三个，即进、出线负荷开关和负荷开关熔断组合。在低压部分安装挂接式的系统，母线不打孔，进线开关要具备隔离功能，所以一般选择熔断式的开关。高压设计部分，要选择完全绝缘的高压环网开关柜，带电部分和开关要用封闭在不锈钢外壳中，这样就可避免受到外界因素的影响。所以，不需要再安装加热器，也不用担心会出现凝聚现象，从而保证充电桩能够正常使用。

3 协调规划

为确保配电系统与电动汽车充电网络之间的规划具有协调性，就需要做到以下几点：第一，投资和系统网损最小，在实际的规划过程中，所投入的成本会影响充电网络在实际运行中所产生的经济效益。所以，在对配电系统与电动汽车充电网络进行规划时，要建立相应的数学模型进行分析。根据相关研究，影响投资成本和系统网损的因素主要有四点，第一是配电线路在建设过程中所花费的成本；第二是快速充电站建设所投入的成本；第三是系统网损的成本；最后是变电站扩充容量需投入的成本。所以，在实际的网损值计算中，要采用多时段潮流计算，在计算过程中还需引入虚拟时段值。此外，投资企业还要对自己的投资成本、系统的网损情况、快速充电站所截获交通流量等进行对比，这样才能了解到快速充电站在每年中所截获的交通流量实际值，从而为具体的规划方案提供数据依据。在对比过程中，同样需要建立其相关的数学模型进行分析，以确保对比结果的准确性。一些投资商还建立测试系统，采用54节点配电系统与25节点交通网络的耦合系统对相关的协调规划模型进行验证，以便确定模型的可靠性，可用于对配电系与电动汽车充电网络进行协调规划，并确保其协调规划具有实际的操作意义。

4 结语

综上所述，电动汽车的能源补给方式主要是通过两种形式进行的，一种是分散式充电桩，一种是快速充电站。同时，还需要对充电桩的外观、功能和交流充电桩进行合理的设计，以确保配电系统与电动汽车充电网络的协调规划科学合理，并能尽可能地减少投资商的投资成本，创造更多的经济效益。

参考文献

[1] 王辉，文福拴，辛建波，等.电动汽车充放电特性及其对配电系统的影响分析[J].华北电力大学学报，2011，38（5）：17-24.

[2] 郑颖，孙近文，张冲，等.考虑电动汽车接入的配电系统静态电压稳定裕度研究[J].电工技术学报，2014，29（8）：20-26.

[3] 卢天琪，刘然，楊继业，等.基于非支配排序遗传算法求解的电动汽车充电站多因素规划研究[J].东北电力技术，2017，38（5）：35-39.

[4] 单率.“四位一体”电动汽车智能充换电服务网络运营服务体系建设[A].2015智能配电系统和分布式能源研讨会论文集[C].2015：174-179.