新能源在充电桩供配电设计中应用的技术探讨

刘权漪 杨磊 梁冬旭

摘要：电动汽车通过充电桩获取的电能，通常是从电网直接获取。由于我国现阶段仍以消耗传统能源的火力发电为主，因此电动汽车并未真正摆脱对传统不可再生能源的依赖。随着新能源的进一步开发与利用，为有效解决此问题提供了可能性。本文对新能源在充电桩供配电设计中应用的技术进行探讨。

关键词：新能源;充电桩;供配电设计;技术探讨

1项目概况

某新建商业项目建筑面积为9800m2，建筑层数地上4层，地下1层，高度为23.7m，属多层建筑。除了项目常规的日常用电外，工程中还要求为其配备11个7kW的单相交流充电桩，2个30kW的三相交流充电桩，以及对直流充电方案进行供配电设计。直流充电方案分为两种，一种为储能型直流充电桩，最高输入功率为100kW;另一种为非储能型直流充电桩，最高输入功率高达300kW，直流输出电压高达800V，百公里里程充电仅需4min。由于此直流充电桩执行的是欧洲标准，在我国境内的应用尚属首次，因此也对本地化的供配电设计提出挑战。

2充电桩供配电设计

民用建筑中，对于中断供电将在公共安全方面造成较大损失的充电设施，或对公共交通、社会秩序造成较大影响的充电设施，其供电负荷等级不低于二级负荷。该项目充电桩仅用于商业用途，不在此范围内，因此按三级负荷设计。该项目不具备单独设立充电桩专用变压器的条件，与其他用电负荷共用变压器，采用专用回路为充电桩供电。由于變压器低压侧至充电桩之间的配电级数不宜超过三级，并且遵循配电级数越少供电越可靠的原则，交流充电桩采用二级配电模式。考虑到直流充电桩输入功率的差异性，储能型直流充电桩采用二级配电模式，经由变压器低压侧母线通过干线电缆放射式至区域配电箱，再由区域配电箱供电至各充电桩。对于输入功率需求较大的非储能型充电桩，则由变压器低压侧母线直接供电。充电桩供配电系统示意图如图1所示。

直流充电桩输入功率高、冲击电流大，其安装数量也对变压器的容量提出了要求。直流充电桩数量对变压器安装容量要求如表1所示，变压器安装容量仅为对应直流充电桩的负荷需求，不包含其他负荷的设计容量。从表1中可以看出，储能型直流充电桩随着数量的增加，对变压器的容量需求趋于稳定，对于容量的需求旨在限制冲击电流对于变压器的影响。而非储能型直流充电桩，由于在中间环节采取隔离型变压器，有效抑制冲击电流对市电的影响。因此，随着直流充电桩安装数量的增加，变压器的容量需求随之增大。

根据实际运行数据和相关资料，经过分析处理，得出直流充电桩的需要系数。直流充电桩需要系数曲线如图2所示，在实际运用中，可根据当地供电部门资料和项目运行情况进行调整。在设计时对变压器容量的选择，应充分考虑到项目中日常负荷及交流充电桩的用电，并适当预留扩容空间，满足日后充电桩发展需求。

同时，采用能源管理控制器对充电桩负载进行能耗控制。在用电峰值期间，减少交流充电桩的同时使用率，降低直流充电桩的输入功率，保证整个大楼日常用电负荷的正常运行。用电峰值期间能源管理前后供电需求对比如图3所示。对于储能型直流充电桩，其储能装置采用的锂离子电池，全电池模组充电时长为3h。采用分时充电原则，利用电价谷时时间段为储能装置充电，在电价峰时为直流充电桩放电，进一步降低电价所带来的运营成本。另外对充放电策略进行控制，延长储能装置的使用寿命。需要注意的是，考虑到建筑防火要求，直流充电装置宜设置在室外。直流充电装置宜与变配电室就近集中布置，其中供电电源点至能量转换装置的距离不宜超过50m，能量转换装置至充电终端的距离不宜超过30m，以减少供电线路上的电源损耗。充电桩配电回路应设置剩余电流保护，并且不应接入无关的用电设备。室外充电设备应做好电击防护和接地措施，保证设备安全、可靠的运行。

3新能源适用分析

新能源作为传统能源的替代和补充，其可再生性及清洁性正越来越受到人们的重视。随着新能源技术日趋成熟，新能源已经广泛应用在民用建筑中。国家住房和城乡建设部颁布的国家标准GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》第7章、GB/T50378—2019《绿色建筑评价标准》第7.2.9条、建筑工程行业标准JGJ/T229—2010《民用建筑绿色设计规范》第10.1.2条以及各省市制定的地方标准，如上海市工程建设标准DGJ08-2143—2014《公共建筑绿色设计标准》，都为新能源的利用与推广提供支持。在民用建筑领域，新能源的利用主要集中在太阳能、风能和地热能等能源上。风能是利用风在空气中流动形成的负载能量。在民用建筑中，风能的利用通常与建筑的主体布局和门窗设置相结合，达到自然降温和通风的效果，来减少机械能源的消耗。而通过风能发电，除去工程造价的考虑，一方面，风力发电机容易产生噪声污染，影响整个建筑的声环境;另一方面，城市中风能资源有限，即使利用也仅在高层建筑中有可行性。该项目仅为多层建筑，因此利用风能发电不适合。地热能是利用地壳中的天然热能发电，对地理位置要求极高。上海地区多是利用浅层地热能，通过地源热泵技术，直接利用地热水对建筑进行供暖制冷。与地热发电相比，其开发时间短、投资低、利用效率更高。所以，利用地热能为充电桩供电在该项目中不可取。太阳能是指太阳的热辐射能，也称太阳光能。利用太阳光能转换为电能的发电方式，称之为太阳能光伏发电。太阳能不受场地限制，随处可得;太阳能光伏板可有效利用建筑物的屋顶和墙面，同时太阳能光伏发电系统建设周期短，发电方式灵活。虽然太阳能光伏发电受制于初始投资成本高、能量密度低等问题，但随着近年来太阳能光伏发电技术不断改进，其光电转换效率进一步提高，投资成本也大大降低，为在充电桩供配电中应用提供可能性。

结束语

电动汽车的推广是为了减少对传统不可再生能源的依赖。通过对新能源在充电桩供配电设计中应用的技术探讨，对进一步实现节能减排，让新能源技术的利用真正成为一个完整的产业系统有着重要意义。现阶段新能源在民用建筑中的应用成本造价仍相对较高，如何实现其有效应用与经济效益的平衡是下一步深入研究的课题。

参考文献

[1]国务院办公厅.关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见（国办发（2015）73号）[G].2015.

[2]电动汽车充电设施建设技术导则：Q/GDW478—2010[S].

[3]何涛，李博佳，杨灵艳.可再生能源建筑应用技术发展与展望[J].建筑科学，2018，34（9）：135-142.