新能源在充电桩供配电设计中的应用研究

郑州电力职业技术学院 马艳丽

近年来我国节能减排政策陆续出台，燃油汽车尾气排放标准不断提高，使电动汽车的应用与普及成为不可逆转的趋势。为适应这种发展趋势，民用建筑应根据相关规范提出的要求加强充电桩建设，按照相关指导意见，理论上新建住宅建筑自带停车场必须建设充电桩，或为充电桩的建设预留一定基础条件，而对于大型公共建筑，其停车场中配备充电桩的停车位数量不能少于总车位数的10%。由于大部分充电桩使用的电能仍为采用传统能源生产的电能，所以电动汽车使用的依然是传统能源，这与电动汽车开发的本质不相符，所以有必要重视充电桩对新能源的利用。

电动汽车主要依靠充电桩获取动力来源，充电桩的电能则主要从电网中获取。因我国当前依然主要采用火力发电方式，所以电动汽车并没有从根本上摆脱对传统能源的应用。而伴随新能源及其应用技术的不断开发和利用，为从本质上解决这一问题创造了良好条件。为解决充电桩依然对传统能源有很高依赖性的问题，本文在介绍充电桩常见类型的基础上，结合某项目实际情况，对其充电桩供配电设计过程中新能源的适用性及系统应用进行深入分析，提出实现新能源合理利用的技术解决方案。

1 充电桩主要类型

市面上按照输出电流形式可将充电桩分成直流与交流充电桩。其中，交流充电桩依靠传导方式为装配了车载充电单元的电动汽车充电，其充电电流相对较小，需较长时间才能充满、属慢速充电范畴，在居民区与办公楼建筑中较为适用，平均充电时间在6～10h 范围内。若按照电压等级，还可将该充电桩进一步分为单相与三相充电桩两种，单相充电桩的工作电压为220V，三相充电桩的工作电压为380V。

直流充电桩和上述交流充电桩完全不同，属于非车载充电装置，可将交流电转换成直流电，但也通过传导为电动汽车提供电能。该充电桩的电流相对较大，能缩短充电时间，在公共场所中较为适用，可满足用户的快充要求，一般仅需20～60min 即可充满。该充电桩的输入电压通常为380V，有多种输入功率，如30kW、45kW、60kW 和120kW。需注意的是，尽管该充电桩能缩短充电时间，但对电源及设备安全性都有更高要求[1]。

交流充电桩的建设条件应达到以下要求：环境方面。工作环境温度在-20℃～+50℃范围内，空气相对湿度在5%～95%范围内，海拔高度不能超过1000m，安装地点为室外，抗震能力为地面水平加速度0.3g、地面垂直加速度0.15g，充电桩应可承受同时作用持续三个正弦波，同时安全系数应达到1.67以上；电气方面。将插头与插座连接好后才能闭合电路、开始为插座供电，漏保装置需安装于供电电缆进线侧，当发现接地故障时采用绝缘监察装置进行报警、并将故障电路及时切断，在照明配电线路中照明与插座回路不可采用同一条回路进行供电。

直流充电桩的建设条件应达到以下要求：电源输入电压为三相四线380VAC±15%，频率为50Hz±5%；以直流电为输出且输出电压应满足负载电池要求；将充电方式分成常规与快速两种，其中常规充电时间为5h 左右、而快速充电时间应达到1h 甚至更短；充电桩应配备操作器，使用户自行选择适宜的充电方式，并为充电操作提供指导，同时实时显示出电池的实际状态，以此实现无人管理目标；充电桩应能对整个充电过程产生的异常状态予以报警，并提供必要的保护功能；充电桩应能对汽车电池状态进行实时监控，并以电池温度和电压为依据，对充电时的电流电压实施自动调整与控制；充电桩应配备强制风冷装置。

2 项目基本情况及供配电设计

某商业项目总建筑面积约0.98万m2，地上共4层，设1层地下室，建筑总高23.7m，为多层建筑。项目除基本用电以外，还需配备11个输入功率为7kW 的单相交流充电桩以及2个输入功率为30kW的三相交流充电桩，此外还制定了以下直流充电方案：采用具有储能功能的直流充电桩，其输入功率最大可达100kW；在此基础上配备普通直流充电桩，其输入功率可达到300kW，输出电压最高可达800V，充电效率可达100km/4min。因该直流充电桩主要执行欧洲标准，我国应用并不多，所以这给当地供配电设计有了很高要求。在对该项目的充电桩实施供配电设计时，要注意以下要点：

对于民用建筑而言，中断供电后会给公共安全带来明显损失的充电设施，其供电负荷等级需达到二级以上。由于该项目拟建设充电桩为商业用途、并不属于以上范围，所以可按照三级负荷进行设计。

该项目无法为充电桩设置专门的变压器，需要和其它负荷共用，所以要充电桩供电需设置专门的回路。因变压器低压侧和充电桩形成的范围内配电级数要控制在三级以内，同时还要严格遵循尽可能减少配电级数的基本原则，所以将充电桩的配电级数确定为二级。由于直流充电桩实际输入功率存在很大差异，对于具有储能功能的直流充电桩其配电级数应为二级，从低压侧母线中通过后由干线电缆反射到所在区域的配电箱，然后再从配电箱进入到充电桩。而对普通的直流充电桩，可通过低压侧母线实现直接供电，其原因为该充电桩对输入功率有很大需求[2]。

直流充电桩有很高的输入功率，容易产生冲击电流，所以其安装数量须根据变压器容量确定，当变压器最小安装容量为1kVA 时，可安装630个具有储能功能的充电桩和320个普通充电桩；当变压器最小安装容量为2kVA 时，可安装1000个具有储能功能的充电桩和630个普通充电桩；当变压器最小安装容量为4kVA 时，可安装1000个具有储能功能的充电桩和1000个普通充电桩；当变压器最小安装容量为6kVA 时，可安装1000个具有储能功能的充电桩和1250个普通充电桩。

从以上要求可知，伴随具有储能功能的充电桩数量不断增加，给变压器安装容量提出的要求趋于平稳，给变压器容量提出要求的原因为减小冲击电流可能给变压器造成的影响。但对于普通充电桩，因在中间环节设置隔离型变压器，能起到一定对冲击电流的抑制作用。基于此，当直流充电桩配置数量增加时须提高变压器安装容量。

通过对实际运行数据的收集与分析，可确定直流充电桩对应的需要系数，同时在实际使用过程中要结合项目具体情况及供电部门提供的资料进行适当调整。在设计工作中确定变压器容量是一项重要内容，此过程中须充分考虑日常用电负荷与交流充电桩要求，同时预留一定扩容空间，为日后充电桩建设及发展创造良好条件[3]。

在用电高峰应尽量降低同时使用率以减小输入功率，确保整个建筑所有日常用电负荷都能正常运行。对具有储能功能的直流充电桩而言，将锂离子电池作为储能装置，整个电池模组需3h 左右的充电时间。按照分时充电基本原则，充分利用用电低谷时间进行充电而在高峰时进行放电，以此减少运营成本。此外，通过对充放电策略的有效控制与优化，延长充电桩储能装置寿命。

应注意，为满足防火方面的要求需将直流充电桩设置在室外，同时要尽可能缩短和配电室间的距离，供电电源和能源转换装置间的距离控制在50m内，而能量转换装置和充电终端间的距离控制在30m 内，这样能有效减少线路产生的电源损耗。另外，在整条配电回路中还应加强对剩余电流的保护，不可接入其它用电设备。由于充电桩设置在室外，所以还应加强接地保护与电击防护，以确保设备得以安全与可靠的使用。

3 新能源应用

新能源是对传统能源实施的补充与替代，由于具有可再生性和清洁性，所以得到高度重视。伴随其应用技术不断成熟，已开始在民用建筑领域广泛应用。对民用建筑而言，常用新能源类型包括风能、地热能及太阳能。其中，风能利用一般和建筑主体布局优化及门窗合理设置充分结合，以此实现自然降温，保证建筑自然通风效果，从而减少能源消耗。采用风能进行发电，即便不考虑工程造价，在发电过程中也会产生很大噪音污染，给建筑使用时的声环境造成影响，而且城市当中风能资源十分有限。该项目属于多层建筑、不具备风能发电条件；地热能是指充分利用地壳中含有的天然热能进行发电，往往对地理位置有很高的要求。项目所在地区主要利用的是浅层地热能，借助地源热泵技术对水进行加热，然后实现建筑供暖及制冷，相较于地热发电不仅开发时间较短而且利用率高。因此，地热能并不适合发电[4]。

太阳能指的是太阳光线的热辐射能，亦可以称作太阳光能，将太阳能转换成电能的过程即为太阳能光伏发电。太阳能的利用基本不会受到场地因素的限制，光伏板可充分利用屋顶与墙面，且系统建设周期相对较短，所采用的发电方式也较灵活。尽管光伏发电技术存在初期投资相对较高和能量密度不高的实际问题，然而伴随这项技术的不断优化和改进，光电转换效率将不断提高，随之初期投资也能大幅降低，为充电桩对太阳能的利用创造了良好条件。

常规光伏发电系统包含光伏阵列，充、放电控制器，储能装置（逆变器）。系统安装容量可采用公式计算得出：P=pSη，式中，P 表示系统安装容量；p 表示单位面积光伏板实际输出功率；S 表示光伏板有效作用面积；η 表示系统转换效率。按照当前技术水平，光伏板实际输出功率大多保持在150～200W/m2范围内，而系统转换效率一般不低于70%。根据项目实际情况，有1200m2的面积可进行光伏板铺设，据此保守估计该建筑光伏系统安装容量可达到120kW。

对民用建筑而言，主要使用下列两种光伏系统，即离网型与并网型。考虑到充电桩实际用电量相对较大，安装容量只有120kW 左右的光伏系统难以满足所有充电桩用电要求。如果只采用离网型一种类型，则会使蓄电池实际安装容量显著增大，对项目而言不仅经济性较差而且实现难度很大。基于此，该建筑主要引入的是并网型系统[5]。

在此基础上，对并网型系统而言，应采取有效措施避免孤岛效应发生。通过设置防逆流控制装置，通过对变压器低压侧实际电流及电压进行的实时检测对并网逆变器实际投入进行控制，确保光伏系统电量始终比用电负荷实际用电量小，实践表明，通过这样的设计能有效避免系统向市电反送电能。根据该项目所在地区实际情况，光伏板的安装需按照25°的角度进行，若每年的有效利用时间取1200h，则经过初步测算仅需6～8年的时间即可将前期建设投资完全回收。

4 结语

大力推广和应用电动汽车的主要目的，在于减少对无法再生的能源和资源的依赖程度。在电动汽车充电桩中通过对新能源技术的合理应用，对实现更高层次的节能减排目标、使新能源技术实际应用成为系统的产业都有十分重要的现实意义。就目前来看，要想在民用建筑领域大规模引入新能源技术，依然存在成本造价较高的问题，表现为需要大幅增加初期投资来设置一系列装置和系统，虽然这部分投资通过后期运行减少对传统能源的利用来弥补，但这需要很长的周期。

因此，如何使新能源技术的应用在实际应用效果和经济效益上达到平衡是接下来研究工作的重点，有必要引起相关人员的高度重视。经过一段时间的实践，该项目充电桩新能源技术应用经验证是合理可行的，值得类似项目参考借鉴，为新能源技术在充电桩设计领域的广泛应用奠定良好基础。