电动汽车充电桩对城市供电负荷决策的影响

2023-01-31雷瑞雪

科学与信息化 2023年1期

雷瑞雪

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引言

当前，随着我国传统能源的缺乏，新能源电动汽车已经成为人们日常生活的重要组成部分。电动汽车不仅方便了人们的日常出行，也在很大程度上减少了城市环境的污染。通过用电代替石油，可以促进我们的社会朝着更加绿色和健康的方向发展。电动汽车充电是一个重点内容。充电桩会不同程度地影响城市供电负荷，严重时会影响人们的日常生活。针对这个问题，需要相关部门多加重视，才能更好解决供电负荷问题。

1 电动汽车充电桩规划

电动汽车充电设施的规划、设计、安装应贯彻执行国家有关方针政策，本着统一规划、分期建设、适度超前的原则，符合地区国民经济和社会发展规划的要求，以提高建设水平，保护人身和财产安全为宗旨进行设计，满足符合消防、供用电安全、环境保护的要求。电动汽车充电设施的设计与规划应当符合项目地政府关于电动汽车的整体发展计划以及相关技术发展的方向，且要和各地总体规划及专项规划调和一致。充电设施的规划除应符合上述地方规划外，尚应满足电力部门的配电网络规划。

在进行电动汽车充电设施系统设计时，应选用符合国家现行规范标准且经相关检测机构检测合格的产品，严禁使用已被规范明令淘汰的产品，不宜在汽车车库坡道出入口的双侧设置充电设备，建筑内走廊、疏散通道上不应该设置落地安装的充电设备。

2 电动汽车充电桩供配电系统

供电系统应符合国家现行标准《供配电系统设计规范》GB50052的相关要求，如无特殊要求，一般充电设施的负荷等级均按照三级负荷考虑。当中断供电影响较大时需按照二级负荷及以上要求供电。

在进行负荷计算时，首先建议选择需要系数法进行计算。当容量较大时应当对负荷进行分组计算。民用建筑中非车载充电机多为30kW、60kW，大容量的非车载充电机适用于大中型车辆。大容量的三相交流充电桩为AC380V、50Hz，容量不低于40kW，主要车型为比亚迪全系车型。标准的单相交流充电桩为AC220V、7kW。

若是充电设施数量大且供电容量也高，建议为充电设施单独设置独立的变压器供电。除柔性充电堆、电池更换站、充电设备总安装容量在250kW以上、既有建筑改造时变压器负荷不足等情形外，电动汽车充电设备不需要单独设置变压器。

当充电设备设置专用变压器时，应注意以下几点：来自不同电源的低压进线断路器和低压分段断路器之间应设机械闭锁和电气联锁装置，防止不同电源并联运行；低压进线断路器应具有短路短延时、长延时保护功能；低压出线断路器应具有短路瞬时、长延时保护功能[1]。

单相交流充电桩为7kW、32A，链式供电的交流充电桩上限值定为8个，即总容量上限值为56kW，与60kW非车载充电机相近，额定电流上限值为256A，对保护电器、线缆等要求可以容易实现，同时一旦某充电桩故障造成保护电器跳闸，故障可以控制在一定范围。

充电设备末端配电线路应设过流和短路保护；分支回路的保护电器已有剩余电流保护功能。有条件地应对每台充电设备设置限流保护器。做出上述约定的原因很多，主要是出于人身安全防护的角度。

电动汽车充电区域照度标准值可按照表1的相关要求进行设计。

表1 充电设施工作区域的照度标准值

公共停车场（库）充电区域的照明应采用集中控制或自动控制方式，住宅小区停车场（库）充电场所的照明宜采用集中控制或自动控制的方式。

3 充电设施对负荷特性的影响

3.1 快速充电对不同类型负载的影响

电动汽车快充负载增加了各种负载的峰谷差和负载比，增加幅度和渗透率基本遵循线性规律。对于商业、企业、住宅负荷，电动汽车快充负荷会加大峰谷差。幅度明显大于增加的幅度。对于工业负载，在各种穿透条件下，电动汽车快充负载的峰谷差和负载增量都比较小[2]。

3.2 快速充电对总负荷的影响

预计到2030年，我国的电动汽车数量将增加到5000万辆以上。假设电动汽车充电功率为10kW，当同步转速达到极值时，电动汽车可以一起充电，达到5亿kW。当大量电动汽车随机向电网充电时，电网上的负荷成为“峰值”，使得电网的峰值更加困难，增加了配电网的压力，大大降低了电网的安全性和可靠性。随着电动汽车数量的不断增加，电动汽车充电对电网的不利影响越来越严重。

3.3 最大负荷对电网的影响

充电时间、日行驶里程等参数在一定程度上是随机的。根据概率统计原理，随机数用于模拟和解决问题。在获取问题概率函数的基础上，利用计算机对解进行计数和采样，得到问题的解。根据电动车类型选择电动车，然后输入该车型的基本信息，如电池容量、充电功率和电动车尺寸。然后，取任意初始充电时间和初始充电SOC，计算24h的充电负载率，得到负载曲线。重复上述过程，累积电荷负荷曲线，找到最终的电荷负载[3]。

4 电动汽车充电桩系统设计优化策略

4.1 错开用电负荷峰值

通过对电价与负荷波动最小优化控制方式的调整，能够与白天用电高峰时间段错开。利用浮动电价优惠政策方式，错开高峰时间段，从而将电动汽车充电峰值转移到这两个时间段的附近区段中，通过该种方式，能够在一定程度上防止电网负荷最耗电情况出现。通过电网负荷高渗透率，电动汽车并网接入，能够提升每日最小负荷率。在这一过程中，一旦没有采用错峰控制方式，那么就会出现峰值溢出情况。对整个电动汽车系统整体进行调整，使电动汽车充电能够错峰。

4.2 充电桩效率优化设计

目前来看，在已建成电动汽车充电桩项目中，普遍存在电路功率因数小的问题，限制了充电桩功率的提升，使得电动汽车实际充电时间较长，并在充电期间损耗较大电能，违背了节能环保理念。因此，在充电桩系统设计方案中，应采取调节电路功率因数数值的方法来改善充电效果、提升充电效率与充电桩功率，具体方法包括设计提高、人工补偿两种，设计提高是做好变压器选型设计工作、优化电路布线结构、合理选择电气设备种类型号，人工补偿是在系统结构中安装无功补偿装置来补偿电气设备及电路的无功功率。

例如，对原有方案中的PFCAC/DC变换器控制方法进行改进，传统控制方法本质上属于一种双闭环控制法，在充电桩长时间处于低功率输出运行状态时，存在着控制稳定性差、AC/DC变换器占空比较小、采取ZVS软开关控制的问题，由此产生严重充电损耗，影响到系统工作效率，并在负载出现瞬时变化时出现主电路输入电压过冲现象。针对于此，可采取用于解决非线性系统问题的微分平坦理论来控制PFCAC/DC变换器，根据已掌握信息来假定一组平坦稳定地输出变量，使用变换形式，基于输出变量值来表示系统输入量及状态变量，在证明输出变量是平坦输出的情况下，即可在输出空间内设计参考轨迹。

4.3 充电终止控制设计

在电动汽车充电完成后，如果没有及时停止充电桩对蓄电池的充电，会因此快速提升汽车蓄电池的工作温度和内压值，随着时间推移，出现电压负增长情况，严重时损害蓄电池使用寿命[4]。如何避免过度充电，是早期充电桩系统亟待解决的一项重要问题。为解决这一问题，设计人员可选择在系统方案中采取温度控制法、电压控制法、时间控制法或是综合控制法，使充电桩系统具备自动断电能力。

4.3.1 温度控制法是在系统中安装温度传感器或温度探头装置，持续检测蓄电池温度，在蓄电池充满电后，多余电能转为热能，使蓄电池温度提升，在蓄电池温度检测值达到限定值后，向核心控制模块发送特定信号，从而下达停止充电的控制指令，一般情况下，将蓄电池温度限值设定为45℃，在温度超过这一标准后，将进入浮充的充电模式，无法起到实际作用。

4.3.2 电压控制法是通过安装电压检测设备，在充电期间持续检测实时电压值，待蓄电池电量充满后出现电压迅速提升至最大值的现象，基于这一现象来判断蓄电池是否完成充电、是否出现电压负增量情况，将信号反馈至核心控制模块。

4.3.3 时间控制法是在软件程序中预先设定充电时间，加装时间控制器，在充电桩处于充电状态后进行计数，计数值达到额定值后通过切断电路来结束充电，此项方法有着易于实现、操作简单的优势，但控制精度较低，各台车辆的蓄电池使用年限及性能存在差异性，有可能出现过度充电或是充电力度不足问题。

4.3.4 综合控制法是对上述3种方法的同时采纳，对比温度、电压、充电时间等监测要素来判断蓄电池电量是否充满，有着极高的控制精度，但设计难度较大，并加大了充电桩系统的前期建设成本[5]。

4.4 快速充电设计

为满足不同消费者群体的电动汽车充电需求，在系统设计方案中，应设定快速充电内容，消费者可根据自身需求，在系统界面上选取常规充电方式或是快速充电方式。

以磷酸铁锂电池为例，常规充电方式包括恒流充电、恒压充电、反射式充电与脉冲充电四种，而快速充电方式为分段式快充，将充电桩充电过程分解为预充电、分段恒流快速充电、大电流充电，分别起到保护汽车电池、在短时间内迅速向汽车电池提供电量、去极化负脉冲的作用。在快速充电设计环节，要求设计人员预先调查市面上常见电动汽车车型的磷酸铁锂电池性能参数等基础信息，开展电压测定试验，基于电压情况来设定快速充电方法的各阶段电流值、预充电与分段恒流充电切换时间、大电流充电持续时间等参数，避免因充电电流值过大而破坏电池中活性物质恢复效果，或是因大电流充电时间设定不当而降低充电速度和出现电池极化问题[6]。

4.5 光伏储能式电动汽车直流充电桩设计

为控制充电桩的总体使用成本，节省电力能源和减少线损量，可选择设计新型光伏储能式的直流充电桩系统，在系统结构中加装太阳能电池阵列、直流母线、储能装置、直流变换器等装置，使用plc可编程逻辑控制器作为系统主控装置，基于光伏发电效应，在太阳光照射光伏阵列时，因电荷内部分布状态改变而形成电动势，在负载终止情况下产生电流，起到发电作用，并使用混合储能装置，在充电桩处于待机状态时，将多转换多余电能导入储能装置中保存[7]。