適用于社區(qū)的電動(dòng)汽車(chē)柔性直流充電技術(shù)研究

顧國(guó)華，宋偉華

（江蘇格潤(rùn)電力科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

新基建方案中，新能源汽車(chē)充電樁產(chǎn)業(yè)直接帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)、新能源汽車(chē)行業(yè)以及互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，能夠?qū)?G網(wǎng)絡(luò)和能源互聯(lián)等具有明顯時(shí)代特征的融合型基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)是世界第一大電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)從2021年到2030年，需要新建樁6 300多萬(wàn)個(gè)。社區(qū)充電具有充電便捷、電能源浪費(fèi)相對(duì)較低以及使用性能高等特點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主最理想的充電方式[1]。

各地市逐步出臺(tái)了支持在住宅小區(qū)增設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充電樁的指導(dǎo)意見(jiàn)或建議。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)前36名的城市約有30萬(wàn)個(gè)小區(qū)，其中上海的小區(qū)超過(guò)15 000個(gè)，北京的小區(qū)超過(guò)10 000個(gè)。目前，住宅小區(qū)停車(chē)場(chǎng)配有的充電設(shè)施很少，很多居民想購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車(chē)，卻因?yàn)閾?dān)心充電困難不敢購(gòu)買(mǎi)，而私人安裝充電樁受到車(chē)位和小區(qū)配電容量等條件的制約。社區(qū)規(guī)模化建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充電樁存在諸多問(wèn)題，如新建社區(qū)供電富裕量難以分配給充電裝置、舊社區(qū)供電容量增容難、充電樁功率增加給社區(qū)供電穩(wěn)定性帶來(lái)隱患、社區(qū)內(nèi)交流充電樁現(xiàn)狀滿足不了與電網(wǎng)互動(dòng)的技術(shù)基礎(chǔ)以及社區(qū)內(nèi)慢充的現(xiàn)狀無(wú)法解決快充的需求等[2]。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文全面調(diào)研和分析了社區(qū)內(nèi)規(guī)模化建設(shè)充電設(shè)施涉及到的方案和綜合技術(shù)，提出了一種兼顧社區(qū)電網(wǎng)環(huán)境和用戶使用需求的柔性直流充電方法，以促進(jìn)我國(guó)社區(qū)充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的規(guī)模化發(fā)展。

1 社區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施現(xiàn)狀

目前，社區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充電模式可分為交流充電和直流充電兩種方式，具體對(duì)比參數(shù)如表1所示。交流充電通過(guò)交流充電樁實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，交流充電樁本身不具備充電功能，是通過(guò)提供電力輸出給車(chē)載充電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)電池的充電。因?yàn)檐?chē)載充電機(jī)的功率一般都比較小，為3～7 kW，所以交流充電樁無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速充電，充滿電一般需要5～8 h。當(dāng)前社區(qū)里私人用戶大都是安裝的交流充電樁，其人工及能源成本低，安裝便捷，且可利用晚上低谷電進(jìn)行充電。充電時(shí)段充電電流較小，電壓相對(duì)穩(wěn)定，能夠保證動(dòng)力電池組的安全并延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命，但是慢充充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以滿足車(chē)輛短時(shí)恢復(fù)運(yùn)行的需求。

一些供電富余量較大的小區(qū)，在公共停車(chē)區(qū)域可能會(huì)安裝少量的直流充電樁。這種裝置充電功率一般高于30 kW，可在30～60 min內(nèi)為動(dòng)力電池充電50%～80%。相對(duì)于交流充電樁，它具有充電時(shí)間短、充電車(chē)輛流動(dòng)快以及節(jié)省充電站車(chē)場(chǎng)面積等優(yōu)勢(shì)，但也存在充電效率低、設(shè)備成本較高以及大電流充電會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)設(shè)備形成沖擊而影響供電質(zhì)量和安全等若干問(wèn)題。

表1 社區(qū)內(nèi)交流充電與直流充電的主要參數(shù)對(duì)比

交流充電和直流充電的充電負(fù)荷會(huì)影響社區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。特別是對(duì)于供電裕量不足的社區(qū)低壓配電來(lái)說(shuō)，快充負(fù)荷的接入會(huì)大幅降低并網(wǎng)母線電壓的靜態(tài)穩(wěn)定裕度。同時(shí)，充電啟停階段的瞬時(shí)沖擊會(huì)引起社區(qū)電網(wǎng)頻率波動(dòng)超標(biāo)的問(wèn)題，從而影響其他接入該電網(wǎng)用電設(shè)備的安全運(yùn)行[3]。

隨著社區(qū)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量的快速增加，大量充電負(fù)荷接入社區(qū)電網(wǎng)，改變了原有的電網(wǎng)形態(tài)，而不確定的充電行為進(jìn)一步擴(kuò)大了負(fù)荷峰谷差。社區(qū)電網(wǎng)容量難以增加，加大了配電網(wǎng)變壓器過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)，顯著增加了電網(wǎng)損耗和電壓偏差。為了緩解此類(lèi)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，市場(chǎng)上已出現(xiàn)了箱變控制集中布置、充電終端分散布置以及具備群管群控功能的交流充電設(shè)施，可與社區(qū)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，從而合理調(diào)配車(chē)輛充電時(shí)間段，提高電力使用效率。但是，這種充電方式仍屬于交流充電方式，充電速度慢且不支持V2G，既難以滿足社區(qū)的現(xiàn)有充電需求，也不能適應(yīng)未來(lái)車(chē)網(wǎng)互聯(lián)互通的能量雙向流動(dòng)需求。

2 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置對(duì)電力系統(tǒng)的影響研究

社區(qū)充電需要引入一種既能適應(yīng)當(dāng)前配電網(wǎng)形態(tài)，又能給用戶提供高質(zhì)量充電服務(wù)的充電方式。為滿足以上需求，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于社區(qū)的柔性直流充電裝置，可在不增加社區(qū)配電網(wǎng)容量的前提下，通過(guò)預(yù)測(cè)、測(cè)量以及控制小區(qū)供電容量和充電負(fù)荷，輔以精細(xì)化的有級(jí)投切控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)社區(qū)多車(chē)位直流快充和慢充全覆蓋。柔性直流充電系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置對(duì)社區(qū)用電電力平衡的影響

圖1 適用于社區(qū)的柔性直流充電系統(tǒng)

社區(qū)電網(wǎng)存在地域性分配限制，其容量的增加難度很大。電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行大規(guī)模充電時(shí)，可能會(huì)影響社區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，社區(qū)內(nèi)充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)必須要重視社區(qū)用電的穩(wěn)定性和平衡[4]。針對(duì)這一問(wèn)題，柔性直流充電系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)社區(qū)配電網(wǎng)的變壓器容量和供電電壓等參數(shù)，通過(guò)有序充電控制器協(xié)調(diào)控制每臺(tái)充電樁，并對(duì)需要充電的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量和充電功率等采取一定的干預(yù)措施，從而避免出現(xiàn)變壓器負(fù)荷過(guò)載和線路故障等問(wèn)題，確保社區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置對(duì)社區(qū)電能質(zhì)量的影響

充電功率的波動(dòng)和接入時(shí)的沖擊會(huì)對(duì)社區(qū)電網(wǎng)電壓造成影響。電壓不穩(wěn)定或者波動(dòng)會(huì)影響社區(qū)內(nèi)其他用電設(shè)備。另外，電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷屬于非線性負(fù)荷，所使用的電力電子設(shè)備將產(chǎn)生一定的諧波，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的影響，如電壓畸變?cè)龃蠛凸β室驍?shù)降低，降低了社區(qū)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性[5]。本文設(shè)計(jì)的柔性直流充電系統(tǒng)采用主動(dòng)電能質(zhì)量治理技術(shù)，輸出電流諧波低、功率因數(shù)高，并留有儲(chǔ)能接入接口，可為后續(xù)系統(tǒng)與供電方的交互提供設(shè)備基礎(chǔ)，并可通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)施提高社區(qū)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

3 社區(qū)內(nèi)柔性直流充電裝置關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1 小功率和高電壓充電模塊

充電模塊是直流充電裝置的核心部件。柔性直流充電系統(tǒng)的整流模塊采用全數(shù)字解耦控制技術(shù)，自帶有源功率因數(shù)校正功能，功率因數(shù)高，電流諧波低，電磁兼容性好。斬波模塊為全橋三電平DC/DC隔離變換拓?fù)洌捎萌珨?shù)字控制自帶同步均流技術(shù)，效率高、紋波低以及調(diào)壓范圍大，整體效率大于96%。圖2為該充電模塊的原理框圖。

圖2 充電模塊原理框圖

由圖2可知，充電模塊整流部分以50 kW為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，斬波部分由7 kW為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)精細(xì)化分級(jí)投切功率回路控制。單槍功率7～50 kW輸出可調(diào)，全面覆蓋慢充和快充；超寬輸出電壓范圍DC 200～950 V，覆蓋國(guó)標(biāo)全部電壓范圍；超寬恒功率輸出區(qū)間為DC 340～450 V和DC 680～950 V，最大功率輸出滿足主流車(chē)型大功率充電需求，非常適合在社區(qū)配電容量不大和充電樁多的場(chǎng)景下使用。

3.2 社區(qū)電網(wǎng)充電功率有序控制策略

社區(qū)電網(wǎng)充電功率有序控制策略以社區(qū)供配電網(wǎng)容量、實(shí)時(shí)負(fù)荷、充電負(fù)荷以及充電需求等參數(shù)為基準(zhǔn)，有序充電控制社區(qū)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)充電裝置，在保障社區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)最大數(shù)量的充電樁運(yùn)營(yíng)，滿足車(chē)主的充電需求，提升社區(qū)充電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)性。社區(qū)內(nèi)充電網(wǎng)絡(luò)有序控制策略框圖如圖3所示。

3.3 車(chē)網(wǎng)互動(dòng)和用戶互動(dòng)的高級(jí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)

當(dāng)今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)盛行，手機(jī)已成為人們不可或缺的工具，是電動(dòng)汽車(chē)、充電裝置與用戶良好交互的媒介。柔性直流充電系統(tǒng)可收集、分類(lèi)以及分析社區(qū)負(fù)荷、社區(qū)內(nèi)電動(dòng)車(chē)類(lèi)型、車(chē)主充電習(xí)慣以及電動(dòng)車(chē)電池充電特性等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)社區(qū)內(nèi)充電動(dòng)態(tài)功率分配、社區(qū)供電/用電負(fù)荷監(jiān)控、有序充電管理、新能源發(fā)電及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入、社區(qū)充電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息模型的建立以及用戶微信公眾號(hào)互動(dòng)等功能，在保障社區(qū)供電安全的前提下，給車(chē)主提供高質(zhì)量充電服務(wù)。圖4為柔性直流充電系統(tǒng)的移動(dòng)客戶端。

4 結(jié) 論

在保護(hù)環(huán)境、利用綠色電力以及倡導(dǎo)綠色出行的大背景下，新能源汽車(chē)的推廣和使用體現(xiàn)出了重要的意義和價(jià)值。隨著新能源汽車(chē)的大量接入，大規(guī)模電動(dòng)汽車(chē)充電給社區(qū)配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的帶來(lái)了諸多問(wèn)題。本文從社區(qū)內(nèi)電網(wǎng)的實(shí)際情況和充電需求出發(fā)，對(duì)比分析了當(dāng)前社區(qū)內(nèi)交流充電與直流充電兩種充電方式的功能，提出了一種柔性直流充電系統(tǒng)，并探討了該柔性直流充電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。柔性直流充電系統(tǒng)能夠優(yōu)化充電功率的分配，加快當(dāng)前社區(qū)充電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，且其配備的儲(chǔ)能擴(kuò)展接口在未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中將發(fā)揮重要作用。

圖3 社區(qū)內(nèi)充電網(wǎng)絡(luò)有序控制策略框圖

圖4 柔性直流充電系統(tǒng)移動(dòng)客戶端