电动汽车充换电站交直流系统设计及优化

闫安心，秦 健，冯勇军，王 旗，王晓虎

(1．江苏省电力设计院，南京市211102;2．国网江苏省电力公司建设部，南京市210024;3．国网新疆电力公司营销部，乌鲁木齐市830068)

0 引 言

电动汽车是解决环境、能源问题的重要设备之一，许多学者对电动汽车的相关问题进行了研究和探索。文献［1］研究了电动汽车和车电互联技术(vehicle-to-grid)导致的锂离子电池退化。文献［2］评估了插电式电动汽车对配电网的影响。文献［3］研究了北京市居民对电动汽车的响应特点。文献［4］设计了一套充换电站及电动汽车远程监控系统。文献［5］对充换电站苏沪杭城际互联方案和工程难点进行了总结。文献［6］探讨了电动汽车充电站最优规模和布局。文献［7］分析了电动汽车供电能源优化组合及智能充电策略。文献［8］研究了“充放储”一体化站对区域配电网的谐波治理。文献［9］提供了一种电动汽车供电能源优化组合及智能充电策略。文献［10］分析了智能电网对用户用电的影响。文献［11］进行了基于IEC 61850 的电动汽车充电站通信网关的设计。文献［12］探析了电动汽车充电站运营模式。文献［13］分析了电动汽车充电站对电网谐波的影响。文献［14］基于WebGIS 技术提出了一种电动汽车充电桩运营管理系统建设方案。良好的充换电站网络的建立是推广电动汽车产业的前提，而交直流系统作为充换电站的心脏，现有文献中未见有关其的研究报告。本文从实际工程项目角度出发，提出一种充换电站交直流系统的设计及优化方法。

1 系统构成及网络架构

1.1 充换电站

电动汽车充换电站的结构示意见图1。图中:空心、实心箭头分别表示能量、信息流动方向;直角、圆角方框分别表示充换电站站内、外的系统。其中交直流系统是整个充换电站的能量供应中枢，用以为充换电站内的其他系统提供电源;监控系统主要完成采集、处理、存储来自站内各系统的数据，提供图形化人机界面及语音报警功能，展示各系统的数据并下发控制命令;充电系统用以将电池充满电;换电系统用以将充好电的电池更换到电动汽车上;通信系统实现监控信息、计量信息的上传;辅助系统包括采暖通风、电气消防等。

图1 电动汽车充换电站的结构示意Fig．1 Structure diagram of electrical vehicle charging station

1.2 交直流系统

电动汽车充换电站交直流系统分为交流系统、直流系统二大类。电动汽车充换电站交直流系统结构示意如图2 所示。为便于计算，交流不停电电源系统(uninterruptible power supply，UPS)也归入直流系统。在图示的直流系统中，10 kV/380 V 变压器低压母线提供380 V 或220 V 交流电压，AC/DC 模块将交流母线电压变换为各电压等级的直流电，UPS 从交流母线或直流母线取电并转换为220 V 交流电。在交流系统中，分箱充电机从交流分电柜取电，充电机、充电桩、采暖通风等设备通过电缆直接从交流母线取电。

2 参数计算

2.1 交流系统计算

2.1.1 交流负荷统计

本算例假设充换电站含有1个换电工位(共98 台15 kW 的分箱充电机)、5 台100 kW 一体式直流充电机、5 台12 kW 交流充电桩。

2.1.2 充电设备总容量

式中:P 为充电机的输出功率;cosφ 为功率因数，根据规程要求，应达到0.9 以上，取0.92;η 为充电机工作效率，高频开关整流充电机取0.9;K 为同时系数，取0.65;n 为充电机数量。

图2 交直流系统结构示意Fig．2 Structure diagram of AC/DC system

对于换电部分，配置98 台功率为15 kW 的分箱充电机，分箱充电机运行功率按12 kW 考虑，由式(1)可得该部分总容量S1=923 kVA。

对于充电机部分，配置5 台100 kW 一体式直流充电机，由式(1)可得该部分总容量S2=393 kVA。

2.1.3 其他设施负荷(除充电机外)

按照2 套公交车电池箱更换设备共50 kW，5 台7 kW 的交流充电机共35 kW，其他监控、照明、空调和办公用电负荷等60 kW，同时系数取0.8，可得除充电机外设施的负荷S3=116 kVA。

2.1.4 总负荷

2.1.5 变压器容量

变压器最佳负载率，取0.8;变压器总容量为

即设置1 台2 000 kVA 的干式变压器。

2.2 直流系统计算

建议选择直流母线电压220 V，直流计算借鉴变电站直流系统计算方法，参考文献［15］。

2.2.1 负荷统计

本充换电站内各类直流负荷统计、直流负荷计算结果分别见表1、2。

2.2.2 蓄电池个数

充换电站推荐采用阀控式铅酸蓄电池，其浮充电压暂按13.5 V 考虑。计算得单体蓄电池个数为18 只，每只的放电末期终止电压为11.22 V。

2.2.3 蓄电池容量

蓄电池容量计算采用阶梯计算法，根据表2，经计算建议选用蓄电池容量80 Ah。

2.2.4 充电装置

根据文献［15］，选择充电装置:220 V，3 ×20 A +1×20 A。

表1 直流负荷统计Tab．1 Statistics of DC load

表2 直流负荷计算结果(220 V)Tab．2 Calculation results of DC load (220 V)

3 主要设备的选择

3.1 交流系统

3.1.1 电气接线方案

10 kV 侧、0.4 kV 侧均采用单母线接线;0.4 kV侧采用中性点直接接地运行方式。交流系统主接线示意图见图3 所示。

3.1.2 供电变压器选型

选用树脂浇注干式变压器，接线组别Dyn11，阻抗电压6.0%，变比10 ±2 ×2.5% /0.4 kV。

图3 交流系统主接线示意Fig．3 Main wiring diagram of AC system

3.1.3 中、低压配电柜选型

10 kV 开关柜采用空气绝缘式负荷开关柜，额定电流选择630 A，短路开断电流及热稳定时间不小于25 kA/4 s。

低压柜采用抽屉柜。其中进线断路器选用框架断路器，额定极限短路分断能力65 kA。出线断路器选用普通塑壳断路器，额定极限短路分断能力50 kA。高压断路器配置辅助触点和报警开关，以接入监控系统配合工作。配置相应数量的0.4 kV 进线柜、馈线柜。

3.1.4 电力电缆选型

采用1 回10 kV 进线(就近接入、长1 km 计)，电缆截面不小于120 mm2。配变出线柜至变压器的电缆截面不小于70 mm2;馈线柜至交流分电柜的电缆截面不小于240 mm2;交流分电柜至充电机柜的电缆截面不小于70 mm2。

3.2 直流系统

全站设置1 套直流系统，母线电压推荐DC 220 V。直流系统主接线示意图见图4 所示。全站事故停电按1 h考虑，配置80 Ah/12 V 蓄电池18 只，3×20 A +1×20 A 直流充电装置、馈线各1 套。蓄电池、直流充电装置及馈线等设备组2 面直流柜。全站设置1 套公用的交流不停电电源系统，由2 台容量为3 kVA 的UPS 等组成。交流不停电电源系统组1 面屏柜。

4 应用及优化

4.1 其他规模的交直流系统计算

采用其他上述方法，对以下4 种规模的充换电站交直流系统进行计算，计算条件如表3 所示，结果如表4 所示。

图4 直流系统接线示意Fig．4 Main wiring diagram of DC system

表3 充换电站交直流系统计算条件Tab．3 Calculation conditions of AC/DC system for charging station

表4 充换电站交直流系统计算结果Tab．4 Calculation results of AC/DC system for charging station

4.2 交直流系统的优化

4.2.1 交直流系统接线形式的优化

为使主接线简单清晰，维护、检修简单方便，降低成本，主接线采用以下形式。

(1)交流系统。整个充换电站采用1 路10 kV站外电源供电;站内10 kV 侧采用单母线接线;0.4 kV侧配置1 台变压器时，采用单母线接线，配置多台变压器时，采用单母分段接线。

(2)直流系统。直流系统采用单母线接线。由于断路器电动操作机构为预储能式，合闸电流较小，因此不设置合闸母线，由控制母线提供合闸电流。

4.2.2 馈线网络的优化

(1)交流系统采用“配电室—配电柜—场地设备”形式的馈线网络(在场地设备较少的情况下也可采用“配电室—场地设备”形式)，以减少电缆数量、降低电缆敷设难度。

(2)直流负荷数量较少，直接采用“辐射式”馈线网络，即以直流母线为中心，直接向用电负荷供电。

4.2.3 设备选型和布置的优化

(1)交流系统进线使用断路器，1 250 kVA 及以下容量的变压器在高压侧使用负荷开关加熔断器，1 250 kVA以上则使用断路器，变压器低压侧使用低压断路器。如果充换电站的规模小于本文的算例、方案，变压器容量不大于630 kVA，可以考虑不设置配电室，而采用箱式变压器，以节省占地、减少投资。

(2)直流系统蓄电池放置于直流电源柜内，无须设置蓄电池小室，可布置于二次设备室或主控室。

4.2.4 保护装置的优化

仅设置10 kV 进线保护、变压器保护，充电设备的保护，测控装置内置于装置内，简化了供电。

对于冲击负荷，即断路器操作电源，仅对10 kV交流进线、变压器设置保护(此时设置直流操作电源);对于负荷开关，可不设置保护、测控装置和直流操作电源。

4.2.5 与监控系统、通信系统的关系

监控系统中的服务器、工作站数量应根据充换电站的规模进行调整，可在单个服务器或工作站上实现多个功能或运行多个软件，参数计算时需要予以考虑。

通信采用带光口的三层交换机实现，无须另外配置通信接入设备，因此不考虑通信系统的供电。

4.2.6 停电时间的设置

根据充换电站用电负荷的重要程度，全所事故停电按1 h 考虑，事故照明按抢修人员0.5 h 到现场后手工投闸考虑。该时间可根据实际情况或特殊要求进行调整。

5 结 论

(1)本文借鉴了变电站交直流系统的参数计算方法，根据充换电站规模和参数计算的结果来进行设备选择和布置。其中，交直流负荷的大小和种类直接影响着参数计算、设备选择结果，因此负荷统计应力图精确。而交直流系统优化的主要原则是在充换电站可靠运行的前提下，尽量减少占地和投资。

(2)在实际工程项目中，充换电站交直流系统的设计还必须符合电动汽车、充换电站的相关规程、规定，并针对具体细节作进一步考虑和完善。

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