基于电力载波自组网的自律式直流充电桩设计

孙国杰

（矿冶科技集团有限公司）

0 引言

基于国家碳中和目标，大量清洁能源如光伏发电等接入电网［1］。建筑屋顶光伏是可再生能源的重要组成部分，到2025年，新建公共建筑屋顶光伏覆盖率将达到50%。电动汽车蓬勃发展，到2030年，中国将保有约8000万辆电动汽车［2］。大规模的电动汽车接入会给电网带来巨大的用电冲击［3］。因此，电动汽车充电与建筑能源系统深度融合，可最大程度消纳可再生能源，降低光伏发电随机性带来的电网冲击［4］。

光伏发电为直流电，需要经过直流/交流转换才能接入电网或供负载使用，而现有充电桩系统多采用三电平技术实现交流/直流变换，才能供电动汽车电池储存，从发电到用电过程，电能经过DC/AC、AC/DC两次变换，能量损失大。另外，现有充电桩系统多采用无线通信或添加额外的有线通信线来实现各充电桩直接的组网通信，这些方法增加了成本，且无线通信存在不稳定的问题，不利于充电桩系统的推广使用。

本文提出一种基于直流母线能量分配的充电桩及系统设计，充电桩复用电力连接线进行信息交互，采用电力载波自组网通讯方式，提高通信稳定性；同时根据充电桩的个体功率需求，采取自律式柔性管理策略，解决光伏直流微电网中光伏发电、充电桩用电带来的冲击，保持系统供电稳定。

1 直流微网整体方案设计

1.1 直流系统电压等级选择

为了更好地适应用户和不同类型设备需求，直流电气系统可以采用多级电压，但电压等级过多，也会增加系统的复杂性，电击防护和现场维护也会面临更多问题。在确定电压等级的过程中，最重要三个因素是用电安全、供电能力和用电设备电压需求，通过调研分析，采用DC 750V、DC 375V/DC240V和DC 48V几级电压，可以满足绝大多数民用建筑的要求［5］。

设备接入直流母线时，应根据其额定功率选择电压等级，并宜符合表1的规定。DC 750V电压较高，供电能力较强，可以满足大功率和远距离供电要求，同时变换器工作效率较高。因此，有大功率充电桩设备接入的直流系统，采用此电压等级作为主控母线电压，有助于提高设备能效，并与建筑分布式光伏更加灵活高效互动。

表1 设备接入的电压等级选择

1.2 直流微网系统拓扑

大比例光伏、电动汽车和电力电子设备接入建筑配电系统，建筑直流系统便于通过直流母线实现建筑光伏、建筑储能和不同类型负荷的接入。如图1所示，电源侧光伏、储能、市网电源，负荷侧建筑负荷、大功率充电桩将直流母线作为能量传递中心［6］，直流母线可以将动力、通信和弱电配电统一电能形式，使配电系统功率密度更高，损耗更低，响应更快，稳定性更强［7］。

图1 直流系统拓扑结构

充电桩接入直流系统，可避免DC/AC、AC/DC多次变换的损耗。同时，根据城市电网及光伏发电功率变化要求，配合调节储能和充电功率，实现供需匹配，进而解决未来新型电力系统供给侧和需求侧随机性问题［8］。

2 直流充电桩系统架构

2.1 直流充电桩原理框图

为适应直流系统，基于30kW单台充电模块，采用4台充电模块并联对应双枪直流充电桩器原理框图如图2所示。充电桩设计可供单台或双台电动汽车充电。每一枪通过直流接触器与电源模块连接，电力载波通讯接点包含充电桩主控芯片，主控芯片控制继电器实现每一枪输出的开通与关断，从而实现单枪60kW的充电功率［9］。

图2 直流充电桩器原理框图

充电模块母线侧电压范围为-375V DC~375V DC，电流范围≤50A；直流输出侧电压范围200-750VDC，额定输出电流60A；充电效率可达94.5%；稳压精度±0.5%；稳流精度±1%；波纹系数<1%；安全功能包括过压保护、欠压保护、过载保护、短路保护、接地保护、过温保护、防雷保护、急停保护、漏电保护。

2.2 充电桩自律式柔性调节原理

充电桩的柔性调节自律式工作原理如图3所示：柔性控制芯片接收输入端的多个信号（直流母线调度信号PDCB、取车时间t、充电电量W、已充电量计量Wc、电荷状态/电池剩余容量SOC）；对多个输入信号进行处理、制定多参数自律功率控制决策并将决策传递给充电桩；最终，充电桩实现功率大小实时变化的输出、实现柔性充电。

图3 直流充电桩自律式充电工作原理图

3 直流系统电力载波应用

3.1 电力载波原理

电力载波通信室一种利用电力线作为传输媒介的通信技术，通过在电力线上叠加高频载波信号来实现数据传输。具有成本低、便捷等优点。如图4所示，电力线载波通信的原理可以分为三个步骤：调制、传输、解调。

图4 电力载波原理图

调制是将要传输的信号转换为适用于载波通信的信号。通常采用的调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。调制后的信号经过滤波器进行滤波，去除不需要的频率成分，保留有效的载波信号；调制后的信号通过耦合器等装置，将高频载波信号注入到电力线（直流母线）中。载波信号会在电力线上进行传输；解调是将传输过程中叠加在电力线上的载波信号还原为原始信号。解调器会对接收到的载波信号进行解调处理，获取原始信号。解调过程中需要克服电力线本身的干扰和噪声，保证解调的准确性和可靠性。

3.2 直流电力载波系统

通过在直流750V电力线上叠加高频信号，实现在高压直流电力线中建立2MHz~20MHz窄带数据物理层链路，为柔性充电桩自律性群控提供PHY和MAC层支撑，进而实现群控充电桩自组网架构以及自律柔性充电群控管理［10］。

自律群控电力载波模组，具体技术参数如表2所示。

表2 电力载波模组技术参数

充电桩控制策略：以充电母线电压的压降变化值作为柔性控制的信号，各个充电桩进行对应功率变化响应。柔性上限功率总线电压：Vub=750V；柔性下限功率总线电压：Vlb=700V；总线电压为V；系统总额定功率：Pmax；单桩额定功率：Ppeer；目标功率：Ptаrget=(V-Vlb/Vub-Vlb)×Pmаx；自律响应桩数：n=-floor(Ptаrget-Pmаx/Ppeer)；自律调节响应超时：5s，5s若功率无法达到目标功率，如P>Ptаrget则电压在V与Vlb间跳跃，此时n=n+1；反之如P

4 柔性充电桩在光储直流系统中应用

4.1 光储直流微网系统拓扑

如图5所示，光储直流微网［11］组成：光伏及DC/DC变换器、市电及AC/DC变换器、储能及DC/DC变换器、DC/DC充电模块。其中光伏模块配置电力载波自律群控节点A，市电模块配置电力载波自律群控节点B，储能电池模块配置电力载波自律群控节点C，每个直流充电桩模块配置一个电力载波节点。光伏、储能、市电、充电桩通过直流750VDC电力线完成功率传递分配，在电力线上叠加2MHz-20MH高频信号，实现各充电桩及功率分配模块之间的数据交互。电力载波自律群控节点1~n属于对等网络。

图5 光储直流微网系统

4.2 柔性充电桩自律群控策略

为保证充电母线电压稳定［12，13］，减小系统功率振荡，电源侧市电作为主控设备，其次为光伏，第三为储能。直流充电桩无主从之分。电力载波自律群控节点A~C、1~n均可互相接收到彼此信息，即光伏实时发电功率、市电实时输出功率、储能电池充放电状态以及输入输出功率、储能电池荷电状态、充电桩输出功率、电动汽车荷电状态等信息均为互通。电源装置侧的功率输出调节策略为：最大限度消纳光伏发电；储能电池作充/放电调配，市电功率输出符合电网削峰填谷的目标。充电装置侧各充电桩的功率分配原则为：符合源侧功率和的波动曲线，柔性分配每个桩的充电功率，不造成系统大的功率振荡。

5 结束语

响应“双碳”目标，建筑行业正向以可再生能源为基础的零碳能源系统转变。在此大背景下，在建筑用能模式上创建一种新型的充电系统电源装置及其控制系统，提高通信稳定性，同时根据充个桩的需求功率匹配对应的供电电源，以减少大规模接入带来的用电冲击。更进一步，在高效消纳可再生能源、减轻城市电网负荷、实现电网负荷削峰填谷等方面具有显著优势，其必将成为新型建筑电力系统的重要支撑。