文_唐京瑞 楊新順 段勛興 陳勇

1.重慶化工職業(yè)學院 2.國家電網(wǎng)公司

1 引言

進入21世紀，節(jié)能與環(huán)保已成為全球化共同關(guān)注的話題。能源短缺、電力供應緊張問題形勢日益嚴峻，2018年7月，重慶市最大用電負荷增長迅猛，電力最高負荷達到2100萬千瓦以上，已超過歷史最高負荷。其中，市政路燈照明和電動汽車充電用電量占到了總用電量的34%。傳統(tǒng)的城市配電網(wǎng)存在設(shè)備能耗高現(xiàn)象日益突出，本文以市政路燈和新能源汽車充電樁為主要研究對象,對用戶終端負荷特性的變化進行了分析,提出了基于直流配電網(wǎng)的智慧城市節(jié)能體系構(gòu)建方案。

2 市政智慧路燈充電樁設(shè)施分析

目前電動汽車充電主要采用換電和充電兩種方式。換電需要建設(shè)專業(yè)的換電站，通過電池拆卸和安裝服務為電動汽車補充電能。本文主要分析充電方式下充電樁的設(shè)施建設(shè)情況。

已建設(shè)的充電樁，以獨立充電樁為主，主要建設(shè)在居民小區(qū)、公共停車場和地下車庫等地。一般采用額定功率3～15kW的交流充電模式。充電樁的優(yōu)點主要體現(xiàn)在占地面積小、投資少、建設(shè)快、充電方便、并且對電網(wǎng)沖擊較??；但同時存在充電時間長、充電集中負荷大等不足。

市政路燈與電動汽車充電樁一體化系統(tǒng)，將市政路燈由傳統(tǒng)的高壓鈉燈改為新型LED路燈，并建成路燈充電樁一體化裝置，在智慧城市電網(wǎng)節(jié)電體系中具有一定的應用價值。隨著國內(nèi)每年電動汽車數(shù)量的增加，電動汽車充電耗能占城市用電負荷所在比重亦越來越大。因此，構(gòu)建和探索新的智慧城市電網(wǎng)節(jié)能體系具有重要的研究意義。

3 智慧城市節(jié)能體系的構(gòu)建與研究

目前城市配電網(wǎng)主要以交流電網(wǎng)為主，電壓等級有10kV、6kV以及低壓220/380V等，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為成熟。但隨著柔性負荷和直流設(shè)備的增多，現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)越來越不能適應節(jié)能的要求，因此非常有必要構(gòu)建新的智慧城市節(jié)能體系。

3.1 低壓直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)

低壓直流母線系統(tǒng)構(gòu)成形式主要分為三種，分別是單母線結(jié)構(gòu)、雙母線結(jié)構(gòu)和分層式母線結(jié)構(gòu)。其中單母線結(jié)構(gòu)典型的母線電壓為380V或400V，如圖1所示。單母線直流結(jié)構(gòu)容易與現(xiàn)有的380V交流設(shè)備兼容，若需給計算機等弱電設(shè)備供電時，也只需增加電源適配器即可滿足供電要求。

圖1 單母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

雙母線結(jié)構(gòu)由兩條母線分別連接不同的分布式電源，從而實現(xiàn)兩條母線交替時供電的直流配電系統(tǒng)，當一條母線出現(xiàn)故障時，另外一條母線仍然可以給負載供電，保證了供電的可靠性，但相對于單母線結(jié)構(gòu)而言，雙母線結(jié)構(gòu)建設(shè)成本更高。

分層式母線結(jié)構(gòu)一般具有兩種不同電壓等級的兩條或多條直流母線構(gòu)成，例如圖2中分別具有380V和24V兩條直流母線，分層式母線結(jié)構(gòu)增加了低壓設(shè)備供電的安全性，并且可以同時向不同電壓等級設(shè)備供電，省去電源適配器降壓環(huán)節(jié)，具有供電可靠、效率高等優(yōu)點。

圖2 分層式雙母線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 分布式新能源發(fā)電特性

目前可利用的新能源主要以太陽能和風能為主。太陽能發(fā)電直接以直流電的形式產(chǎn)出電能，為直流電源，需要經(jīng)過DC/AC轉(zhuǎn)換才能接入傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)。

風力發(fā)電發(fā)出的電能則為交流電，但由于風機上葉輪受力的不同，其旋轉(zhuǎn)的頻率也不同，因此發(fā)出的電力頻率也不穩(wěn)定，無法直接接入現(xiàn)有的交流電網(wǎng)（頻率為50Hz），因此需要先經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過DC/AC的兩次轉(zhuǎn)換，才能并入50Hz交流配電網(wǎng)。

如果使用直流配電網(wǎng)，在分布式能源并入過程中可以減少直流轉(zhuǎn)換交流的環(huán)節(jié)，不但能夠減少電網(wǎng)的建設(shè)成本，提高電網(wǎng)的可靠性，還能降低電能傳輸過程中的損耗，起到良好的節(jié)能效果。因此，隨著分布式發(fā)電的快速發(fā)展及全面推廣，直流配電的優(yōu)勢越來越明顯，在城市的建設(shè)過程中迫切需要發(fā)展直流配電網(wǎng)以適應新能源發(fā)展的要求。

3.3 含路燈充電樁直流配電網(wǎng)絡的構(gòu)成

路燈充電樁主要是將電動汽車充電樁嫁接在市政路燈上，一方面既能保持現(xiàn)有的道路照明，另一方面還能為新能源電動汽車提供充電服務。

除此之外，智慧路燈充電樁往往還具有LED廣告屏、無線網(wǎng)絡微基站、環(huán)境監(jiān)測和監(jiān)控等功能,這些設(shè)備也主要以直流電源為主。因此在含路燈充電樁直流配電網(wǎng)構(gòu)成當中，供電電源一部分來自于外部交流電網(wǎng)，通過AC/DC整流變換為直流電源，另一部分主要以吸納太陽能、風能和電池儲能電源，光伏發(fā)電和風能發(fā)電可以直接為路燈和LED廣告屏提供電能，同時還可以將剩余的電能存儲起來，為電動汽車提供充電電源。含路燈充電樁直流配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖3所示。雖然在起初建設(shè)過程中需要投入一定的成本，但從長遠來看能夠起到良好的節(jié)能效果。

圖3 含路燈充電樁直流配電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

通過對低壓直流配電網(wǎng)和分布式新能源特性的分析，并結(jié)合智慧城市電網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢，本文提出了含路燈充電樁直流配電網(wǎng)絡的構(gòu)成方式，與現(xiàn)有的交流電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有節(jié)能減排的作用，具有較好的應用前景。