黃筱葉，龍萬利

（湖南平高開關(guān)有限公司，長沙 410008）

0 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，高速公路服務(wù)區(qū)因供電能力不足和現(xiàn)有供電設(shè)施容量有限，難以滿足日益增多的電動汽車充電的需要.目前，高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)置的電動汽車充電樁數(shù)量很少，甚至不少高速公路服務(wù)區(qū)尚無電動汽車充電樁.為實現(xiàn)電動汽車快速充電，充電樁的用電功率相當大，單個充電樁的功率通常為35～100 kW［1］.而高速公路服務(wù)區(qū)通常地處偏僻，現(xiàn)有的配電網(wǎng)難以承載過多的充電樁為電動汽車同時充電，電動汽車接入的不確定性給高速公路服務(wù)區(qū)配電網(wǎng)帶來較大的負面影響.這也是目前高速公路服務(wù)區(qū)充電樁數(shù)量少（不超過4 個），或有些服務(wù)區(qū)還未建立新能源汽車充電樁的主要原因.

為解決高速公路電動汽車充電難的問題，并考慮高速路服務(wù)區(qū)由于地處偏遠，依靠常規(guī)電網(wǎng)提升供電能力困難的情況，開發(fā)利用新能源，建立由常規(guī)電源、分布式發(fā)電、儲能裝置、電動汽車充電裝置組成的電動汽車微電網(wǎng).

1 電動汽車充電方式

目前實際應用的電動汽車充電模式有常規(guī)充電、快速充電、更換電池等.

（1）常規(guī)充電方式

常規(guī)充電方式通常需要使用電動汽車內(nèi)置的車載充電機，使用交流充電樁或車載充電槍.用戶通過建設(shè)在小區(qū)停車場、路邊停車位等公共區(qū)域的交流充電樁或者家用220 V 交流電為電動汽車充電，車載充電機完成電能的變換與充電管理.常規(guī)充電方式優(yōu)勢在于充電建設(shè)成本低，充電方便.缺點是充電功率小，充電時間長.通常充電功率小于7 kW，充電時間在6 h 以上.適用于電動汽車平常停車時段使用，如上班、休息、購物等電動汽車長時間閑置時充電.

（2）快速充電模式

快速充電模式采用的直流充電樁，充電不需要通過車內(nèi)的車載充電機，充電樁直接與電動汽車動力電池連接，能夠?qū)崿F(xiàn)在30 min 將30%電量充到80%以上［2］.快速充電通常為應急充電，多為市區(qū)的士以及高速路服務(wù)區(qū)來往車輛服務(wù).但快速充電的缺點是電池短時間接受大量電能會導致電池溫度急劇上升，從而對電池造成一定的損傷，影響電池的壽命.直流充電站大功率電能的輸出要求配電網(wǎng)提供足夠的容量，因此充電站的選址局限性很大.直流充電樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［3］如圖1 所示.

圖1 直流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖1 中，交流電源經(jīng)過整流濾波變成直流，再經(jīng)過IGBT 逆變橋?qū)⒅绷髯優(yōu)樗枰拿}寬調(diào)制的交流.經(jīng)過高頻變壓器的隔離后再進行整流濾波，得到對動力電池充電的直流電.控制電路通過檢測充電電壓和電流，對IGBT 逆變橋驅(qū)動電路進行控制.如果充電電壓超過規(guī)定的值，則啟動放電電路，以保證電池不受損壞.

（3）更換電池

更換電池是一種解決電動汽車充電時間長最有效的辦法，通過設(shè)計自動化設(shè)備能夠在短短幾分鐘完成電池的更換從而讓電動車重新?lián)碛谐渥愕碾娏?但是換電模式缺點也很明顯，建站成本高、電池規(guī)格難統(tǒng)一，無法解決電池所有權(quán)問題.所以，換電池模式比較適合在公交車和運營車上使用，因為兩者標準化程度高，而且對運營效率要求更嚴.

2 并網(wǎng)型直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

高速公路服務(wù)區(qū)地處偏僻，常規(guī)電源供電能力較弱，不能滿足較多的電動汽車同時充電的問題.為解決這一問題，可根據(jù)當?shù)貤l件，開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電等分布式發(fā)電，建立一種由分布式電源、電動汽車負荷、儲能裝置構(gòu)成并與常規(guī)電源并網(wǎng)的微電網(wǎng).

由于電動汽車微電網(wǎng)最主要負荷是采用直流充電樁的電動汽車.而分布式電源則主要考慮太陽能光伏發(fā)電，是直流電源.因此，采用直流微電網(wǎng)就會更經(jīng)濟一些.電動汽車直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示.分布式發(fā)電、儲能裝置、直流負荷均通過直流變流裝置連接在直流母線上，而交流負載的接入則要求使用逆變裝置.直流電網(wǎng)不需要同交流電網(wǎng)一樣實時保證交流母線的電壓、頻率與相位，因此其控制比較簡單［4-6］.

圖2 電動汽車直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)建設(shè)方案

3.1 設(shè)計規(guī)模

在占地20 畝（13333 m2）的高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)電動汽車直流微電網(wǎng)系統(tǒng).其中75%的占地面積（10000 m2）鋪設(shè)光伏電池板，按每平方米光伏電池板發(fā)電功率150 W，則整個微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏裝機容量為1.5 MWp.安裝功率為30 kW 的充電樁50 個.絕大多數(shù)電動汽車動力電池母線電壓低于500 V，因此以直流500 V為電動汽車直流微電網(wǎng)的直流母線電壓.目前續(xù)航超過400 km 的電動汽車動力電池容量為50 kW·h，為電動汽車直流微電網(wǎng)配備500 kW·h 儲能電池以及50 kW·h 的超級電容電池.綜上，高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)方案設(shè)計參數(shù)如表1所示.

表1 微電網(wǎng)方案設(shè)計參數(shù)表

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計

光伏發(fā)電系統(tǒng)選用4420 塊單晶硅光伏電板（PV），其主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示.4420 塊單晶硅分為85 個光伏發(fā)電單元.每個光伏發(fā)電單元由4 組（串）并聯(lián)，每組（串）由13 塊光伏電板串聯(lián)，最大功率為17.68 kW.光伏發(fā)電單元技術(shù)參數(shù)如表3 所示.

表2 光伏電池板技術(shù)參數(shù)

表3 光伏發(fā)電單元技術(shù)參數(shù)

續(xù)表3

每個單元由4 個分支線接入直流匯流箱，4 個直流匯流箱接入一個直流配電箱，再經(jīng)過DC/DC變換器接微電網(wǎng)直流母線，如圖3 所示.

3.3 儲能容量配置與儲能裝置選型

由于光伏發(fā)電受天氣的影響，而高速公路服務(wù)區(qū)所接常規(guī)電網(wǎng)供電能力較弱，所以必須要有儲能裝置.儲能裝置一是在光伏發(fā)電較充裕而用電功率較小時儲存電能；二是在負荷高峰時平衡電能；三是與常規(guī)電源一道，滿足陰雨天氣電動汽車充電的需要.本微電網(wǎng)以蓄電池為主，同時輔以超級電容儲能.超級電容充放電能力強，反應速度快，能有效地保證直流母線電壓的穩(wěn)定.

安裝蓄電池容量500 kW/500 kW·h，超級電容容量50 kW·h.儲能電池采用安全穩(wěn)定壽命長的磷酸鐵鋰電芯，電芯單體3.3 V/100 AH，電芯型號為FREY 36130290-100AH.122 個單體電池串聯(lián)，電壓為402 V，容量為40.2 kW·h，構(gòu)成一個電池包.整個微電網(wǎng)系統(tǒng)由12 個電池包組成，每個電池包獨立為微電網(wǎng)供電，獨立控制其充電放電.超級電容單體2.5 V/125 AH，采用160 串組成容量為50 kW·h的超級電容通過雙向DC/DC 接入直流母線.蓄電池和超級電容的主要參數(shù)如表4 所示.

表4 蓄電池和超級電容的主要參數(shù)

4 結(jié)論

隨著電動汽車的快速增長，解決高速公路上電動汽車充電的問題日益迫切.而高速公路服務(wù)區(qū)地處偏僻，電網(wǎng)供電能力較弱，難以滿足電動汽車充電的需要.本文提出了在高速公路服務(wù)區(qū)開發(fā)利用太陽能光伏發(fā)電，建設(shè)電動汽車微電網(wǎng)的構(gòu)想.考慮到光伏發(fā)電和電動汽車負荷特性，提出采用直流微電網(wǎng)，建設(shè)高速公路服務(wù)區(qū)電動汽車微電網(wǎng)的具體方案.