黃筱葉，龍萬(wàn)利

（湖南平高開(kāi)關(guān)有限公司，長(zhǎng)沙 410008）

0 引言

隨著電動(dòng)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(dòng)汽車充電的需要.目前，高速公路服務(wù)區(qū)設(shè)置的電動(dòng)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(wú)電動(dòng)汽車充電樁.為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車快速充電，充電樁的用電功率相當(dāng)大，單個(gè)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(guò)多的充電樁為電動(dòng)汽車同時(shí)充電，電動(dòng)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(lái)較大的負(fù)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(guò)4 個(gè)），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(dòng)汽車充電難的問(wèn)題，并考慮高速路服務(wù)區(qū)由于地處偏遠(yuǎn)，依靠常規(guī)電網(wǎng)提升供電能力困難的情況，開(kāi)發(fā)利用新能源，建立由常規(guī)電源、分布式發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、電動(dòng)汽車充電裝置組成的電動(dòng)汽車微電網(wǎng).

1 電動(dòng)汽車充電方式

目前實(shí)際應(yīng)用的電動(dòng)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(dòng)汽車內(nèi)置的車載充電機(jī)，使用交流充電樁或車載充電槍.用戶通過(guò)建設(shè)在小區(qū)停車場(chǎng)、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(dòng)汽車充電，車載充電機(jī)完成電能的變換與充電管理.常規(guī)充電方式優(yōu)勢(shì)在于充電建設(shè)成本低，充電方便.缺點(diǎn)是充電功率小，充電時(shí)間長(zhǎng).通常充電功率小于7 kW，充電時(shí)間在6 h 以上.適用于電動(dòng)汽車平常停車時(shí)段使用，如上班、休息、購(gòu)物等電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間閑置時(shí)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(guò)車內(nèi)的車載充電機(jī)，充電樁直接與電動(dòng)汽車動(dòng)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(yīng)急充電，多為市區(qū)的士以及高速路服務(wù)區(qū)來(lái)往車輛服務(wù).但快速充電的缺點(diǎn)是電池短時(shí)間接受大量電能會(huì)導(dǎo)致電池溫度急劇上升，從而對(duì)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(guò)整流濾波變成直流，再經(jīng)過(guò)IGBT 逆變橋?qū)⒅绷髯優(yōu)樗枰拿}寬調(diào)制的交流.經(jīng)過(guò)高頻變壓器的隔離后再進(jìn)行整流濾波，得到對(duì)動(dòng)力電池充電的直流電.控制電路通過(guò)檢測(cè)充電電壓和電流，對(duì)IGBT 逆變橋驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制.如果充電電壓超過(guò)規(guī)定的值，則啟動(dòng)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(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)最有效的辦法，通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備能夠在短短幾分鐘完成電池的更換從而讓電動(dòng)車重新?lián)碛谐渥愕碾娏?但是換電模式缺點(diǎn)也很明顯，建站成本高、電池規(guī)格難統(tǒng)一，無(wú)法解決電池所有權(quán)問(wèn)題.所以，換電池模式比較適合在公交車和運(yùn)營(yíng)車上使用，因?yàn)閮烧邩?biāo)準(zhǔn)化程度高，而且對(duì)運(yùn)營(yíng)效率要求更嚴(yán).

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(dòng)汽車同時(shí)充電的問(wèn)題.為解決這一問(wèn)題，可根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式發(fā)電，建立一種由分布式電源、電動(dòng)汽車負(fù)荷、儲(chǔ)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(dòng)汽車微電網(wǎng)最主要負(fù)荷是采用直流充電樁的電動(dòng)汽車.而分布式電源則主要考慮太陽(yáng)能光伏發(fā)電，是直流電源.因此，采用直流微電網(wǎng)就會(huì)更經(jīng)濟(jì)一些.電動(dòng)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(chǔ)能裝置、直流負(fù)荷均通過(guò)直流變流裝置連接在直流母線上，而交流負(fù)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(shí)時(shí)保證交流母線的電壓、頻率與相位，因此其控制比較簡(jiǎn)單［4-6］.

圖2 電動(dòng)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(dòng)汽車微電網(wǎng)建設(shè)方案

3.1 設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)光伏裝機(jī)容量為1.5 MWp.安裝功率為30 kW 的充電樁50 個(gè).絕大多數(shù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池母線電壓低于500 V，因此以直流500 V為電動(dòng)汽車直流微電網(wǎng)的直流母線電壓.目前續(xù)航超過(guò)400 km 的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量為50 kW·h，為電動(dòng)汽車直流微電網(wǎng)配備500 kW·h 儲(chǔ)能電池以及50 kW·h 的超級(jí)電容電池.綜上，高速公路服務(wù)區(qū)電動(dòng)汽車微電網(wǎng)方案設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.

表1 微電網(wǎng)方案設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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

3.3 儲(chǔ)能容量配置與儲(chǔ)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(chǔ)能裝置.儲(chǔ)能裝置一是在光伏發(fā)電較充裕而用電功率較小時(shí)儲(chǔ)存電能；二是在負(fù)荷高峰時(shí)平衡電能；三是與常規(guī)電源一道，滿足陰雨天氣電動(dòng)汽車充電的需要.本微電網(wǎng)以蓄電池為主，同時(shí)輔以超級(jí)電容儲(chǔ)能.超級(jí)電容充放電能力強(qiáng)，反應(yīng)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(jí)電容容量50 kW·h.儲(chǔ)能電池采用安全穩(wěn)定壽命長(zhǎng)的磷酸鐵鋰電芯，電芯單體3.3 V/100 AH，電芯型號(hào)為FREY 36130290-100AH.122 個(gè)單體電池串聯(lián)，電壓為402 V，容量為40.2 kW·h，構(gòu)成一個(gè)電池包.整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)由12 個(gè)電池包組成，每個(gè)電池包獨(dú)立為微電網(wǎng)供電，獨(dú)立控制其充電放電.超級(jí)電容單體2.5 V/125 AH，采用160 串組成容量為50 kW·h的超級(jí)電容通過(guò)雙向DC/DC 接入直流母線.蓄電池和超級(jí)電容的主要參數(shù)如表4 所示.

表4 蓄電池和超級(jí)電容的主要參數(shù)

4 結(jié)論

隨著電動(dòng)汽車的快速增長(zhǎng)，解決高速公路上電動(dòng)汽車充電的問(wèn)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(dòng)汽車充電的需要.本文提出了在高速公路服務(wù)區(qū)開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，建設(shè)電動(dòng)汽車微電網(wǎng)的構(gòu)想.考慮到光伏發(fā)電和電動(dòng)汽車負(fù)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(dòng)汽車微電網(wǎng)的具體方案.