孫國(guó)杰

（礦冶科技集團(tuán)有限公司）

0 引言

基于國(guó)家碳中和目標(biāo)，大量清潔能源如光伏發(fā)電等接入電網(wǎng)［1］。建筑屋頂光伏是可再生能源的重要組成部分，到2025年，新建公共建筑屋頂光伏覆蓋率將達(dá)到50%。電動(dòng)汽車(chē)蓬勃發(fā)展，到2030年，中國(guó)將保有約8000萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)［2］。大規(guī)模的電動(dòng)汽車(chē)接入會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)巨大的用電沖擊［3］。因此，電動(dòng)汽車(chē)充電與建筑能源系統(tǒng)深度融合，可最大程度消納可再生能源，降低光伏發(fā)電隨機(jī)性帶來(lái)的電網(wǎng)沖擊［4］。

光伏發(fā)電為直流電，需要經(jīng)過(guò)直流/交流轉(zhuǎn)換才能接入電網(wǎng)或供負(fù)載使用，而現(xiàn)有充電樁系統(tǒng)多采用三電平技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流/直流變換，才能供電動(dòng)汽車(chē)電池儲(chǔ)存，從發(fā)電到用電過(guò)程，電能經(jīng)過(guò)DC/AC、AC/DC兩次變換，能量損失大。另外，現(xiàn)有充電樁系統(tǒng)多采用無(wú)線通信或添加額外的有線通信線來(lái)實(shí)現(xiàn)各充電樁直接的組網(wǎng)通信，這些方法增加了成本，且無(wú)線通信存在不穩(wěn)定的問(wèn)題，不利于充電樁系統(tǒng)的推廣使用。

本文提出一種基于直流母線能量分配的充電樁及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充電樁復(fù)用電力連接線進(jìn)行信息交互，采用電力載波自組網(wǎng)通訊方式，提高通信穩(wěn)定性；同時(shí)根據(jù)充電樁的個(gè)體功率需求，采取自律式柔性管理策略，解決光伏直流微電網(wǎng)中光伏發(fā)電、充電樁用電帶來(lái)的沖擊，保持系統(tǒng)供電穩(wěn)定。

1 直流微網(wǎng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 直流系統(tǒng)電壓等級(jí)選擇

為了更好地適應(yīng)用戶和不同類(lèi)型設(shè)備需求，直流電氣系統(tǒng)可以采用多級(jí)電壓，但電壓等級(jí)過(guò)多，也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，電擊防護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)也會(huì)面臨更多問(wèn)題。在確定電壓等級(jí)的過(guò)程中，最重要三個(gè)因素是用電安全、供電能力和用電設(shè)備電壓需求，通過(guò)調(diào)研分析，采用DC 750V、DC 375V/DC240V和DC 48V幾級(jí)電壓，可以滿足絕大多數(shù)民用建筑的要求［5］。

設(shè)備接入直流母線時(shí)，應(yīng)根據(jù)其額定功率選擇電壓等級(jí)，并宜符合表1的規(guī)定。DC 750V電壓較高，供電能力較強(qiáng)，可以滿足大功率和遠(yuǎn)距離供電要求，同時(shí)變換器工作效率較高。因此，有大功率充電樁設(shè)備接入的直流系統(tǒng)，采用此電壓等級(jí)作為主控母線電壓，有助于提高設(shè)備能效，并與建筑分布式光伏更加靈活高效互動(dòng)。

表1 設(shè)備接入的電壓等級(jí)選擇

1.2 直流微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

大比例光伏、電動(dòng)汽車(chē)和電力電子設(shè)備接入建筑配電系統(tǒng)，建筑直流系統(tǒng)便于通過(guò)直流母線實(shí)現(xiàn)建筑光伏、建筑儲(chǔ)能和不同類(lèi)型負(fù)荷的接入。如圖1所示，電源側(cè)光伏、儲(chǔ)能、市網(wǎng)電源，負(fù)荷側(cè)建筑負(fù)荷、大功率充電樁將直流母線作為能量傳遞中心［6］，直流母線可以將動(dòng)力、通信和弱電配電統(tǒng)一電能形式，使配電系統(tǒng)功率密度更高，損耗更低，響應(yīng)更快，穩(wěn)定性更強(qiáng)［7］。

圖1 直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

充電樁接入直流系統(tǒng)，可避免DC/AC、AC/DC多次變換的損耗。同時(shí)，根據(jù)城市電網(wǎng)及光伏發(fā)電功率變化要求，配合調(diào)節(jié)儲(chǔ)能和充電功率，實(shí)現(xiàn)供需匹配，進(jìn)而解決未來(lái)新型電力系統(tǒng)供給側(cè)和需求側(cè)隨機(jī)性問(wèn)題［8］。

2 直流充電樁系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 直流充電樁原理框圖

為適應(yīng)直流系統(tǒng)，基于30kW單臺(tái)充電模塊，采用4臺(tái)充電模塊并聯(lián)對(duì)應(yīng)雙槍直流充電樁器原理框圖如圖2所示。充電樁設(shè)計(jì)可供單臺(tái)或雙臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)充電。每一槍通過(guò)直流接觸器與電源模塊連接，電力載波通訊接點(diǎn)包含充電樁主控芯片，主控芯片控制繼電器實(shí)現(xiàn)每一槍輸出的開(kāi)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)單槍60kW的充電功率［9］。

圖2 直流充電樁器原理框圖

充電模塊母線側(cè)電壓范圍為-375V DC~375V DC，電流范圍≤50A；直流輸出側(cè)電壓范圍200-750VDC，額定輸出電流60A；充電效率可達(dá)94.5%；穩(wěn)壓精度±0.5%；穩(wěn)流精度±1%；波紋系數(shù)<1%；安全功能包括過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、接地保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、防雷保護(hù)、急停保護(hù)、漏電保護(hù)。

2.2 充電樁自律式柔性調(diào)節(jié)原理

充電樁的柔性調(diào)節(jié)自律式工作原理如圖3所示：柔性控制芯片接收輸入端的多個(gè)信號(hào)（直流母線調(diào)度信號(hào)PDCB、取車(chē)時(shí)間t、充電電量W、已充電量計(jì)量Wc、電荷狀態(tài)/電池剩余容量SOC）；對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行處理、制定多參數(shù)自律功率控制決策并將決策傳遞給充電樁；最終，充電樁實(shí)現(xiàn)功率大小實(shí)時(shí)變化的輸出、實(shí)現(xiàn)柔性充電。

圖3 直流充電樁自律式充電工作原理圖

3 直流系統(tǒng)電力載波應(yīng)用

3.1 電力載波原理

電力載波通信室一種利用電力線作為傳輸媒介的通信技術(shù)，通過(guò)在電力線上疊加高頻載波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。具有成本低、便捷等優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示，電力線載波通信的原理可以分為三個(gè)步驟：調(diào)制、傳輸、解調(diào)。

圖4 電力載波原理圖

調(diào)制是將要傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為適用于載波通信的信號(hào)。通常采用的調(diào)制方式有幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）等。調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，去除不需要的頻率成分，保留有效的載波信號(hào)；調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)耦合器等裝置，將高頻載波信號(hào)注入到電力線（直流母線）中。載波信號(hào)會(huì)在電力線上進(jìn)行傳輸；解調(diào)是將傳輸過(guò)程中疊加在電力線上的載波信號(hào)還原為原始信號(hào)。解調(diào)器會(huì)對(duì)接收到的載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，獲取原始信號(hào)。解調(diào)過(guò)程中需要克服電力線本身的干擾和噪聲，保證解調(diào)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 直流電力載波系統(tǒng)

通過(guò)在直流750V電力線上疊加高頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在高壓直流電力線中建立2MHz~20MHz窄帶數(shù)據(jù)物理層鏈路，為柔性充電樁自律性群控提供PHY和MAC層支撐，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)群控充電樁自組網(wǎng)架構(gòu)以及自律柔性充電群控管理［10］。

自律群控電力載波模組，具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 電力載波模組技術(shù)參數(shù)

充電樁控制策略：以充電母線電壓的壓降變化值作為柔性控制的信號(hào)，各個(gè)充電樁進(jìn)行對(duì)應(yīng)功率變化響應(yīng)。柔性上限功率總線電壓：Vub=750V；柔性下限功率總線電壓：Vlb=700V；總線電壓為V；系統(tǒng)總額定功率：Pmax；單樁額定功率：Ppeer；目標(biāo)功率：Ptаrget=(V-Vlb/Vub-Vlb)×Pmаx；自律響應(yīng)樁數(shù)：n=-floor(Ptаrget-Pmаx/Ppeer)；自律調(diào)節(jié)響應(yīng)超時(shí)：5s，5s若功率無(wú)法達(dá)到目標(biāo)功率，如P>Ptаrget則電壓在V與Vlb間跳躍，此時(shí)n=n+1；反之如P

4 柔性充電樁在光儲(chǔ)直流系統(tǒng)中應(yīng)用

4.1 光儲(chǔ)直流微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

如圖5所示，光儲(chǔ)直流微網(wǎng)［11］組成：光伏及DC/DC變換器、市電及AC/DC變換器、儲(chǔ)能及DC/DC變換器、DC/DC充電模塊。其中光伏模塊配置電力載波自律群控節(jié)點(diǎn)A，市電模塊配置電力載波自律群控節(jié)點(diǎn)B，儲(chǔ)能電池模塊配置電力載波自律群控節(jié)點(diǎn)C，每個(gè)直流充電樁模塊配置一個(gè)電力載波節(jié)點(diǎn)。光伏、儲(chǔ)能、市電、充電樁通過(guò)直流750VDC電力線完成功率傳遞分配，在電力線上疊加2MHz-20MH高頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各充電樁及功率分配模塊之間的數(shù)據(jù)交互。電力載波自律群控節(jié)點(diǎn)1~n屬于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。

圖5 光儲(chǔ)直流微網(wǎng)系統(tǒng)

4.2 柔性充電樁自律群控策略

為保證充電母線電壓穩(wěn)定［12，13］，減小系統(tǒng)功率振蕩，電源側(cè)市電作為主控設(shè)備，其次為光伏，第三為儲(chǔ)能。直流充電樁無(wú)主從之分。電力載波自律群控節(jié)點(diǎn)A~C、1~n均可互相接收到彼此信息，即光伏實(shí)時(shí)發(fā)電功率、市電實(shí)時(shí)輸出功率、儲(chǔ)能電池充放電狀態(tài)以及輸入輸出功率、儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)、充電樁輸出功率、電動(dòng)汽車(chē)荷電狀態(tài)等信息均為互通。電源裝置側(cè)的功率輸出調(diào)節(jié)策略為：最大限度消納光伏發(fā)電；儲(chǔ)能電池作充/放電調(diào)配，市電功率輸出符合電網(wǎng)削峰填谷的目標(biāo)。充電裝置側(cè)各充電樁的功率分配原則為：符合源側(cè)功率和的波動(dòng)曲線，柔性分配每個(gè)樁的充電功率，不造成系統(tǒng)大的功率振蕩。

5 結(jié)束語(yǔ)

響應(yīng)“雙碳”目標(biāo)，建筑行業(yè)正向以可再生能源為基礎(chǔ)的零碳能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。在此大背景下，在建筑用能模式上創(chuàng)建一種新型的充電系統(tǒng)電源裝置及其控制系統(tǒng)，提高通信穩(wěn)定性，同時(shí)根據(jù)充個(gè)樁的需求功率匹配對(duì)應(yīng)的供電電源，以減少大規(guī)模接入帶來(lái)的用電沖擊。更進(jìn)一步，在高效消納可再生能源、減輕城市電網(wǎng)負(fù)荷、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其必將成為新型建筑電力系統(tǒng)的重要支撐。