淺談汽車充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
時(shí)間：
若木1由 分享
摘要：文章根據(jù)實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出汽車充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，主要從配電變壓器的選擇、配電室位置選擇、配電容量的確定、配電運(yùn)行方式、配電主接線設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行闡述，為汽車充電站建設(shè)工作者提供借鑒。
關(guān)鍵詞：汽車充電站；配電系統(tǒng)；變壓器
在能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)的高壓下，節(jié)約能源且環(huán)保的新型動力汽車將是未來發(fā)展的新走向。電動汽車可以說是滿足上述要求，具有廣闊發(fā)展前景的綠色交通工具。電動汽車充電站作為電動汽車運(yùn)行的能量補(bǔ)給站，是發(fā)展電動汽車商業(yè)化所必備的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，充電站的建設(shè)將直接影響電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文章簡要說明汽車充電站結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重對充電站配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。
1 汽車充電站結(jié)構(gòu)
當(dāng)電動汽車動力用蓄電池電量不足時(shí)，需要充電補(bǔ)充電能。充電站的主要功能就是完成電動汽車電池電能的補(bǔ)給。充電站的功能決定充電站的總體結(jié)構(gòu)。為此，一個(gè)完整的充電站需要配電室、中央監(jiān)控室、充電區(qū)、更換電池區(qū)和電池維護(hù)間等五個(gè)基本組成部分。
?、倥潆娛摇Ｅ潆娛覟槌潆娬咎峁┧璧碾娫?，不僅給充電機(jī)提供電能，而且要滿足照明、控制設(shè)備的用電需求，內(nèi)部建有變配電所有設(shè)備、配電監(jiān)控系統(tǒng)、相關(guān)的控制和補(bǔ)償設(shè)備。②中央監(jiān)控室。中央監(jiān)控室用于監(jiān)控整個(gè)充電站的運(yùn)行情況，并完成管理情況的報(bào)表打印等。內(nèi)部建有充電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、煙霧傳感器監(jiān)視系統(tǒng)主機(jī)、配電監(jiān)控系統(tǒng)通信接口、視頻監(jiān)視終端等。③充電區(qū)。在充電區(qū)完成電能的補(bǔ)給，內(nèi)部建設(shè)充電平臺、充電機(jī)以及充電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)應(yīng)配備整車充電機(jī)。④更換電池區(qū)。更換電池區(qū)是車輛更換電池的場所，需要配備電池更換設(shè)備，同時(shí)應(yīng)建設(shè)用于存放備用電池的電池存儲間。⑤電池維護(hù)間。電池重新配組、電池組均衡、電池組實(shí)際容量測試、電池故障的應(yīng)急處理等工作都在電池維護(hù)間進(jìn)行。其消防等級按化學(xué)危險(xiǎn)品處理。
充電站結(jié)構(gòu)可同時(shí)滿足整車充電方式和電池組更換方式，且考慮了相關(guān)維護(hù)操作需求。但是，對于一個(gè)實(shí)際的充電對象，應(yīng)該基于運(yùn)行要求和環(huán)境條件，根據(jù)實(shí)際的功能進(jìn)行組合，以降低建設(shè)成本。
2 汽車充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
配電系統(tǒng)為充電站的運(yùn)行提供電源，它不僅提供充電所需電能，也是整個(gè)充電站正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。電動汽車充電站的電力負(fù)荷級別確定為2級，采用雙路供電但不配置后備電源。配電電壓：380V／220v。動力(充電機(jī))采用三相四線制、380V供電，照明采用單相220v供電。
2.1 配電變壓器選擇
?、僮儔浩黝愋偷倪x擇。變壓器可分為干式變壓器和油浸式變壓器。充電機(jī)(站)變壓器類型可根據(jù)工程實(shí)際情況選定。建議充電機(jī)(站)變壓器采用sc(環(huán)氧樹脂澆注包封式)干式變壓器。環(huán)氧樹脂干式變壓器具有良好的電氣和機(jī)械性能、較高的耐熱等級，并且是一種可靠的安全性的環(huán)保、節(jié)能型新產(chǎn)品，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。②變壓器臺數(shù)的選擇。變壓器臺數(shù)的選擇應(yīng)滿足負(fù)荷對供電可靠性的要求。若采用集中式充電，然后在小區(qū)設(shè)立電池經(jīng)營店(運(yùn)營模式類似于水站送飲用水)，則有必要選用2臺變壓器保證充電站的高可靠性。若充電機(jī)(站)像加油站一樣較為普遍，則只需l臺變壓器即可，充電站的可靠性的降低由充電站的數(shù)量來彌補(bǔ)。若在小區(qū)建充電機(jī)(站)，可考慮利用小區(qū)配電變壓器而不另設(shè)變壓器，以減少投資。③變壓器接線的選擇。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.7條，在TN及1rr接地型式的低壓電網(wǎng)中，推薦采用Dyrm接線組別的配電變壓器。條文解釋中說明Dynll接線有利于抑制高次諧波。充電站采用TT接地型式，因此變壓器采用Dynll接線。
2.2 配電室位置選擇
配電室的位置選擇原則：考慮電源的進(jìn)線方向，偏向電源側(cè)；進(jìn)出線方便；不應(yīng)妨礙充電站的發(fā)展，要考慮擴(kuò)建的可能性；設(shè)備運(yùn)輸方便；盡量避開有腐蝕性氣體和污穢的地段；室外配電裝置與其他建筑物、構(gòu)筑物之間的防火間距符合規(guī)定。
2.3 配電容量計(jì)算
配電系統(tǒng)的容量應(yīng)包括動力用電、監(jiān)控和辦公等用電。只裝一臺變壓器時(shí)，變壓器的容量SN應(yīng)能滿足全部用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷sC，并留有一定的容量裕度。車輛數(shù)量、電池容量以及運(yùn)營方式?jīng)Q定了充電站的容量。
①蓄電池?cái)?shù)量：充電站設(shè)計(jì)有兩種運(yùn)營模式：整車充電模式和更換電池模式。前者需要為每車配備一組電池，后者需要根據(jù)運(yùn)營方式確定后備電池的數(shù)量。②充電機(jī)數(shù)量：車輛類型、行駛里程和運(yùn)營模式?jīng)Q定了充電機(jī)的配置。充電機(jī)的選擇包括確定充電機(jī)的輸出功率和需配備的臺數(shù)。③配電容量：單進(jìn)線單變壓器時(shí)，整個(gè)充電站需要的配電容量即全部用電設(shè)備的用電量SC=S1+S2，其中s1為動力用電量，s2為照明及辦公用(下轉(zhuǎn)第15頁)
2.4 配電運(yùn)行方式要求及設(shè)備
?、倥潆娺\(yùn)行方式要求。10kV進(jìn)線2路，單線進(jìn)線容量不小于充電站所需容量；正常工作時(shí)，高低壓側(cè)母線分段斷路器均斷開，兩路電源通過2****立變壓器輸出，各承擔(dān)50％的工作；當(dāng)任一母線失去電源時(shí)，通過合閘分段斷路器從另一供電線路取得電源；配電室設(shè)有照明消防電源；每路低壓母線應(yīng)配置相應(yīng)的諧波抑制與無功補(bǔ)償裝置；配電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動裝置應(yīng)滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的要求。②主要設(shè)備。計(jì)量裝置、諧波抑制及無功補(bǔ)償裝置各2套；主變10kV／0.4kV干式變壓器2臺；10kV高壓開關(guān)柜和0.4kV低壓開關(guān)柜(含斷路器和隔離開關(guān))；繼電保護(hù)裝置、自動裝置。
2.5 配電主接線設(shè)計(jì)
對充電站配電主接線有下列基本要求：安全，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，能充分保證人身和設(shè)備的安全?？煽?，應(yīng)符合電力負(fù)荷特別是其中一、二級負(fù)荷對供電可靠性的要求。靈活，能適應(yīng)各種不同的運(yùn)行方式，便于切換操作和檢修，且適應(yīng)負(fù)荷的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)，在滿足上列要求的前提下，盡量使主接線簡單，投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，并節(jié)約電能和有色金屬消耗量。
對于電動汽車充電站，配電室有2路10kV電源進(jìn)線，通過變壓器等設(shè)備供給充電機(jī)，并滿足照明、控制設(shè)備的用電。在高壓側(cè)裝設(shè)高壓計(jì)量柜，低壓側(cè)采用中性點(diǎn)直接接地的三相四線制系統(tǒng)，還應(yīng)提供獨(dú)立的接地回路；10kV母線、0.4kV母線均采用單母線分段的主接線形式，通過分段斷路器實(shí)現(xiàn)暗備用；在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)諧波抑制與無功補(bǔ)償裝置；配電室必須配備相關(guān)消防設(shè)施。配電主接線運(yùn)行靈活性較好，供電可靠性較高，適用于一、二級負(fù)荷。當(dāng)任一主變壓器或任一電源線停電檢修或發(fā)生故障時(shí)，通過備自投裝置自動閉合母線分段開關(guān)，即可迅速恢復(fù)對整個(gè)充電站的供電。根據(jù)實(shí)際要求和條件也可簡化主接線，例如采用橋式接線。
需要說明的是，上述配電設(shè)計(jì)方案適用于大負(fù)載功率的充電站，其安全系數(shù)高、可靠性好。在實(shí)際工程中應(yīng)該對充電站服務(wù)對象進(jìn)行具體分析、設(shè)計(jì)，比如：①示范區(qū)車輛：結(jié)合示范區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)，考慮在變電站附近建設(shè)充電站。②集團(tuán)車隊(duì)：可在停車場建立用戶配電室，按照內(nèi)部車輛類型提供各類電源。③社會車輛：根據(jù)車輛的不同特點(diǎn)，或建設(shè)可靠性高的社會運(yùn)營的大功率充電站，或充分利用現(xiàn)有的配電資源，就近提供充電站。④微型車輛：利用現(xiàn)有的低層電網(wǎng)資源，在自行車停車場、社區(qū)服務(wù)中心、公共場所、配電間(站)等附近為用戶提供交流220V的普通插座(插頭)。
3 結(jié)語
在我國，汽車充電站的規(guī)劃和建設(shè)才剛剛起步，所以其實(shí)施過程中的相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，除文章根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)的以上汽車充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)則外，還需要不斷學(xué)習(xí)，并借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，完善汽車充電站建設(shè)理論與實(shí)踐體系。
關(guān)鍵詞：汽車充電站；配電系統(tǒng)；變壓器
在能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)的高壓下，節(jié)約能源且環(huán)保的新型動力汽車將是未來發(fā)展的新走向。電動汽車可以說是滿足上述要求，具有廣闊發(fā)展前景的綠色交通工具。電動汽車充電站作為電動汽車運(yùn)行的能量補(bǔ)給站，是發(fā)展電動汽車商業(yè)化所必備的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，充電站的建設(shè)將直接影響電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。文章簡要說明汽車充電站結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重對充電站配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。
1 汽車充電站結(jié)構(gòu)
當(dāng)電動汽車動力用蓄電池電量不足時(shí)，需要充電補(bǔ)充電能。充電站的主要功能就是完成電動汽車電池電能的補(bǔ)給。充電站的功能決定充電站的總體結(jié)構(gòu)。為此，一個(gè)完整的充電站需要配電室、中央監(jiān)控室、充電區(qū)、更換電池區(qū)和電池維護(hù)間等五個(gè)基本組成部分。
?、倥潆娛摇Ｅ潆娛覟槌潆娬咎峁┧璧碾娫?，不僅給充電機(jī)提供電能，而且要滿足照明、控制設(shè)備的用電需求，內(nèi)部建有變配電所有設(shè)備、配電監(jiān)控系統(tǒng)、相關(guān)的控制和補(bǔ)償設(shè)備。②中央監(jiān)控室。中央監(jiān)控室用于監(jiān)控整個(gè)充電站的運(yùn)行情況，并完成管理情況的報(bào)表打印等。內(nèi)部建有充電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、煙霧傳感器監(jiān)視系統(tǒng)主機(jī)、配電監(jiān)控系統(tǒng)通信接口、視頻監(jiān)視終端等。③充電區(qū)。在充電區(qū)完成電能的補(bǔ)給，內(nèi)部建設(shè)充電平臺、充電機(jī)以及充電站監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)應(yīng)配備整車充電機(jī)。④更換電池區(qū)。更換電池區(qū)是車輛更換電池的場所，需要配備電池更換設(shè)備，同時(shí)應(yīng)建設(shè)用于存放備用電池的電池存儲間。⑤電池維護(hù)間。電池重新配組、電池組均衡、電池組實(shí)際容量測試、電池故障的應(yīng)急處理等工作都在電池維護(hù)間進(jìn)行。其消防等級按化學(xué)危險(xiǎn)品處理。
充電站結(jié)構(gòu)可同時(shí)滿足整車充電方式和電池組更換方式，且考慮了相關(guān)維護(hù)操作需求。但是，對于一個(gè)實(shí)際的充電對象，應(yīng)該基于運(yùn)行要求和環(huán)境條件，根據(jù)實(shí)際的功能進(jìn)行組合，以降低建設(shè)成本。
2 汽車充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
配電系統(tǒng)為充電站的運(yùn)行提供電源，它不僅提供充電所需電能，也是整個(gè)充電站正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。電動汽車充電站的電力負(fù)荷級別確定為2級，采用雙路供電但不配置后備電源。配電電壓：380V／220v。動力(充電機(jī))采用三相四線制、380V供電，照明采用單相220v供電。
2.1 配電變壓器選擇
?、僮儔浩黝愋偷倪x擇。變壓器可分為干式變壓器和油浸式變壓器。充電機(jī)(站)變壓器類型可根據(jù)工程實(shí)際情況選定。建議充電機(jī)(站)變壓器采用sc(環(huán)氧樹脂澆注包封式)干式變壓器。環(huán)氧樹脂干式變壓器具有良好的電氣和機(jī)械性能、較高的耐熱等級，并且是一種可靠的安全性的環(huán)保、節(jié)能型新產(chǎn)品，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境。②變壓器臺數(shù)的選擇。變壓器臺數(shù)的選擇應(yīng)滿足負(fù)荷對供電可靠性的要求。若采用集中式充電，然后在小區(qū)設(shè)立電池經(jīng)營店(運(yùn)營模式類似于水站送飲用水)，則有必要選用2臺變壓器保證充電站的高可靠性。若充電機(jī)(站)像加油站一樣較為普遍，則只需l臺變壓器即可，充電站的可靠性的降低由充電站的數(shù)量來彌補(bǔ)。若在小區(qū)建充電機(jī)(站)，可考慮利用小區(qū)配電變壓器而不另設(shè)變壓器，以減少投資。③變壓器接線的選擇。根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.7條，在TN及1rr接地型式的低壓電網(wǎng)中，推薦采用Dyrm接線組別的配電變壓器。條文解釋中說明Dynll接線有利于抑制高次諧波。充電站采用TT接地型式，因此變壓器采用Dynll接線。
2.2 配電室位置選擇
配電室的位置選擇原則：考慮電源的進(jìn)線方向，偏向電源側(cè)；進(jìn)出線方便；不應(yīng)妨礙充電站的發(fā)展，要考慮擴(kuò)建的可能性；設(shè)備運(yùn)輸方便；盡量避開有腐蝕性氣體和污穢的地段；室外配電裝置與其他建筑物、構(gòu)筑物之間的防火間距符合規(guī)定。
2.3 配電容量計(jì)算
配電系統(tǒng)的容量應(yīng)包括動力用電、監(jiān)控和辦公等用電。只裝一臺變壓器時(shí)，變壓器的容量SN應(yīng)能滿足全部用電設(shè)備的計(jì)算負(fù)荷sC，并留有一定的容量裕度。車輛數(shù)量、電池容量以及運(yùn)營方式?jīng)Q定了充電站的容量。
①蓄電池?cái)?shù)量：充電站設(shè)計(jì)有兩種運(yùn)營模式：整車充電模式和更換電池模式。前者需要為每車配備一組電池，后者需要根據(jù)運(yùn)營方式確定后備電池的數(shù)量。②充電機(jī)數(shù)量：車輛類型、行駛里程和運(yùn)營模式?jīng)Q定了充電機(jī)的配置。充電機(jī)的選擇包括確定充電機(jī)的輸出功率和需配備的臺數(shù)。③配電容量：單進(jìn)線單變壓器時(shí)，整個(gè)充電站需要的配電容量即全部用電設(shè)備的用電量SC=S1+S2，其中s1為動力用電量，s2為照明及辦公用(下轉(zhuǎn)第15頁)
2.4 配電運(yùn)行方式要求及設(shè)備
?、倥潆娺\(yùn)行方式要求。10kV進(jìn)線2路，單線進(jìn)線容量不小于充電站所需容量；正常工作時(shí)，高低壓側(cè)母線分段斷路器均斷開，兩路電源通過2****立變壓器輸出，各承擔(dān)50％的工作；當(dāng)任一母線失去電源時(shí)，通過合閘分段斷路器從另一供電線路取得電源；配電室設(shè)有照明消防電源；每路低壓母線應(yīng)配置相應(yīng)的諧波抑制與無功補(bǔ)償裝置；配電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動裝置應(yīng)滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的要求。②主要設(shè)備。計(jì)量裝置、諧波抑制及無功補(bǔ)償裝置各2套；主變10kV／0.4kV干式變壓器2臺；10kV高壓開關(guān)柜和0.4kV低壓開關(guān)柜(含斷路器和隔離開關(guān))；繼電保護(hù)裝置、自動裝置。
2.5 配電主接線設(shè)計(jì)
對充電站配電主接線有下列基本要求：安全，應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，能充分保證人身和設(shè)備的安全?？煽?，應(yīng)符合電力負(fù)荷特別是其中一、二級負(fù)荷對供電可靠性的要求。靈活，能適應(yīng)各種不同的運(yùn)行方式，便于切換操作和檢修，且適應(yīng)負(fù)荷的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)，在滿足上列要求的前提下，盡量使主接線簡單，投資少，運(yùn)行費(fèi)用低，并節(jié)約電能和有色金屬消耗量。
對于電動汽車充電站，配電室有2路10kV電源進(jìn)線，通過變壓器等設(shè)備供給充電機(jī)，并滿足照明、控制設(shè)備的用電。在高壓側(cè)裝設(shè)高壓計(jì)量柜，低壓側(cè)采用中性點(diǎn)直接接地的三相四線制系統(tǒng)，還應(yīng)提供獨(dú)立的接地回路；10kV母線、0.4kV母線均采用單母線分段的主接線形式，通過分段斷路器實(shí)現(xiàn)暗備用；在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)諧波抑制與無功補(bǔ)償裝置；配電室必須配備相關(guān)消防設(shè)施。配電主接線運(yùn)行靈活性較好，供電可靠性較高，適用于一、二級負(fù)荷。當(dāng)任一主變壓器或任一電源線停電檢修或發(fā)生故障時(shí)，通過備自投裝置自動閉合母線分段開關(guān)，即可迅速恢復(fù)對整個(gè)充電站的供電。根據(jù)實(shí)際要求和條件也可簡化主接線，例如采用橋式接線。
需要說明的是，上述配電設(shè)計(jì)方案適用于大負(fù)載功率的充電站，其安全系數(shù)高、可靠性好。在實(shí)際工程中應(yīng)該對充電站服務(wù)對象進(jìn)行具體分析、設(shè)計(jì)，比如：①示范區(qū)車輛：結(jié)合示范區(qū)的電網(wǎng)建設(shè)，考慮在變電站附近建設(shè)充電站。②集團(tuán)車隊(duì)：可在停車場建立用戶配電室，按照內(nèi)部車輛類型提供各類電源。③社會車輛：根據(jù)車輛的不同特點(diǎn)，或建設(shè)可靠性高的社會運(yùn)營的大功率充電站，或充分利用現(xiàn)有的配電資源，就近提供充電站。④微型車輛：利用現(xiàn)有的低層電網(wǎng)資源，在自行車停車場、社區(qū)服務(wù)中心、公共場所、配電間(站)等附近為用戶提供交流220V的普通插座(插頭)。
3 結(jié)語
在我國，汽車充電站的規(guī)劃和建設(shè)才剛剛起步，所以其實(shí)施過程中的相關(guān)技術(shù)還不夠成熟，除文章根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)的以上汽車充電站配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)細(xì)則外，還需要不斷學(xué)習(xí)，并借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，完善汽車充電站建設(shè)理論與實(shí)踐體系。