高速公路服务区电动汽车微电网方案设计

黄筱叶，龙万利

（湖南平高开关有限公司，长沙 410008）

0 引言

随着电动汽车的快速发展，高速公路服务区因供电能力不足和现有供电设施容量有限，难以满足日益增多的电动汽车充电的需要.目前，高速公路服务区设置的电动汽车充电桩数量很少，甚至不少高速公路服务区尚无电动汽车充电桩.为实现电动汽车快速充电，充电桩的用电功率相当大，单个充电桩的功率通常为35～100 kW［1］.而高速公路服务区通常地处偏僻，现有的配电网难以承载过多的充电桩为电动汽车同时充电，电动汽车接入的不确定性给高速公路服务区配电网带来较大的负面影响.这也是目前高速公路服务区充电桩数量少（不超过4 个），或有些服务区还未建立新能源汽车充电桩的主要原因.

为解决高速公路电动汽车充电难的问题，并考虑高速路服务区由于地处偏远，依靠常规电网提升供电能力困难的情况，开发利用新能源，建立由常规电源、分布式发电、储能装置、电动汽车充电装置组成的电动汽车微电网.

1 电动汽车充电方式

目前实际应用的电动汽车充电模式有常规充电、快速充电、更换电池等.

（1）常规充电方式

常规充电方式通常需要使用电动汽车内置的车载充电机，使用交流充电桩或车载充电枪.用户通过建设在小区停车场、路边停车位等公共区域的交流充电桩或者家用220 V 交流电为电动汽车充电，车载充电机完成电能的变换与充电管理.常规充电方式优势在于充电建设成本低，充电方便.缺点是充电功率小，充电时间长.通常充电功率小于7 kW，充电时间在6 h 以上.适用于电动汽车平常停车时段使用，如上班、休息、购物等电动汽车长时间闲置时充电.

（2）快速充电模式

快速充电模式采用的直流充电桩，充电不需要通过车内的车载充电机，充电桩直接与电动汽车动力电池连接，能够实现在30 min 将30%电量充到80%以上［2］.快速充电通常为应急充电，多为市区的士以及高速路服务区来往车辆服务.但快速充电的缺点是电池短时间接受大量电能会导致电池温度急剧上升，从而对电池造成一定的损伤，影响电池的寿命.直流充电站大功率电能的输出要求配电网提供足够的容量，因此充电站的选址局限性很大.直流充电桩的内部结构［3］如图1 所示.

图1 直流充电桩内部结构框图

图1 中，交流电源经过整流滤波变成直流，再经过IGBT 逆变桥将直流变为所需要的脉宽调制的交流.经过高频变压器的隔离后再进行整流滤波，得到对动力电池充电的直流电.控制电路通过检测充电电压和电流，对IGBT 逆变桥驱动电路进行控制.如果充电电压超过规定的值，则启动放电电路，以保证电池不受损坏.

（3）更换电池

更换电池是一种解决电动汽车充电时间长最有效的办法，通过设计自动化设备能够在短短几分钟完成电池的更换从而让电动车重新拥有充足的电量.但是换电模式缺点也很明显，建站成本高、电池规格难统一，无法解决电池所有权问题.所以，换电池模式比较适合在公交车和运营车上使用，因为两者标准化程度高，而且对运营效率要求更严.

2 并网型直流微电网的结构

高速公路服务区地处偏僻，常规电源供电能力较弱，不能满足较多的电动汽车同时充电的问题.为解决这一问题，可根据当地条件，开发利用太阳能光伏发电、风力发电等分布式发电，建立一种由分布式电源、电动汽车负荷、储能装置构成并与常规电源并网的微电网.

由于电动汽车微电网最主要负荷是采用直流充电桩的电动汽车.而分布式电源则主要考虑太阳能光伏发电，是直流电源.因此，采用直流微电网就会更经济一些.电动汽车直流微电网结构示意图如图2 所示.分布式发电、储能装置、直流负荷均通过直流变流装置连接在直流母线上，而交流负载的接入则要求使用逆变装置.直流电网不需要同交流电网一样实时保证交流母线的电压、频率与相位，因此其控制比较简单［4-6］.

图2 电动汽车直流微电网结构示意图

3 高速公路服务区电动汽车微电网建设方案

3.1 设计规模

在占地20 亩（13333 m2）的高速公路服务区建设电动汽车直流微电网系统.其中75%的占地面积（10000 m2）铺设光伏电池板，按每平方米光伏电池板发电功率150 W，则整个微电网系统光伏装机容量为1.5 MWp.安装功率为30 kW 的充电桩50 个.绝大多数电动汽车动力电池母线电压低于500 V，因此以直流500 V为电动汽车直流微电网的直流母线电压.目前续航超过400 km 的电动汽车动力电池容量为50 kW·h，为电动汽车直流微电网配备500 kW·h 储能电池以及50 kW·h 的超级电容电池.综上，高速公路服务区电动汽车微电网方案设计参数如表1所示.

表1 微电网方案设计参数表

3.2 光伏发电系统方案设计

光伏发电系统选用4420 块单晶硅光伏电板（PV），其主要技术参数如表2 所示.4420 块单晶硅分为85 个光伏发电单元.每个光伏发电单元由4 组（串）并联，每组（串）由13 块光伏电板串联，最大功率为17.68 kW.光伏发电单元技术参数如表3 所示.

表2 光伏电池板技术参数

表3 光伏发电单元技术参数

续表3

每个单元由4 个分支线接入直流汇流箱，4 个直流汇流箱接入一个直流配电箱，再经过DC/DC变换器接微电网直流母线，如图3 所示.

3.3 储能容量配置与储能装置选型

由于光伏发电受天气的影响，而高速公路服务区所接常规电网供电能力较弱，所以必须要有储能装置.储能装置一是在光伏发电较充裕而用电功率较小时储存电能；二是在负荷高峰时平衡电能；三是与常规电源一道，满足阴雨天气电动汽车充电的需要.本微电网以蓄电池为主，同时辅以超级电容储能.超级电容充放电能力强，反应速度快，能有效地保证直流母线电压的稳定.

安装蓄电池容量500 kW/500 kW·h，超级电容容量50 kW·h.储能电池采用安全稳定寿命长的磷酸铁锂电芯，电芯单体3.3 V/100 AH，电芯型号为FREY 36130290-100AH.122 个单体电池串联，电压为402 V，容量为40.2 kW·h，构成一个电池包.整个微电网系统由12 个电池包组成，每个电池包独立为微电网供电，独立控制其充电放电.超级电容单体2.5 V/125 AH，采用160 串组成容量为50 kW·h的超级电容通过双向DC/DC 接入直流母线.蓄电池和超级电容的主要参数如表4 所示.

表4 蓄电池和超级电容的主要参数

4 结论

随着电动汽车的快速增长，解决高速公路上电动汽车充电的问题日益迫切.而高速公路服务区地处偏僻，电网供电能力较弱，难以满足电动汽车充电的需要.本文提出了在高速公路服务区开发利用太阳能光伏发电，建设电动汽车微电网的构想.考虑到光伏发电和电动汽车负荷特性，提出采用直流微电网，建设高速公路服务区电动汽车微电网的具体方案.