1充电站分布
上面图片是一个提供充电站数据的网页抓图,可以看到,在我们一般人不断探讨什么样的充电站模式最合理的时候,充电站已经在全国大部分地区开花了。但充电站,充电桩大多建设在人流车流量大的地区,远郊区除了某些公交专用的充电站,对个人开放的经营型充电站还不多。
市内充电站,充电桩,除了私家电动汽车配备的充电桩直接建在自家停车位以外,对外开放的充电站主要设置在购物中心、公用停车场、工业园、写字楼密集区等地点。
公交公司,在国家补贴的推动下,大部分都购置了电动公交车辆来运营,同时配备了公交专用充电站,一般建设在公交场站和运营线路恰当的补给点上。
2常见充电模式
从车辆的需求场景看,充电可以分成以下几类:常规充电,快速充电。无线充电,行进过程中的充电,还没有形成规模应用,这里暂且不提。
常规充电,相对来说可以叫做慢充,车辆在正常行驶一定里程以后,用车载充电机连接外部电源进行充电,时间可能在几个小时,甚至十几个小时不等。这种充电方式,对电池的性能和寿命都有好处,是多数厂家推荐的形式。
快速充电,外出过程中,中途发电电量不够,找个地方尽快补电,急等着继续赶路。这种情形,往往会用到车辆允许的最大充电能力,在短时间内把电量补充到80%左右。不同厂家推荐的快充电流不同,一般消耗半个小时到一个小时。虽然厂家承诺允许大电流快充,但快充对电芯的长期寿命存在着必然的影响,不是实际需要,最好不要经常使用快充。
3充电站给现有电网带来的问题
电动汽车和充电站起势迅猛,全部的充电电量需求几乎等于凭空加载到现有电网上,必然带来一定影响。主要体现在三个方面,充电站对供配电系统负荷的影响;充电站对电网的谐波污染问题;电动汽车蓄电池为容性负荷,充电过程中会向电网倒送无功影响功率因数。
3.1增加电网负荷
随着电动汽车数量的增加,用电量必然跟着上升。凭空出来的负荷,确实会对电网带来压力。
在电站建设过程中,对供配电方面的一些管理措施,能部分的解决这个问题。首先,建设充电站,需要当地供配电管理部门的高压入网批准,主要是对线路承载能力的考量;其次,充电站需要独立建设自己的变压器,避免与周边工业用电居民用电产生竞争关系;最后,实行峰谷电价,鼓励电动汽车错峰充电。
3.2充电站对电网的谐波污染问题
谐波问题是充电站建设技术方面的研究重点。电动汽车蓄电池充电属非线性负荷,充电过程中,有谐波产生。谐波传导至公共电网中,会引起线路发热量增加,变压器损耗增大;在充电站内部,对其他用电器也会造成影响,比如计费系统不准确(把谐波分量也按照电量计量了),电子设备工作不正常等等。
谐波主要来自充电机的整流模块,非车载充电机主回路主要由四部分组成,整流模块、DC/DC功率变换模块、输出滤波模块和功率因数矫正模块。充电站的谐波主要是整流模块产生的。
对于谐波污染的治理,主要参考两种途径:优化充电机的电路原理,降低谐波分量的产生和输出;对充电站整体增加谐波抑制措施,避免谐波污染传导到电网上。
3.3一个综合解决充电站对电网影响的方法
在充电站内,设置蓄电池储能装置,作为隔离污染,调整负荷的缓冲带。让公共电网的电能先充入蓄电池组,再从蓄电池组经充电机,充入电动汽车。电站内可以自行建设新能源发电设施,比如在充电桩雨棚上铺设太阳能电池板,并将太阳能收集到组电池组内。
除了避免污染,1)蓄电池可以在用电低谷充电,作为储备能源。这样既缓解了电网压力,也一定程度上收回了蓄电池组的建设成本。2)现在已经出现了集装箱式储能装置,直接安放到场站内就能开始工作。这种便捷性,也是它得以推广应用的原因之一。3)蓄电池组可以使用退役的动力电池,梯次利用能够带来明显的成本优势。
4雷击对电动汽车充电站的影响
前面是充电站给电网带来的问题,而一个充电站的运行也存在着自己的风险性。参考变电站的情况,雷击,是大型电力设备集中地的一大风险。虽然现在还没有案例,但这很可能只是概率问题,毕竟充电站的数量还不多。
雷电在自然界发生到对电站设施产生危害,主要的路径是这样的:雷击——接地网电位升——二次电缆耦合——对充电机和充电站设备造成影响
4.1雷击怎样发生
雷电发生过程中,产生超强电磁场,使得附近的空气被电离,周边的电缆、设备由于强磁场的覆盖而感应出电流电压。当电站遭到直击雷袭击时,雷电通过避雷针、避雷电路进入接地网。电流在接地网中传导变化,会在接地网附近的线路中产生很大的感应电动势。对瞬态高压敏感的器件,工作状态会受到影响,甚至损坏。
4.2充电站接地网
接地网在充电站建设中,是非常重要的角色。充电桩雨棚,棚架顶部埋设避雷带,预防直击雷。避雷带选择在容易遭受雷击的位置敷设。屋角、屋脊、屋檐和檐角等都是易受雷击的位置。充电机主接地网以水平接地体为主,辅以垂直接地极。在站内地网四个角和中心位置深钻接地极,接地电阻不得超过4欧姆。
接地系统考核指标包括:地电位升、接触电压、跨步电压和接地电阻。地电位升(GroundingPotentialRise)是以无穷远处为零电位点的接地系统上的电位升,用GPR来表示;接地电阻,是接地系统的地电位升与通过电流的比值。它的大小与土壤导电性和接地导体的结构设计有关。
接地电网的设计目标是接地阻抗越小越好,地电位升越小越好。
4.3接地体的电位升受哪些因素的影响
土壤电阻率对地电位升的影响
土壤的电阻率越小,则接地网的电位升变化率越小,总体的电位升越小。土壤电阻率大,则雷电产生的电流不能很快的撒布到大地中去,作用在二次电路上,对电气设备产生更大的影响。
雷击位置对地电位升的影响
接地网中不同位置的感应电压,与该位置距离雷电注入点的距离有关。距离越远,则感应电压越小。距离相近的位置,感应电压大小也相近。
接地网结构对地电位升的影响
接地网的结构设计,对不同点的电位升有着决定性的影响。如果接地网断路,则会在断点产生非常大的感应电压。
从上面的几个影响因素,可以看到,充电机等重要设备,应当设置在远离雷电注入点的位置。
4.4雷击充电站接地网对二次电缆耦合机理
前文中提及的,雷电注入接地网后,附近的二次回路中产生电压电流冲击。其具体原理如上图所示。
雷电感应电流流过接地网,由于接地导体自身存在电阻,使得A、B点之间出现压差。而A、B点同时也是二次电路屏蔽层的接地点,则接地导体AB点之间的压差相当于直接加载在二次电路屏蔽层上。屏蔽层中的电流会与电缆芯耦合,将干扰电流传递至线芯中。当干扰电流超过了二次电路能够承受的最大值以后,会对设备造成影响甚至损坏。
这种在双端接地屏蔽层中产生的共模电压干扰,由于回路电阻的不同,逐渐转化成差模干扰。而接地点网中不同点之前的电压不同,也是跨步电压的来源。
4.5减少二次干扰的影响措施
1)采用隔离变压器,在充电站内装设防雷装置,可有效防止雷电流进入充电站。防雷装置主要由隔离变压器、压敏电阻和电感组成;
2)采取合理的布线,二次电缆的走向最好是按辐射式或树枝式铺设,不应出现环形回路,避免形成与电磁场交链的现象;
3)采用浪涌吸收器,在直流电源的入口等位置,采用滤波电容和非线性电阻组成的浪涌吸收器可以用来抑制暂态干扰。
4)降低土壤电阻率;
5)增加接地网网格密度;
参考文献
1陈鼎,不同类型电动汽车充电站的谐波抑制方法研究;
2谢毓毓,电动汽车直流快速充电站的故障分析与保护研究;
3赵宏梅,雷击电动汽车充电站对充电机电子设备的影响研究;
4邵楠,电动汽车充电站的关键技术;
5苏磊,接入梯次电池储能系统的电动汽车直流充电站设计;
6周红波,电动汽车充电站谐波治理方案;
(图片来自互联网公开信息)