高速公路服务区停车场储能式充电站的解决方案_梅南.pdf

Public Utilities Design公用工程设计1引言充电难度大一直伴随着电动汽车的发展，而影响高速公路充电桩数量的因素之一是在高速服务区建设充电站，解决电网的电量负荷问题。充电桩储能应用系统可以将太阳能和风能发电装置与电网相结合，在阳光和风力充足时将发出的电能存储起来，或在用电负荷低时进行储能，在电网负荷不够时，由储能装置对电动汽车进行充电。通过分析停车场储能式充电站的相关内容，可以积累有价值的应用经验，为其他高速公路服务区建设充电站提供参考。2光储能可行性研究2.1充电桩安装可行性结合目前的技术发展情况，所设置的充电桩内部充电机有2台，充电机的功率为标准的120 kW、DC500 V。对其可行性分析如下：（1）充电桩大部分线路会利用暗埋的方法进行处理，所有线缆都由管道保护，具备一定的安全性，同时充电桩体积相对较小，单个充电桩可以同时满足2台新能源汽车充电所需。（2）随着“快充”技术不断成熟，在充电桩设计中引入此技术，可以满足30 min或更少时间内充满80%电量的要求，这样能够缩减新能源充电时间间隔，满足相应的使用要求。2.2变压器安装可行性目前，新安装的变压器性能参数如下：（1）在变压器容量方面，考虑到当地高速公路运行情况，其变压器容量参数会参考设备总功率进行设计。该功率参数的设计会参考变压器效率、变压器无功损耗情况、总输出功率、充电机使用系数等内容，通常容量不能小于300 kVA。（2）照明或辅助系统在运行中也会消耗一部分电能，系统处于全天候工作状态，其损耗基本在10 kVA以上，由此可以得出，在充电站正常运行过程中，其总的用电功率不能低于310 kVA。（3）设计变压器时，也需要对变压器负载率进行分析，一般会取值80%作为负载率，计算后变压器的总容量不能低于400 kVA。对比目前电网的运行状态，可以满足变压器总容量要求，并且在应用中也【作者简介】梅南（1980），男，吉林敦化人，工程师，从事高速建设、高速公路养护研究。高速公路服务区停车场储能式充电站的解决方案Solution of Energy Storage Charging Station in Parking Lot of Expressway Service Area梅南（湖南省高速集团有限公司张家界分公司，长沙 410000）MEI Nan(HunanProvincialExpresswayGroupZhangjiajieBranch,Changsha410000,China)【摘要】基于光储能的可行性对储能式充电站展开分析，内容涉及充电桩安装可行性、变压器安装可行性、发电设计可行性等，讨论了液流储能电池系统中的常见类型和性能对比，研究了充电站选址定容、充电站负荷建模、系统拓扑结构、系统控制模式、充电桩功率配置等设计要点。目的在于以实事求是的态度夯实实践操作基础，积累相应的设计经验完善充电系统，在最短的时间内完成车辆等充电需求，为居民出行方便提供服务。【A b s t r a c t】Basedonthefeasibilityofopticalenergystorage,thepaperanalyzestheenergy-storagechargingstation,involvingtheinstallationfeasibility of charging pile,transformer installation,power generation design,etc.,and discusses the common types and performancecomparison of liquid flow energy storage battery system,studies the design points of charging station site selection,charging station loadmodeling,system topology,system control mode,charging pile power configuration and so on.The purpose is to consolidate the practicaloperation foundation with a realistic attitude,accumulate the corresponding design experience to improve the charging system,complete thevehiclechargingneedsintheshortesttime,andprovideconvenienceservicesfor residentstotravel.【关键词】高速公路；服务区；储能式充电站【K e y w o r d s】expressway;servicearea;energystoragechargingstation【中图分类号】U491.8【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0037-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.21237Construction&DesignForProject工程建设与设计可以确保电量供给的充足性，同时满足系统稳定运行要求。2.3发电设计可行性基于以往经验，高速服务区光伏发电性能的设计参数为：（1）每块太阳能电池板的功率为250 W，尺寸为1 200 mm960 mm，结构的输出电压为36 V，输出电流为7 A。（2）为确保供电过程的充足性，所使用到的电池板数量为480块，按照每排16块的数量进行排序，可以得到1个稳定的应用矩阵，而每个充电站都会配置2块组合电池板，以满足相应的使用需求，并且在电网建设过程中，可以将设计的光伏阵列和汇流器和并网逆变器关联在一起，从而确保供电过程的稳定性与持续性。3液流储能电池系统3.1常见类型从目前的应用情况来看，目前经常使用的液流储能电池系统介绍如下。1）超级电容电池。该电池的运行功率在00.1 MW，使用中的比能量为35 Wh/kg，其能量转换效率在85%95%，使用时的可循环次数为50 000次，系统放电深度超过90%。使用时，环保性能良好、安全性能适中、系统选址简单。2）铅酸电池。该电池的运行功率在0.11.0 MW，使用中的比能量为3040 Wh/kg，其能量转换效率在60%70%，使用时的可循环次数为600次，而系统放电深度小于70%，使用时环保性能较差、安全性能较低、系统选址简单。3）锂电子电池。该电池的运行功率在1.010.0 MW，使用中的比能量为90120Wh/kg，其能量转换效率在90%95%，使用时的可循环次数为1 000次，系统放电深度超过90%。使用时，环保性能良好、安全性能较低、系统选址简单。4）钠硫电池。该电池的运行功率在1.010 MW，使用中的比能量约为100 Wh/kg，其能量转换效率在75%80%，使用时的可循环次数为1 000次，系统放电深度超过90%。使用时环保性能中等、安全性能较低、系统选址简单。5）钒液流电池，该电池的运行功率在1.0100 MW，使用中的比能量为1520 Wh/kg，其能量转换效率在75%80%，使用时的可循环次数为20 000次，系统放电深度为100%，在使用时环保性能非常好、安全性能较高、系统选址简单。3.2性能对比根据上述对比分析可知，在所有电池类型中，钒液流电池的各项性能均满足相应要求，并且对工作环境的适应性、安全性能较强，适用于高速公路服务区域建设。4服务区停车场充电站规划方案4.1充电站选址定容在选址定容工作中，相关人员应多使用Voronoi图模型进行分析，并且需要对以下内容进行考量。1）路网结构和车流量。构建路网图时，用不同路口的流量对电动汽车的充电需求进行表示，每个路口节点的交通流量表示电动汽车充电需求。假设电动汽车到达充电站后能立即充电，电动汽车T时段做工总值为R，电动汽车充电时的充电功率为Pc，电动汽车电池充放电的效率为c，平均每辆车的充电时间为Tc，那么每个充电站在T时段内的充电需求数为：D=R/（PccTc），以此为基础来设计路网结构。2）充电站个数。由于在规划区中对充电的需求量以及充电需求的上限以及下限有一定的限制，用D表示充电的需求量，单个充电站可满足的最大充电需求量为Dmax，可满足的最小充电需求量为Dmin，则规划区域内的充电站个数的范围为（Cmin，Cmax）。同时利用Voronoi图对参数进行分析，了解平均时间内充电站的使用频率，以此确定服务区内需要布设的充电站数量和相对位置。4.2充电站负荷建模4.2.1经济性模型进行充电站负荷建模分析时，应建立可靠的经济性模型。如果服务区内设置了较多的充电设施，在较大排队容量影响下，会带来资源浪费问题，反之会延长排队时间，影响机构的服务质量。因此，在经济模型的分析中，会将离散化负荷要求看作是所需充电桩数量，假定其供电率上限值为S，某时间段内对电能的需求量为P，那么在该时间段所需的充电设备总量为P/Pc个，此时经济模型对于损失负荷和排队负荷进行计算，同时对不同设备数据的经济性展开分析，结合排队理论，对充电状态、排队状态和损失状态的数据进行仿真分析，在这些数值中寻找均衡值，该数值便是模型在使用中遵循的应用结构。4.2.2负荷模型在具体的分析过程中，也会建立相应的负荷模型。利用离散化负荷模型对充电功率参数进行整理，模型中的充电功率为S，具体排队长度为L，充电时的段数为T，服务量为，充电功率为Pc，平均到达率为。根据已知的应用参数，在实际分析38Public Utilities Design公用工程设计中会顺利建立负荷模型对其进行分析，根据所得数据可知，在服务区达到率小于充电桩总量时，其损失率相对较小，在平均达到率不断增加的情况下，损失率也会不断增加，这样可以获取损失率和充电桩数量之间的关系，并从中得到最为合适的充电桩数值，在确保排队容量的同时，降低充电站的损失率，从而带来更好的经济效益。4.3系统拓扑结构在具体应用设计中，该结构由以下单元构成。1）配电网系统。这也是系统能够顺利运行的基础条件，该系统结构复杂度较高，主要设备包括变压器、监测装备、控制装备等。2）变压器。根据高速公路服务区的基础情况选择对应容量的变压器，主要以干式变压器为主。3）储能充放电系统。其利用超电容电池或钒液流电池进行设置，在电荷相对较低时，储能充放电系统会进行补偿充电，以满足稳定充电要求。4）快速充电桩。充电桩可以缩减汽车的充电时间，并且搭配着充电桩上布设的智能模块，可以对充电情况、预计结束时间、电池充电情况等内容进行显示，便于车主更好地了解充电情况。5）能量管理系统。该系统在工作中可以对整个充电系统运行过程的能源分配情况、功率波动情况进行动态调整，以达到对应的充电目的1。6）DC/DC变换器。结合高速公路服务区的基础情况，可选择使用单向和双向DC/DC变换器组合方式，以满足不同情况下的功率转换要求，提高系统运行结果的稳定性。4.4系统控制模式4.4.1峰谷时段参与模式在系统运行过程中，会采用峰谷时段参与模式对整个系统运行状态进行调整，具体的工作模式如下：（1）在服务区，需求量超过了具体的用电容量时，储电系统会和常规系统联合在一起运行，以满足服务区车辆的充电需求；（2）在充电需求低于具体的用电容量时，而且此时用电量处于谷时段，则使用常规配电网来完成充电任务；（3）在充电需求低于具体的用电容量，而且此时用电量不处于谷时段，那么此时则使用储电配电网完成充电任务；在处于无充电需求，而且此时用电量处于谷时段，则会使用储能电池进行充电，波峰时段充电桩则处于待机工作状态，以满足相应的使用需求2。4.4.2应急充电模式在系统运行过程中也会使用到应急充电模式，在该模式的具体运行中，应注意以下几点：（1）在出现充电需求并且充电需求超出电容量时，服务区在运行也会处于储能系统和配电网联合进行充电；（2）在出现充电需求并且充电需