地下車庫(kù)電動(dòng)汽車充電樁配電設(shè)計(jì)及變壓器容量?jī)?yōu)化的研究

閻 宏，袁幼哲，柳全成

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，蘭州 730000)

0 引言

電動(dòng)汽車的不斷普及和發(fā)展，推動(dòng)著充電設(shè)施的同步發(fā)展。近些年，隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的調(diào)整和電能的可靠利用，電動(dòng)汽車逐步進(jìn)入了社會(huì)的生活圈，不僅減少了對(duì)燃油汽車的依賴，而且也對(duì)新能源汽車的發(fā)展、電能的合理利用及民眾低碳環(huán)保的意識(shí)得到有效的推廣。

然而，電動(dòng)汽車的長(zhǎng)途續(xù)航能力及電動(dòng)汽車充電樁設(shè)施的建設(shè)是制約其發(fā)展的重要因素。近幾年，為加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)指導(dǎo)性意見(jiàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，要求新建住宅小區(qū)配建停車位按100%建設(shè)充電設(shè)施或預(yù)留建設(shè)安裝條件。

目前，電動(dòng)汽車在國(guó)內(nèi)外還處于發(fā)展階段，相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)已投入運(yùn)行的電動(dòng)汽車充電設(shè)施數(shù)據(jù)，明確了電動(dòng)汽車充電設(shè)施的電氣設(shè)計(jì)參數(shù)(如需要系數(shù)、變壓器規(guī)格等)。本文基于充電樁實(shí)際工作時(shí)的充電數(shù)據(jù)，分析了充電樁配電容量的計(jì)算，著重研究需要系數(shù)的合理取值。根據(jù)小區(qū)變壓器負(fù)載率的情況，提出了電動(dòng)汽車交流充電樁配比和可靠運(yùn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為建筑電氣設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

1 充電樁配電容量的計(jì)算

1.1 電動(dòng)汽車保有量現(xiàn)狀

2020年11月發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035)》中明確了堅(jiān)持電動(dòng)化、聯(lián)網(wǎng)化、智能化、共享化的發(fā)展方向。根據(jù)有關(guān)方面的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2021年6月，全國(guó)汽車的保有量為3.84億輛，新能源汽車的保有量為603萬(wàn)輛，純電動(dòng)汽車的保有量的保有量為493萬(wàn)輛，約占新能源汽車總量的81.68%，占汽車總量的1.28%。在國(guó)家新能源汽車發(fā)展規(guī)劃的帶領(lǐng)下，電動(dòng)汽車的銷量不斷增加，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到20%以上。倫敦著名市場(chǎng)調(diào)查研究公司IHS Markit預(yù)測(cè)，20年后，全世界電動(dòng)汽車的數(shù)量占總汽車數(shù)量的比例最高可達(dá)到35%。

由于全球電動(dòng)汽車保有量的不斷增加和穩(wěn)定增速，電動(dòng)汽車充電的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也需要不斷擴(kuò)大和完善，需要發(fā)展效率更高、布局更合理的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。截至2021年7月，國(guó)內(nèi)已建成公共類充電樁98.5萬(wàn)臺(tái)，其中非車載充電機(jī)39.9萬(wàn)臺(tái)、交流充電樁58.6萬(wàn)臺(tái)、交直流一體充電機(jī)414臺(tái)。

1.2 充電樁的分類和參數(shù)

電動(dòng)汽車充電設(shè)施包含非車載充電機(jī)和交流充電樁。非車載充電機(jī)因其充電速度快的特點(diǎn)被稱之為“快充”，其中單臺(tái)輸出功率可達(dá)到350kW，充滿電動(dòng)汽車大約只需要10min。而交流充電樁一般額定功率為7kW，比非車載充電機(jī)功率低，充電時(shí)間較長(zhǎng)，充滿單臺(tái)電動(dòng)汽車的時(shí)間約為7～9h。

非車載充電機(jī)占地面積大，例如100kW的中型非車載充電機(jī)占地面積約為0.64m2，投資費(fèi)用較大。目前大部分電動(dòng)汽車都支持交直流兩種充電方式，在公共充電樁(站)可采用非車載充電機(jī)快速充電，滿足出行電量不足的情況；在住宅小區(qū)地下車庫(kù)，通常設(shè)置交流充電樁滿足業(yè)主返程后、閑暇之余長(zhǎng)時(shí)間充電需求。交流充電樁具有占地小、可掛墻安裝等特點(diǎn)，結(jié)合民用建筑物的防火要求和降低火災(zāi)的危險(xiǎn)性，住宅小區(qū)地下車庫(kù)固定車位充電樁適宜采用交流充電樁，而公共充電站、公共建筑的地面停車位和公共交通運(yùn)營(yíng)單位等地適宜采用非車載充電機(jī)。

1.3 充電樁配電容量的計(jì)算

對(duì)于地下車庫(kù)的電動(dòng)汽車停車位，其單臺(tái)交流充電樁的計(jì)算容量如下式：

(1)

式中，S為單臺(tái)充電樁的計(jì)算容量，kVA；P為單臺(tái)充電樁的輸出功率，kW；Kx為需要系數(shù)，此處取值為1；η為充電樁充電時(shí)的效率；cosφ為充電樁的功率因數(shù)。

住宅小區(qū)地下車庫(kù)充電樁的總計(jì)算容量為所有充電樁輸入計(jì)算容量的代數(shù)和，因此，充電樁計(jì)算負(fù)荷總?cè)萘咳缡?2)所示：

(2)

式中，SΣ為充電樁的輸入總?cè)萘浚琸VA；Kx為充電樁同時(shí)系數(shù)，其值隨著交流充電樁數(shù)量的變化而調(diào)整；P1、P2、Pn為各臺(tái)充電樁的輸出功率，kW；cosφ1、cosφ2、cosφ3為充電樁的功率因數(shù)；η1、η2、η3為電池充電的效率。

折合到變壓器端，可得出車庫(kù)變配電室變壓器設(shè)備安裝容量為：

S=S0+S∑

(3)

式中，S0為非充電樁的安裝容量，kVA；S∑為車庫(kù)充電樁設(shè)備總?cè)萘?，kVA；S為車庫(kù)變壓器安裝容量，kVA。

1.4 充電樁對(duì)車庫(kù)變壓器容量設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

由式(2)可以看出，車庫(kù)變壓器安裝容量值的確定，除建筑物內(nèi)電氣用電設(shè)備外，與車庫(kù)內(nèi)電動(dòng)充電樁的計(jì)算容量直接相關(guān)，而電動(dòng)充電樁計(jì)算容量的大小，關(guān)鍵是需要系數(shù)的準(zhǔn)確獲取，需要系數(shù)取值過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致變壓器計(jì)算容量值過(guò)高，不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；取值過(guò)小，變壓器配電設(shè)計(jì)不能滿足充電用戶用電需求。因此，確定需要系數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算充電設(shè)備容量及設(shè)計(jì)變壓器規(guī)格具有重要意義。

需要系數(shù)由實(shí)際運(yùn)行的功率獲得：

(4)

式中，Pc為計(jì)算有功功率，稱為需要功率，kW；Pe為額定功率，kW。

本文主要討論交流充電樁需要系數(shù)的確定，通常根據(jù)實(shí)際運(yùn)行設(shè)計(jì)需要系數(shù)，從而確定變壓器額定容量的安裝。但是在實(shí)際情況中，影響電動(dòng)汽車充電功率的因素有很多，例如地下車庫(kù)充電車位配比、用戶行為及負(fù)荷波動(dòng)時(shí)間的不確定性，因此需要研究獲得準(zhǔn)確的充電需求特性及其分布的規(guī)律。

根據(jù)某住宅小區(qū)地下車庫(kù)多臺(tái)單相7kW交流充電樁同時(shí)投入使用的充電數(shù)據(jù)，如表1所示，表中列出了不同充電樁臺(tái)數(shù)下，充電樁總計(jì)算容量所對(duì)應(yīng)的需要系數(shù)。

單相交流充電樁需要系數(shù)選擇表 表1

根據(jù)數(shù)據(jù)得到交流充電樁需要系數(shù)Kx曲線如圖1所示。

圖1 交流充電樁需要系數(shù)曲線

結(jié)合相關(guān)已運(yùn)行的住宅小區(qū)地下車庫(kù)充電樁的采集數(shù)據(jù)，對(duì)確定充電樁的需要系數(shù)提供了可靠依據(jù)。在計(jì)算地下車庫(kù)的充電樁用電容量和設(shè)計(jì)變壓器的安裝容量時(shí)，應(yīng)該考慮地下車庫(kù)的規(guī)模、充電樁在車庫(kù)的配比、充電車主的充電需求和習(xí)慣。

分析目前市場(chǎng)情況，大部分電動(dòng)汽車的續(xù)航里程為400km左右，平均續(xù)航時(shí)間為3～5天，即使考慮到車主不會(huì)完全用光電量再充電，也可估計(jì)每個(gè)車主大約兩天充電一次。此外，考慮單相交流充電柱的額定功率為7kW，而占大部分的電動(dòng)汽車的功率為6.3kW。因此，這種情況下還可以降低計(jì)算地下車庫(kù)需要系數(shù)Kx的取值。

充電樁容量計(jì)算中需要系數(shù)的取值是進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，需要系數(shù)過(guò)高，變壓器計(jì)算容量偏大，設(shè)備運(yùn)行時(shí)變壓器的負(fù)荷率就會(huì)偏低，反之亦然。因此，配電設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)住宅小區(qū)及用戶使用的情況再次合理調(diào)整需要系數(shù)的取值，供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)就能達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

2 電動(dòng)汽車充電樁需要系數(shù)對(duì)變壓器容量設(shè)計(jì)的影響

建筑設(shè)備中變壓器的容量和數(shù)量影響配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及供電安全可靠性。建設(shè)項(xiàng)目用電負(fù)荷的情況和增長(zhǎng)速度、初次建設(shè)投資情況、配電裝置和性能指標(biāo)、負(fù)荷性質(zhì)及可靠性等指標(biāo)決定其配置變壓器的容量和臺(tái)數(shù)。變壓器負(fù)載率過(guò)低，不利于變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此變壓器維持在合理的負(fù)載率區(qū)間運(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)劃算。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，鼓勵(lì)企業(yè)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)劃，防止不必要的增容和擴(kuò)建，研究變壓器容量和臺(tái)數(shù)的合理設(shè)計(jì)具有重要意義。

地下車庫(kù)變壓器容量在方案設(shè)計(jì)階段時(shí)，可采用單位面積指標(biāo)法；但在施工圖設(shè)計(jì)階段，地下車庫(kù)變壓器容量設(shè)計(jì)應(yīng)采用需要系數(shù)法根據(jù)實(shí)際充電車位數(shù)量來(lái)確定需要系數(shù)。根據(jù)公式(1)計(jì)算各臺(tái)充電樁的輸出額定功率，充電樁數(shù)量不變的情況下需要系數(shù)越高，變壓器計(jì)算容量越大，實(shí)際運(yùn)行時(shí)其負(fù)荷率偏低，變壓器冗余度就會(huì)相應(yīng)提高。

文獻(xiàn)[4]從防火角度提出地下車庫(kù)充電樁設(shè)置應(yīng)該按照防火單元?jiǎng)澐止╇?，住宅小區(qū)地下車庫(kù)防火單元面積不大于1 000m2，每個(gè)車位安裝單相7kW交流充電樁，考慮不同充電樁數(shù)量、不同充電習(xí)慣或峰值對(duì)住宅小區(qū)車庫(kù)變壓器容量設(shè)計(jì)的影響，依據(jù)上文和GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中給出的需要系數(shù)建議值及式2，分析可知充電樁安裝比例較低時(shí)，對(duì)配電變壓器容量影響較少，可與建筑物內(nèi)其他用電設(shè)備共用變壓器；隨著充電樁比例增加，占用變壓器容量負(fù)載率就越大，即：有必要為充電樁單獨(dú)設(shè)置變壓器。

3 變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究

配電變壓器是連接用戶側(cè)和電力系統(tǒng)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)樞紐，具有數(shù)量多、容量大的特點(diǎn)。因此，變壓器的降損節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是建筑設(shè)計(jì)企業(yè)和用戶關(guān)注的重要問(wèn)題。

3.1 變壓器負(fù)載率的計(jì)算及分析

變壓器繞組的有功損耗與負(fù)載電流平方成正比，正常工作中不得長(zhǎng)期運(yùn)行在滿載情況下，因此需要根據(jù)變壓器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的負(fù)載狀態(tài)分析。實(shí)際設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，若負(fù)荷可以調(diào)整或者轉(zhuǎn)移，應(yīng)避免輕負(fù)載率0.2以下或重負(fù)載率0.85以上運(yùn)行。

依據(jù)GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，配電變壓器的長(zhǎng)期工作負(fù)載率不宜大于85%，然而在實(shí)際投運(yùn)建筑中，變壓器的負(fù)載率往往在40%～50%甚至更低，與規(guī)范要求長(zhǎng)期運(yùn)行的負(fù)載率上限值之間尚存在一定的余量區(qū)間，可理解為變壓器容量的余度，余度過(guò)大會(huì)造成變壓器容量的浪費(fèi)和不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文針對(duì)既有住宅小區(qū)改造擴(kuò)容局限，無(wú)法為業(yè)主電動(dòng)汽車配備充電樁專用變壓器的情況，依據(jù)變壓器長(zhǎng)期運(yùn)行負(fù)載率的實(shí)際值，合理利用其余度能力，配置相應(yīng)數(shù)量的電動(dòng)汽車充電樁，使其既能滿足小區(qū)業(yè)主充電的要求，又能達(dá)到最佳負(fù)載率的目的。

3.2 交流充電樁冗余數(shù)量的計(jì)算及分析

分析某住宅小區(qū)地下車庫(kù)安裝電動(dòng)汽車充電樁案例，要求既有住宅小區(qū)配建充電樁按20%設(shè)置充電設(shè)施的安裝條件，車庫(kù)變壓器容量為1 600kVA、車位設(shè)置數(shù)量500個(gè)、計(jì)算變壓器不同負(fù)載率下充電樁的冗余臺(tái)數(shù)如表2。

不同負(fù)載率下交流充電樁冗余數(shù)量 表2

因此，既有建筑在設(shè)置充電樁數(shù)量及配比時(shí)，應(yīng)該綜合考慮建筑電力設(shè)施的使用性能和投資施工經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，基于實(shí)際、考慮前景，根據(jù)本地實(shí)際情況要求，適當(dāng)設(shè)計(jì)配建計(jì)劃。對(duì)于新建住宅小區(qū)地下車庫(kù)，考慮到未來(lái)電動(dòng)汽車普及發(fā)展，變配電室應(yīng)預(yù)留配電設(shè)置的增容和擴(kuò)建能力，為電動(dòng)汽車充電樁預(yù)留變配電設(shè)施的安裝條件，提前做好合理實(shí)施計(jì)劃。

4 交流充電樁運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.1 定時(shí)充電方案

對(duì)于住宅小區(qū)電動(dòng)汽車充電用戶來(lái)說(shuō)，雖然電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)給出峰、谷電價(jià)優(yōu)惠政策，但實(shí)際情況中，由于業(yè)主的作息時(shí)間需要，不能按照電網(wǎng)用電谷值區(qū)間深夜出門充電。基于電網(wǎng)推出的峰谷分時(shí)電價(jià)政策，本文提出一種地下車庫(kù)充電樁定時(shí)充電方案，峰期用戶可以設(shè)置充電延遲時(shí)間，在滿足充電需要的前提下，避開(kāi)電網(wǎng)峰值充電時(shí)段。還可以根據(jù)用戶的特殊需要，設(shè)置保底充電時(shí)間和完整充電時(shí)間，使得峰谷分時(shí)電價(jià)優(yōu)惠政策真正提高用戶充電的效率。

4.2 自動(dòng)充電方案

谷期充電策略與定時(shí)充電在性質(zhì)上類似，用戶設(shè)置谷期充電模式后根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷谷期自動(dòng)充電，充電期間若遇到電網(wǎng)用戶負(fù)荷峰值期間，會(huì)自動(dòng)斷電，峰值過(guò)后自動(dòng)充電，該充電方案滿足需求不緊張的用戶。

兩種充電方案都不限制充電時(shí)段，都從避開(kāi)峰值的角度進(jìn)行谷值充電，減輕建設(shè)單位用電負(fù)擔(dān)的同時(shí)，減小了電網(wǎng)峰值供電壓力，從而實(shí)現(xiàn)用戶和建設(shè)單位的雙贏。

5 結(jié)束語(yǔ)