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谈谈中国的电动汽车充电桩基础设施

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谈谈中国的电动汽车充电桩基础设施

发布日期:2016-07-27 作者: 点击:

由国务院颁布的那个充电的基础设施纲要开始,近日读了几篇文章,后面懂得和不懂的人都开始评论这个事情,我们还是仔细审视一下实际的情况。

充电桩

图1 全球电动汽车充电桩设施数量 来自IEA EV Outlook 2015

中国目前有3万根充电桩,分布在整个国家来看,还是杯水车薪。

电动汽车归根到底,还是国家想将个人交通、公共交通很大一些依赖石油的能源路径往电网上转移,可是转移数量小的话没啥用,转移大了对国家的配电网影响很大。

充电桩

 

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 图2 电网简易架构图

    国内其实做了不少的Study,主要是模拟研究较多的电动汽车充电对配电网、电网本身的影响。国内有些文章做了一些学习的:

1. 田立亭 电动汽车充电功率需求的统计学建模方法

2. 黄润 电动汽车入网对电网负荷影响的研究

3. 王帆 电动汽车接入对配电网运行影响的研究与分析

4. 马玲玲 电动汽车充放电对电网影响研究综述

5. 杨冰 大规模电动汽车充电需求及影响因素

这个比较有意思的地方在于,我们可以通过我们自己的评估来分析城市和农村的充电问题。在《上海浦东核心区创建“世界一流”配电网的初步构想》中我们把示范区的情况摘出来,然后考虑在里面建充电设施是否可行。

整个系统的供电网络如下:核心区内35kV高压用户22户,10kV高压用户155户,低压非居民用户5014户,低压居民用户45272户。核心区整体最高负荷约为376MW。

· 220kV 北部电源基本来自220kV东昌站;南部来自220kV浦东、连云站。2013年平均最高负载率为58.2%(容载比为1.72)。

· 110kV 110(35)kV变电站14座,区内11座,区外3座;2013年平均最高负载率为43.6%(容载比为2.29)

· 10kV间隔利用率81.9%,间隔合用率达到15.1%。尤其北部6座严重

    

充电桩

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 图3 220/110/35/10kV 浦东示范区三级配电网

有趣的是,如果我们将来考虑在这个世博示范区,兴建大量充电桩,包括居民的停车场、商用设施如里面的购物广场,地铁沿线的停车站,再把公交的系统完全从燃油切换到充电系统,你考虑一下这个问题。

1)旧有小区的配电改造

上海宣布了一个工程叫做《老旧住宅小区电能计量表前供电设施(表前设施)维护和更新改造工程》,这个事情是:从进户线与接户线的连接处,至住宅楼内居民电表开关出线10公分处的供配电设施,包括进户线、低压分支箱、总熔丝箱、垂直母线、进层线、母线槽、保护管、电能计量表箱、电表、表前(后)保护开关等。我们如果把居民的用电习惯,通过这篇文章做个归一化考虑,其特点是明显的用电高峰实在晚上回家之后。

   

谈谈中国的电动汽车充电基础设施

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图4 上海居民典型的用电负荷(不同区域和不同季节)

2)电动汽车充电

想要满足多数人拥有充电新能源车的梦想,还是很困难的,主要的原因是,我国的配电网的设计是较为保守的。假定在如图5所示的小区地下停车库内为所有的电动汽车设计配电电路,这也是一个较为困难的事情,特别是地下车库也具有人防工事的属性。地下车库内电力负荷主要有风机、水泵及消防联动设备等,照明负荷主要有正常照明和应急照明负荷等,所有用电设备均为220/380V低压用电负荷。其中消防水泵、火灾自动报警、自动灭火、排烟设备、火灾应急照明及疏散指示标志等消防用电属一级负荷,地下车库平时的用电负荷为1100KW。
     1. 由于消防的要求,本身的停车位都是按照防火区的要求进行间隔的,当某个位置需要将连接线束连接的时候,需要根据法规要求进行设计。
     2. 由于本身配电系统不考虑用户在地下车库停电,充电的负荷只能从备用的负荷中取点,在各个配电柜里面连接是有限的。
     3. 由于非预装的系统,就面临先后次序干涉的问题,当电动汽车在小区内普及之时,公共区域的设计系统升级是个很复杂的问题。
     我们再考虑一下,目前普通的电动汽车一般是3.3KW、某些车是6.6KW,还有些可以达到10KW,最大是某双充20kW,按照设计考虑的负荷分10%出来(注意,本身的设计负荷需要考虑诸多问题),只能满足15~30辆车的需求,甚至更少。由上叙述,由于中国当前的配电系统设计,从电气标准上就没有考虑电动汽车,而且配电系统的更新成本耗费巨大,所以采用固定负荷叠加的办法是行不通的。

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图 5 某电动汽车停车位

3)潜在的供电可靠性影响

如果考虑以上的升级因素,负载的升级对电网的供电可靠性是有一定影响的,很多时候,民店、商电工业电都合在一起,要是为了强行给电动汽车充电,设备没跟上会引起很大的问题,特别是原有的10kV的网架结构。根据材料显示,浦东2010-2012年供电可靠性为99.9820%。在国内处于较高水平,但略低于上海整体城区,与新加坡、东京、香港、巴黎等国际先进城市电网相比差距较大。

充电桩

 

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图6  10KV配电网网络架构和供电可靠性

在城市内:

1. 在没有受到任何激励的条件下,电动汽车停泊时接入电网即开始充电。用户接入电网的时间主要集中在 8:30 和 19:30 左右,所以这两个时刻的充电负荷急剧增加,负荷曲线出现了尖峰。从理论上来看,小区停车场、小区配电、社区配电以及更往上的系统,受到的负荷是肯定的。鉴于当前小区的建筑遵循的设计要求也不同,这种影响是不确定的。

2. 引入峰谷电价,用户均在谷期凌晨 0 点开始充电。在凌晨 0 点时,电网负荷急剧增长,说明电动汽车的集中充电行为给电网造成了较大的冲击,尤其是在谷期时段开始的时候。电力价格机制,对于目前略带昂贵的电动汽车影响是不大的,以后相对于汽车的费用,电费也是个小头。但是我相信这个机制发挥得好,也是有价值的。

3. 电网公司能直接控制所有电动汽车的充电行为,则其将根据电网的负荷状况来优化充电时间,此时能得到比较理想的电网负荷曲线。在IEC61851.1一开始,电动汽车充电遵循的PWM控制导引电路,就是为了有效控制电力负荷。中国的电力行业,如果能够积极参与智能充电的研究和投入,积极导引ISO15118整个车网未来通信的主导,电动汽车充电负荷对于电网而言,应该不是那么大的问题。

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 图7 配电数据挖掘

所以目前电网在做的大数据调研分析,倒是一个很有趣的优化方向,当然这个阶段目前只能在某些地方使用。

小结:

1)限于篇幅,农村的问题,单独拿出来说,有时候可能某些农村的配电网由于缺乏资金投入,比东南亚稍好一些。

2)电网有着很大的实际运行经验,你要把它说的一无是处,占着优势不做充电设施是不对的,在原有配电网体系下,表面上建的充电桩,其实也是消耗它自身的负荷率资源。

这块领域,其实美国的电网结构以及日本的情况都有差异,后面陆续整理一些参考资料。电动汽车是汽车行业、电力电子、IT行业进行碰撞和交叉,仅仅依靠中国的电动汽车企业去弯道超车,而不在系统层面去考虑和度量问题,有些事情不好干啊。


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