纯电动公交客车充电站配电容量需求分析

纯电动公交客车充电站配电容量需求分析

随着能源和环境保护的增加，以及车辆电驱动器的发展，电动汽车已成为汽车行业的研究热点和发展趋势之一。通过将电动汽车融入社会生产生活，电动汽车对能源的消耗也影响了现有的城市供能系统。以北京为例，当现有公交车（包括2万多辆公交车）所有时，将其改为电动汽车。根据电动汽车单位的当前能耗水平和公交车运营时间统计结果，计算。确保运营的日能耗约为500万公里。根据2005年北京市总能耗为57.54万公里，日平均日能耗为1.56万公里。因此，对电动汽车的需求分析对于规划和未来城市的能源供应、负荷预测和基础设施建设具有重要意义。正确的能源预测预测和估算也是正确选择矩阵、开关、电源和其他装置的基础，是确保供电安全运行的重要组成部分。一般电气系统电力负荷预测和计算方法分为两类:一类是从预测电量入手,再换算为用电负荷,如综合用电水平法、单耗法、增长率法和电力弹性系数法;另一类是直接预测用电负荷的负荷密度法,即按照单位用地面积负荷密度或单位建筑面积负荷密度进行电力负荷预测.由于电动公交客车充电站具有随车辆运行机制和动力电池充电特性按照一定规律使用的特点,因此可以按照电动汽车充电运行机制及单车功率需求变化曲线进行分析.1电动汽车单车充电影响因素电动汽车充电机设计必须考虑电动汽车动力电池组充电功率需求,充电站建设必须考虑每台充电机所需的功率.若以功率最大的充电机所需功率为标准,乘以充电机数量作为充电站建设的总功率需求,将产生极大的投资浪费.降低充电机工作功率将带来充电时间延长,并且不能满足快速充电要求.因此对于车队运营的电动公交客车应根据车辆运行机制安排充电站建设和充电机制.对于电动汽车单车充电而言,充电曲线与动力电池组的荷电状态有关.单车充电的电流和电压变化在确定充电方法和充电参数后是电池荷电状态S和充电时间t的函数.记为{Ι=f1(S,t)‚V=f2(S,t).(1)式中:I为充电电流;V为充电电压.电动汽车充电时一台充电机所需功率为P(t)=VI/η.(2)式中:P为充电机所需电网有功功率,是充电时间t的函数;η为充电机输出效率.在t≤0或t大于充电时间时,P=0.若一个车队有M辆车,发车时间间隔(发车周期)为T,则每车收车时间间隔理论上也为T.设车到车站后立即充电,则车队充电所需功率为Pz(t)=q∑n=1P[t-T(n-1)],(q≤M)(3)式中Pz为充电站总功率需求.在q<M时,有电动汽车未进入充电队列,此时t<Tq.在t=Tq时,第q+1辆车进入充电队列.在此模型中,通过调节充电时间间隔可以控制充电站容量.若充电站容量已经确定,还可以通过控制同时充电的电动汽车数量来限制充电站容量.2动力电池充放电特性①电动公交客车运行机制.在不同的运行机制下,车辆进入充电序列的时间不同,动力电池进入充电队列的容量状态也不同,由公式(1)(3)可以看出,充电站功率需求将受到直接影响.总体来说,在一定的运行机制下,动力电池放电深度越大,车辆进入充电队列时间越集中,充电站电力负荷越大.②动力电池特性.不同种类动力电池具有不同的充电特性,最佳充电率在0.2～2.0C之间变化.电池系统额定电压相同的情况下,最高充电电压由于电池种类、结构型式上的区别也体现出一定的差别.由式(2)可知,充电电流越大、充电电压越高,单车充电功率需求越大,导致充电站容量需求越大.③充电方法和充电控制策略.对于不同种类的电池,根据其特性不同采用不同的充电方法,如恒流法、恒压法、恒流限压法及特定曲线法等.在电池组充电控制策略上,无论侧重于电池安全,还是保证最佳续驶里程,或是两者之间的折中,充电参数确定都存在一定差异.④充电机工作特性.根据拓扑结构、关键元器件构成的差异,充电机分为高频和相控两类.两类充电机虽然各有优势,但共同的特点是充电效率随充电电流减小而降低,导致充电功率需求不随动力电池系统充电功率成正比下降.⑤环境条件.动力电池充放电工作效率受环境条件,尤其是环境温度的影响.低温时电池放电效率降低,同样的运行机制和行驶里程下,车辆能耗高、电池放电深度大.同样在低温下动力电池充电效率也降低.因此随环境温度降低,充电站功率需求将增加.3放电限流确定以一个拥有20辆电动公交客车的车队为例进行仿真计算.单车充电参数采用某电动公交客车锂离子电池组实际参数,如表1所示.分别以120A和100A为充电限流值,记录电池组放电约80%后的充电情况,充电曲线如图1所示.充电曲线分别记录了两个充电过程中前4h的情况.从充电过程可以看出,初始电流100A相对于120A,恒流时间长,峰值充电功率小,其余参数曲线变化情况相似.充电过程在恒流和恒压转换点,即恒流充电至最高限压时,充电功率达到最大值.两种充电方法的峰值功率分别为54.7kW和45.1kW.充电4h后,充入能量分别是157.3kW·h和153.1kW·h.3.1不同充电时间间隔下车辆功率仿真以上述实际充电数据为基础,按照等间隔发车运行规则,由式(3)仿真计算车队充电对变电站功率的需求.仿真时间间隔τ分别取5,10,15min,计算充电站峰值功率及车队充电时间,仿真结果如表2所示.由单车充电曲线可知,两种充电方法电池组开始充电和充电结束达到的状态相似.从表2可以看出,在相同的时间间隔下,车队完成充电工作所需时间相同.随着车辆之间开始充电时间间隔增加,充电站峰值功率需求逐步下降.在相同的时间间隔内,起始电流小的峰值功率需求小.间隔5min和15min相比,车队完成充电所用时间增加约3h,但充电站峰值功率在两种起始电流情况下都降低约40%.因此适当降低充电起始电流,加大车辆充电时间间隔,将有助于降低充电站峰值功率,由此可以带来基础设施建设费用的大幅度降低.3.2电动公交车充电负荷需求仿真分析若设计充电站额定配电容量为600kV·A,仍以上述充电曲线(图1)为基础进行仿真计算.在达到充电站峰值功率之前,按照车辆收车顺序,即每间隔τ增加1台充电车辆,达到充电站峰值功率后,在充电车辆功率需求降低到可以增加充电车辆时,再增加车辆到充电车辆序列中.仍以τ=5min为标准,仿真计算车队完成20辆电动公交车充电的功率需求如图2所示.在此仿真计算中,部分典型参数如表3所示.从图2和表3可以看出,车队总充电时间与充电起始电流和单车充电峰值功率增长并不成正比,起始电流大的总体充电时间反而长,并且充电站在550kW以上高功率运行时间也是起始电流大的时间长.实验表明,起始电流100A车队充电对充电站功率利用较为均匀.4车载充电站功率①根据动力电池充电特性建立了电动公交客车充电站电力容量需求的数学模型,从运行机制、电池特性等5个方面分析了充电站容量需求的影响因素.②适当降低电动公交客车动力电池组充电起始电流,加大车辆充电时间间隔将有助于