安科瑞 耿笠 187-6150-0144

摘要：隨著電動(dòng)汽車(chē)（EV）的規(guī)模化普及和交直流混合配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，二者之間的互動(dòng)關(guān)系成為新型電力系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的隨機(jī)性與波動(dòng)性，對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的規(guī)劃與運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，而交直流混合配電網(wǎng)憑借其靈活接納直流電源、消納直流負(fù)荷的天然優(yōu)勢(shì)，為承接規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)充電需求提供了新的解決方案。本文旨在探討交直流混合配電網(wǎng)環(huán)境下，電動(dòng)汽車(chē)的充電承載能力關(guān)鍵影響因素，并系統(tǒng)分析在此架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)有序充電的策略與價(jià)值。文章首先剖析了交直流混合配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)EV充電的適配性；其次，深入論述了影響系統(tǒng)EV充電承載能力的多維約束條件；再次，提出了面向交直流混合配電網(wǎng)的有序充電控制框架與技術(shù)路徑；后，對(duì)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。研究表明，通過(guò)合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與智能有序充電控制，交直流混合配電網(wǎng)能顯著提升對(duì)規(guī)模化、高功率電動(dòng)汽車(chē)充電需求的承載能力與消納效率，保障系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：交直流混合配電網(wǎng)；電動(dòng)汽車(chē)；充電承載能力；有序充電；功率協(xié)調(diào)控制

引言

在全球能源轉(zhuǎn)型與“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，交通領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程勢(shì)不可擋。中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，保有量的激增帶來(lái)了充電需求的急劇攀升。高功率、隨機(jī)性的充電負(fù)荷若無(wú)序接入，易導(dǎo)致配電網(wǎng)局部過(guò)載、節(jié)點(diǎn)電壓越限、網(wǎng)損增加、電能質(zhì)量惡化等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了配電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的承載能力。

與此同時(shí)，配電網(wǎng)本身也在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的變革。大量分布式光伏、儲(chǔ)能等直流源荷的接入，以及數(shù)據(jù)、LED照明等直流負(fù)荷的增長(zhǎng)，推動(dòng)了交直流混合配電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，混合配電網(wǎng)通過(guò)電力電子變換器（如AC/DC換流器、DC/DC變換器）互聯(lián)交、直流子系統(tǒng)，具備以下顯著優(yōu)勢(shì)：其一，可、直接地接納光伏、儲(chǔ)能等直流分布式電源，減少變換環(huán)節(jié)，提升能源利用效率；其二，可原生支持電動(dòng)汽車(chē)這一典型直流負(fù)荷，避免額外的AC/DC變換損耗，提高充電效率；其三，通過(guò)靈活的潮流控制能力，可在交、直流網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行功率互濟(jì)，增強(qiáng)系統(tǒng)整體運(yùn)行的靈活性與可靠性。

因此，在交直流混合配電網(wǎng)的框架下，研究如何其對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的承載能力，并利用其可控性實(shí)施有序充電策略，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。本文將從承載能力分析與有序充電策略?xún)蓚€(gè)維度，淺要探討這一交叉領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題。

交直流混合配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

交直流混合配電網(wǎng)通常由一個(gè)或多個(gè)交流饋線和直流饋線通過(guò)互聯(lián)換流器連接而成，形成可進(jìn)行功率交換的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)。其典型結(jié)構(gòu)包括交流母線、直流母線、互聯(lián)換流器、分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及交、直流負(fù)載。

其對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電的天然適配性主要體現(xiàn)在：

（1）的能量傳輸路徑：電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池為直流電，直流充電樁（快充）本質(zhì)是一個(gè)AC/DC或DC/DC變換器。在直流配電網(wǎng)中，電能從直流母線經(jīng)DC/DC變換器即可為電池充電，省去了傳統(tǒng)交流充電路徑中整流環(huán)節(jié)（PFC電路），降低了能量轉(zhuǎn)換損耗（通常可減少5%~10%），提升了整體能效。

（2）優(yōu)越的供電品質(zhì)：直流系統(tǒng)無(wú)頻率、無(wú)功、諧波等問(wèn)題（交流側(cè)諧波由互聯(lián)換流器集中治理），可為電動(dòng)汽車(chē)提供更穩(wěn)定、的電能供應(yīng)，有利于電池健康。

（3）靈活的功率支撐與調(diào)劑：互聯(lián)換流器作為核心控制單元，可以實(shí)現(xiàn)交直流網(wǎng)絡(luò)間的雙向功率流動(dòng)。當(dāng)交流配電網(wǎng)因EV集中充電而面臨壓力時(shí)，可以由直流網(wǎng)絡(luò)通過(guò)互聯(lián)換流器向其輸送功率，反之亦然。這種“功率互濟(jì)”能力大地增強(qiáng)了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)局部負(fù)荷沖擊的彈性。

（4）便于分布式能源與儲(chǔ)能的即插即用：直流母線便于光伏、儲(chǔ)能等直流型分布式資源的直接接入。這些資源可以就近為EV充電負(fù)荷供電，減少對(duì)上級(jí)交流電網(wǎng)的依賴(lài)，從源頭上提升本地網(wǎng)絡(luò)的承載能力。

影響交直流混合配電網(wǎng)EV充電承載能力的關(guān)鍵因素

充電承載能力是指配電網(wǎng)在滿足所有技術(shù)約束條件下，所能接納的電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷的大容量。在混合配電網(wǎng)中，其制約因素更為復(fù)雜多元，主要包括：

2.1電壓約束：

交流側(cè)：節(jié)點(diǎn)電壓偏差是主要限制。大規(guī)模EV無(wú)序充電可能導(dǎo)致線路末端電壓嚴(yán)重跌落，越出±7%的國(guó)標(biāo)限值。

直流側(cè)：直流母線電壓穩(wěn)定性是關(guān)鍵。直流系統(tǒng)慣性小，大功率負(fù)荷的投切容易引起直流電壓劇烈波動(dòng)，威脅系統(tǒng)安全。

2.2容量約束：

線路與變壓器熱穩(wěn)定限：這是基礎(chǔ)的物理約束。EV充電負(fù)荷，特別是集群式直流快充，電流巨大，易使配電線路、配電變壓器（交流側(cè)）及互聯(lián)換流器（交直流接口）過(guò)載。

2.3互聯(lián)換流器（IC）的容量約束：IC是混合電網(wǎng)的咽喉要道，其傳輸功率能力直接決定了交直流網(wǎng)絡(luò)間所能互濟(jì)的功率上限，是影響全局承載能力的關(guān)鍵瓶頸。

2.4電能質(zhì)量約束：

交流側(cè)：大量電力電子設(shè)備（充電樁、換流器）的接入會(huì)向交流網(wǎng)絡(luò)注入諧波電流。

直流側(cè)：需關(guān)注直流電壓的紋波含量。

2.5保護(hù)協(xié)調(diào)性：交直流混合系統(tǒng)的故障特性與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)迥異，尤其是直流側(cè)故障電流上升速率快。現(xiàn)有的保護(hù)裝置與策略可能無(wú)法有效適應(yīng)，限制了系統(tǒng)在故障情況下的供電可靠性，間接約束了承載能力。

面向交直流混合配電網(wǎng)的有序充電策略

為了突破上述約束，系統(tǒng)的EV充電承載能力，實(shí)施有序充電控制。其核心思想是：通過(guò)智能化調(diào)度，將EV充電行為從一種隨機(jī)、不可控的負(fù)荷，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可調(diào)控的柔性資源，使其與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、可再生能源出力相匹配。

在交直流混合配電網(wǎng)這一更復(fù)雜的平臺(tái)上，有序充電策略擁有更多可操控的“抓手”：

3.1分層分級(jí)控制架構(gòu)：

系統(tǒng)級(jí)（集中控制）：由混合配電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（EMS）負(fù)責(zé)。其根據(jù)全局信息（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒊绷鳌⒐夥A(yù)測(cè)、基礎(chǔ)負(fù)荷預(yù)測(cè)、EV充電預(yù)約信息），以承載能力、消納可再生能源、削峰填谷或運(yùn)行成本低為目標(biāo)，制定優(yōu)的互聯(lián)換流器調(diào)度計(jì)劃和區(qū)域總充電功率指令。

集群級(jí)（分布式控制）：充電站控制器或聚合商接收上級(jí)指令，并考慮本地直流母線電壓狀態(tài)、儲(chǔ)能SOC等，對(duì)所轄范圍內(nèi)的EV充電樁進(jìn)行功率分配。

設(shè)備級(jí)（本地控制）：?jiǎn)闻_(tái)充電樁或車(chē)輛BMS執(zhí)行終功率指令，并可具備基于本地直流電壓信號(hào)的下垂控制能力。當(dāng)直流電壓因負(fù)荷突增而下降時(shí)，充電樁自動(dòng)按一定比例降低輸出功率，起到穩(wěn)定直流電壓的道防線作用。

3.2多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)優(yōu)化：

日前調(diào)度：基于負(fù)荷與光伏預(yù)測(cè)，制定次日互聯(lián)換流器功率計(jì)劃和各充電場(chǎng)站的功率配額，實(shí)現(xiàn)大尺度上的能量平衡與經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

實(shí)時(shí)滾動(dòng)優(yōu)化：根據(jù)超短期預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（如電壓、功率），以分鐘級(jí)周期調(diào)整充電功率，應(yīng)對(duì)預(yù)測(cè)誤差和突發(fā)狀況。

本地自治控制：毫秒-秒級(jí)的下垂控制等，應(yīng)對(duì)直流電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，保障系統(tǒng)安全。

3.3利用多元化柔性資源：

有序充電策略可與混合電網(wǎng)內(nèi)的其他柔性資源協(xié)同優(yōu)化，形成合力：

與互聯(lián)換流器協(xié)同：調(diào)節(jié)交直流網(wǎng)絡(luò)間的潮流，實(shí)現(xiàn)功率時(shí)空轉(zhuǎn)移。

與儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）協(xié)同：儲(chǔ)能可快速吸收或釋放功率，平抑功率波動(dòng)，彌補(bǔ)光伏發(fā)電的間歇性，為有序充電提供緩沖。

與分布式光伏協(xié)同：引導(dǎo)EV在光伏大發(fā)時(shí)段充電，綠電消納，實(shí)現(xiàn)“以光充車(chē)”。

安科瑞充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)選型方案

4.1概述

AcrelCloud9000安科瑞充電柱收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的電動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)充電站以及各個(gè)充電整法行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電樁運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行充電服務(wù)、支付管理，交易結(jié)算，資要管理、電能管理，明細(xì)查詢(xún)等。同時(shí)對(duì)充電機(jī)過(guò)溫保護(hù)、漏電、充電機(jī)輸入/輸出過(guò)壓，欠壓，絕緣低各類(lèi)故障進(jìn)行預(yù)警；充電樁支持以太網(wǎng)、4G或WIFI等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)微信、支付寶，云閃付掃碼充電。

4.2應(yīng)用場(chǎng)所

適用于民用建筑、一般工業(yè)建筑、居住小區(qū)、實(shí)業(yè)單位、商業(yè)綜合體、學(xué)校、園區(qū)等充電樁模式的充電基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為四層：

1）即數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)層和客戶(hù)端層。

2）數(shù)據(jù)采集層：包括電瓶車(chē)智能充電樁通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)modbusrtu。電瓶車(chē)智能充電樁用于采集充電回路的電力參數(shù)，并進(jìn)行電能計(jì)量和保護(hù)。

3）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至搭建好的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。

4）數(shù)據(jù)層：包含應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器部署數(shù)據(jù)采集服務(wù)、WEB網(wǎng)站，數(shù)據(jù)服務(wù)器部署實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）應(yīng)客戶(hù)端層：系統(tǒng)管理員可在瀏覽器中訪問(wèn)電瓶車(chē)充電樁收費(fèi)平臺(tái)。終端充電用戶(hù)通過(guò)刷卡掃碼的方式啟動(dòng)充電。

小區(qū)充電平臺(tái)功能主要涵蓋充電設(shè)施智能化大屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控、交易管理、故障管理、統(tǒng)計(jì)分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，同時(shí)為運(yùn)維人員提供運(yùn)維APP，充電用戶(hù)提供充電小程序。

4.4安科瑞充電樁云平臺(tái)系統(tǒng)功能

4.4.1智能化大屏

智能化大屏展示站點(diǎn)分布情況，對(duì)設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備使用率、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)、充電金額、充電度數(shù)、充電樁故障等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)可查看每個(gè)站點(diǎn)的站點(diǎn)信息、充電樁列表、充電記錄、收益、能耗、故障記錄等。統(tǒng)一管理小區(qū)充電樁，查看設(shè)備使用率，合理分配資源。

4.4.2實(shí)時(shí)監(jiān)控

實(shí)時(shí)監(jiān)視充電設(shè)施運(yùn)行狀況，主要包括充電樁運(yùn)行狀態(tài)、回路狀態(tài)、充電過(guò)程中的充電電量、充電電壓電流，充電樁告警信息等。

4.4.3交易管理

平臺(tái)管理人員可管理充電用戶(hù)賬戶(hù)，對(duì)其進(jìn)行賬戶(hù)進(jìn)行充值、退款、凍結(jié)、注銷(xiāo)等操作，可查看小區(qū)用戶(hù)每日的充電交易詳細(xì)信息。

4.4.4故障管理

設(shè)備自動(dòng)上報(bào)故障信息，平臺(tái)管理人員可通過(guò)平臺(tái)查看故障信息并進(jìn)行派發(fā)處理，同時(shí)運(yùn)維人員可通過(guò)運(yùn)維APP收取故障推送，運(yùn)維人員在運(yùn)維工作完成后將結(jié)果上報(bào)。充電用戶(hù)也可通過(guò)充電小程序反饋現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。

4.4.5統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，從充電站點(diǎn)、充電設(shè)施、、充電時(shí)間、充電方式等不同角度，查詢(xún)充電交易統(tǒng)計(jì)信息、能耗統(tǒng)計(jì)信息等。

4.4.6基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

在系統(tǒng)平臺(tái)建立運(yùn)營(yíng)商戶(hù)，運(yùn)營(yíng)商可建立和管理其運(yùn)營(yíng)所需站點(diǎn)和充電設(shè)施，維護(hù)充電設(shè)施信息、價(jià)格策略、折扣、優(yōu)惠活動(dòng)，同時(shí)可管理在線卡用戶(hù)充值、凍結(jié)和解綁。

4.4.7運(yùn)維APP

面向運(yùn)維人員使用，可以對(duì)站點(diǎn)和充電樁進(jìn)行管理、能夠進(jìn)行故障閉環(huán)處理、查詢(xún)流量卡使用情況、查詢(xún)充電充值情況，進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，同時(shí)可接收故障推送

5.4.8充電小程序

面向充電用戶(hù)使用，可查看附近空閑設(shè)備，主要包含掃碼充電、賬戶(hù)充值，充電卡綁定、交易查詢(xún)、故障申訴等功能。

4.5系統(tǒng)硬件配置

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總結(jié)

交直流混合配電網(wǎng)為規(guī)模化電動(dòng)汽車(chē)充電提供了一條、靈活的新路徑。其承載能力不再僅僅由傳統(tǒng)交流網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)決定，而是取決于交直流系統(tǒng)整體、特別是互聯(lián)換流器的協(xié)同運(yùn)作能力。通過(guò)實(shí)施與網(wǎng)絡(luò)特性深度耦合的有序充電策略，可以充分挖掘混合配電網(wǎng)的潛力，將電動(dòng)汽車(chē)充電負(fù)荷從“負(fù)擔(dān)”轉(zhuǎn)化為“資源”。

通過(guò)技術(shù)與機(jī)制的不斷創(chuàng)新，交直流混合配電網(wǎng)必將成為支撐電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

審核編輯 黃宇