学术︱双向充电桩的关键技术分析
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国网合肥供电公司的研究人员崔保艳、许建中，在2015年第10期《电气技术》杂志上撰文指出，随着全球能源危机的不断扩大，各国都将低碳经济发展的目光投向了电动汽车产业。但是电动汽车产业的发展应该与充电设施的发展同步协调进行，因此对于充电桩的设计及其关键技术进行探讨、研究就有非常重要的现实意义。笔者基于实际参与的项目对双向充电桩实现电动汽车储能与配电网双向互动进行研究。
1 双向充电桩概述
目前，我国已经研究出或者已经实施建设的充电设施基本上分为两类，一是充电桩，二是充电站。这两种充电设施的服务目的有所不同，充电站用于电动汽车的快速充电，充电的时间相对比较短；而充电桩主要用于电动汽车的慢速充电，充电的时间相对较长。
这两种充电设施在充电效率、环境要求等方面各有优势，具体选择时应该根据实际情况来合理采用。通常充电桩占用的土地面积较小，且管理成本也比较低，一般在城市的停车场、住宅小区等车流量和车辆停放密度比较大的区域进行建设，以满足电动汽车的充电需求。同时，充电桩一般采用的是慢充模式，电流比较小，安全性能较高，在一定程度上能够延长电动汽车电池的寿命。
双向充电桩主要指在微网的控制下来实现车载电池系统与光伏电网之间双向通信的一种直流充电设施。
2 双向充电桩应用系统的相关技术指标分析
2.1 综合监控平台的技术指标
充电桩主要分散在停车场、小区等区域，地点相对分散，充电桩安装的数量相对较大，要求综合监控平台具备一定数据通信服务功能。同时为了方便、实时地显示充电状态，综合监控平台要有良好的人机界面，将充电桩各个状态的相关信息、计费管理系统输出的各个信息、用户自定义的相关充电参数等通过web方式以图、表等形式显示出来，方便用户的相关查询以及操作。为了保证系统信息、用户信息、交易信息等信息的安全，综合监控平台要有信息安全隔离的功能，保证系统的网络安全。
此外该平台其他的技术指标如下：具备高级应用策略的部署功能、系统的使用寿命要大于10年、系统的年可利用率不低于99.98%、主站各类设备的无故障运行时间（MTBF）要大于40000小时[1]。
2.2 双向充电桩的技术指标
双向充电桩固定在电动汽车外，与电网相连，为非车载的电动汽车动力电池提供直流充电服务。双向充电桩的设计是本项目的技术核心和关键。双向充电桩的设计额定充放电功率为12kW，电池端电压最大值为500V，在充电或者放电时电流最大值为25A，功率因数必须大于0.99。双向充电桩的充电对象为锂电子蓄电池。双向充电桩的输出电流为直流，输出电压满足充电对象的电池制式要求。其设计的充电方式分为手动和自动2种不同的方式，自动充电模式下系统必须接受电能质量控制系统的控制，手动充电模式下系统必须按照用户设定的充电参数进行。
在本项目中每个双向充电桩都必须自带供用户使用的操作器，以方便用户在使用充电桩进行充电时能够进行规范的操作，操作器可用于系统与用户之间的双向信息交流，也可用于系统在无人状态下进行自动信息化管理。充电桩接口应符合国标电动汽车传导式充电接口标准中关于直流充电接口的若干规定和技术标准。充电桩通讯系统中的外接口采用的是通用CAN通讯接口，通信协议采用的是国标电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议（暂行）中的相关规定和技术标准（充电对象为锂电池电动车），充电桩对充电过程中的非正常状态应具备相应的报警和保护功能。
2.3 电能质量治理系统的技术指标
电能质量治理系统的技术指标如下：
第一，对供电系统电网频率及其平衡的规定，为了减小电网频率波动对充电系统的影响，频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差限值±0.5Hz。
第二，为了保证在系统负载变化的情况下电压偏差在合理范围内，系统采用的电压偏差技术标准如下：20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的土7%，220V单相供电电压偏差为标称电压的+7%和-10%。
第三，三相电压不平衡。电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不超过4%，各相电压满足GB/T 12325的要求。接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。
第四，公用电网谐波。6～220kV各级公用电网电压(相电压)总谐波畸变率是：0.38kV时为5%，6～10kV时为4%，35～66kV为时3%，110kV时为2%。用户注入电网的谐波电流允许值在各级电网谐波电压的限值范围内。
第五，公用电间谐波在电力系统运行时广泛存在，但是结合国家技术标准对间歇波存在指标的规定，间谐波电压含有率是：当电压在1000V及以下时，频率小于100Hz为0.2%，100~800Hz为0.5%，当电压在1000V以上时，频率小于100Hz为0.16%，100~800Hz为0.4%。单一用户间谐波含有率是：当电压在1000V及以下时，频率小于100Hz为0.16%，100~800Hz为0.4%，当电压在1000V以上时，频率小于100Hz为0.13%，100~800Hz为0.32%。
第六，电网波动和闪变对系统正常工作也有一定的影响和干扰。电力系统公共连接点在系统运行的较小方式下，以一周（168h）为测量周期，所有长时间闪变值Plt满足：在小于110kV时，Plt=1，在大于110kV时，Plt=0.8[2]。
3. 双向充电桩应用系统的技术难点
3.1 综合监控平台的设计要点
综合监控平台的功能目标是实现电能质量的监控和双向充电桩各项数据及其状态的监控。为此，平台要对所有的设备进行统一管理，所有数据进行统一的采集、查看和分析，并提供设备运行状态实时监测、危险警告与通知、数据查询分析、设备运行总额和管理等功能。
此外，平台还要实现在不进行二次开发的条件下完成新增监控设备的接入功能。设备接入后数据采用分级存储方案，并进行分类汇总和统计。利用系统监测数据和事件信息，实现设备集中远程监控，为设备故障诊断提供必要的数据支持，也为电站综合管理提供全面的统计数据和各类统计报表。
3.2 双向充电桩的技术设计要点
充电桩的服务对象主要是锂离子蓄电池，充电机为电动汽车的低压辅助电源，用于在充电过程中为电动汽车蓄电池管理系统供电。低压辅助电源应为直流12V和24V，可以换档切换。充电桩通信方案为：利用TCP/IP或者RS485总线将数据上传至集中管理系统，将充电桩运行信息实时上传至能量管理系统，对整个光伏储能充电系统进行智能化控制，为电动汽车充换电整体安全运行提供有力保障[3]。
3.3 电能质量治理系统的设计要点
电能质量治理平台的功能由一体化补偿系统实现，系统结构方案为：控制软件系统、SVG型动态无功补偿装置、有源滤波器等电力电子装置。电力电子装置安装在太阳能光伏电站中，实时采集发电系统及电网数据，并经过控制软件分析后向电力电子装置发送控制指令，电力电子装置接收指令后实现谐波抑制、电压波动补偿及无功功率补偿功能。
4 结语
本文在对双向充电桩概述的基础上，主要对本项目中双向充电桩的整体设计方案和功能目标以及其中采用的关键技术进行了简要的探讨，希望能为相关从业人员提供一些有益的参考。
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