电动汽车充电站经济运行分析_葛文捷

小时数 /h 21 172 735 1 561 1 979 1 301 762 835 1 433
负荷功率区间 /kW ＞ 800
图2 Fig.2
北土城充电站典型日负荷曲线 charging station
700 ～ 800 600 ～ 700 500 ～ 600 400 ～ 500 300 ～ 400 200 ～ 300 100 ～ 200 ＜ 100
北土城充电站一年数据的统计见表 1 ，可以看 出 ， 充 电 站 负 荷 的 经 常 性 负 荷 功 率 在 300kW ～ 600kW 之间，平均负荷功率为 358.7kW。
表1 Tab.1 北土城充电站负荷功率数据统计 Power statistics of Beitucheng charging station
2
通过采样得到变压器的负荷功率，若采样时间 为 T ，采样点数为 N，第 i 点的功率为 Pi，由式（ 1 ） 计算可得对应的综合功率损耗 PZ i ，综合电能损耗 的计算为
W
PZi T
i 1
N
（ 4）
Q K—变压器短路无功损耗， kvar ； Q K =U K %S N ×10 2； I O—空载电流，常用百分数表示； U K—短路阻抗，常用百分数表示； 其物理意义是 :每当变压 KQ—无功经济当量， 器减小 1kvar 无功功率消耗时，引起连 接系统有功功率损耗下降的 kW 值，其
2.3
基于最大负载功率选择变压器 充电机作为一种电力电子设备，工作时会对电
但是它不同于大型工业的轧机、 网产生谐波影响 [3] 。 电弧炉等冲击负荷，充电机的投切不会对电网产生 严重冲击性影响。北京市北土城公交车充电站的典 型日负荷曲线如图 2 所示，负荷的两个高峰出现在 12∶ 00 ～ 13∶ 00 和 22 ∶ 00～ 23 ∶ 00 ， 负荷低谷出现
费用之和，成本费用是指采购变压器的初始费用， 运行费用是指变压器在使用年限中运行产生的损耗 导致的费用，考虑这期间的利率，可得变压器的总 费用为
L CI kpv EW
（ 1）
变压器综合功率损耗率为
PZ % POZ 2 PKZ
（ 3）
式中
100%
CI—变压器的初始费用； E—单位电价，元 /kWh； kpv—年贴现率为 i，使用年限为 n 年的现
值的大小与变压器在系统中的位置相 关， 根据文献 [2] ， 本文中取 0.1kW/kvar。 由式（ 1 ）和式（ 2 ）可得变压器综合功率损耗 和综合功率损耗率的大致曲线如图 1 所示。
2
充电站变压器经济运行分析
传 统 的 充 电 站 变 压 器 选 择 方 法 在 文 献 [1] 中 已
经指出。首先根据充电站内所有用电设备视在功率 之和 S C 估算变压器的容量，然后考虑一定的裕度， 但是文 最终选择大于且最接近 SC 的变压器容量值。 中并没有对裕度值进行规定，这可能导致变压器容 量选择过大，不仅会增加初始投资，而且变压器长 期处在轻载运行，会使变压器损耗的比重增大，充 电站的运行成本提高。 2.1 变压器的综合功率损耗 衡量变压器损耗的一个重要指标为变压器的综 合功率损耗。变压器的综合功率损耗是指变压器在 运行中的有功功率损耗和因其消耗无功功率使受电 端增加的有功功率损耗之和 。其表达式是
1 n 值系数， kpv 1 i； 1 i W—年综合电能损耗， kWh。
S N cos 2 POZ 2 PKZ
（ 2）
式中
S—变压器负载容量， kVA； S N—变压器额定容量， kVA； POZ—空载综合功率损耗， kW ； POZ =PO +KQ Q O PKZ—额定负载综合功率损耗， kW； PKZ =PK +KQ Q K PO—变压器空载损耗， kW ； PK—变压器负载损耗， kW ； Q O—变压器空载无功损耗， kvar ； Q O =I O %S N ×10
10kV 变压器在充电站内。 最终批准的变压器容量为 1 600kVA*2、 315kVA*1，共计 3 515kVA 。站内配 置 210 台 9kW 的充电机，两路平均分配 [1] 。如图 4 所示，为充电站内的一条变压器支路。对负荷功率 进行数据采集，得到该支路一年的负荷功率数据， 其最大值为 824kW ，考虑充电机的效率，其对应的 最 大 负 荷 容 量 为 915kVA ， 低 于 变 压 器 容 量 1 600kVA ，变压器容量选择过大。
2013 年 2 月 第 28 卷第 2 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.28 Feb.
No. 2 2013
电动汽车充电站经济运行分析
葛文捷 黄 梅 张维戈
北京 100044） （北京交通大学电气工程学院 摘要
变压器经济性分析 变压器按照冷却方式可分为油浸式和干式两
3
3.1
电动汽车充电站变压器经济运行分析
计算背景 北土城充电站的配电线路如图 3 所示，其中
种，文献 [5]比较了这两种变压器的特点：相同容量 的油浸变压器比干式变压器造价低；油浸式变压器 的过载能力比较好，而干式变压器一般在额定容量 下运行；油浸式变压器不防火，需经常维护，而干 式变压器一般用在人员密集，需“防火、防爆”的 场所。北土城充电站不处于人员密集区，同时考虑 油浸式变压器的经济性，所以选用油浸式变压器。 变压器的容量等级是标准化的，国标对 10kV 电压等级的油浸式变压器参数进行了规定。北土城 充电站的最大负荷为 915kVA 左右，因此从国标中 选择以下容量等级进行计算： 630kVA 、 800kVA 、 1 000kVA 、 1 250kVA 、 1 600kVA 。 铁 心 型 式 对 变 新型铁心降低空载损 压器的空载损耗 Po 影响很大， 耗，从而减小变压器的损耗，如表 2 所示为油浸式 变压器的常用类型及容量，表中列出了三种铁心型 式的油浸式变压器，共 15 个油浸式变压器。 北土城充电站负荷的采样时间 T =1h ，一年的 采样点数 N=8 760(=24 ×365) ，使用年限 n =20 年， 年贴现率 i =6%，北京 2011 年工业用电价格 E=0.8
Economic Operation Analysis of the Electric Vehicle Charging Station
Ge Wenjie Huang Mei Zhang Weige 100044 China） （ Beijing Jiaotong University Abstract As an important component of Beijing
第 28 卷第 2 期
葛文捷 等
电动汽车充电站经济运行分析
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在 02∶ 00 ～ 08 ∶ 00，峰谷负荷值之比为 23∶ 1，峰 谷持续时间之比为 1 ∶ 3。由此可见，充电站大部分 时间的负荷都低于最大负荷，变压器的运行能力未 得到充分发挥。
图4 北土城充电站一台变压器支路 Fig.4 A transformer branch of Beitucheng charging station
The typical day load curve of Beitucheng
文献 [4]指出，对于周期性负载，在某段时间内 环境温度较高，或者施加了超额定负载的电流，但 可以由其他时间内环境温度较低，或施加低于额定 负载电流的电流补偿，所以变压器在一定条件下过 载运行是不会影响其寿命的。因此可以考虑变压器 的过负荷运行。 3.2
PZ POZ 2 P损耗率的 负载特性曲线 A transformer’s comprehensive power loss curve
and its comprehensive power loss rate curve
2.2
基于总费用法选择变压器 变压器的总费用是指变压器的成本费用与运行
国家 863 计划资助项目（ 2011AA 05A108 ）。 收稿日期 2012-09-20 改稿日期 2012-12-31
1
引言
随着工业的发展，煤炭和石油不可再生能源被
大量消耗，太阳能、核能、生物质等可再生能源尚 未被广泛使用，能源危机的现实摆放在人们面前； 与此同时，大量的工业废气、汽车尾气等污染物的 排放也给人类带来了环境污染和温室效应等一系列 问题。能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质 基础，节能减排问题引起了当今世界各国的广泛关 注。充电站作为电动车的基础设施，伴随着电动汽
充电站必须在数量上满足电动汽车的正常行驶需求，但是从实际运行数据来看，存在
着充电站内配电变压器容量选择过大、电能损耗较大的问题，因而增加了运营成本，不利于充电 站的广泛建设。本文以实际电动汽车充电站的运行数据为基础，计算并分析充电站变压器损耗， 从经济运行角度，对比基于总费用和考虑变压器过载运行的两种充电站变压器选择方法，确定变 压器配置容量。最后在进一步分析充电站负荷特点的基础上，合理利用变压器的过载运行，减小 变压器配置容量，使充电站经济性明显提高。 关键词： 电动汽车 中图分类号： TM41 充电站 变压器 经济运行
约运行费用。因此，要对这些主要因素进行分析， 从而建立一种针对充电站经济运行的配电变压器容
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电 工 技 术 学 报
2013 年 2 月
量确定方法。 本文考虑了两种方法对充电站变压器容量进行 选择，分别是基于总费用法和考虑变压器过载运行 的方法。首先利用传统选择变压器的方法对其进行 粗略选择，然后再利用上述两种方法对变压器的容 量进行进一步选择， 达到变压器经济性配置的目的。
EVs’ support facilities, charging stations have to meet
the normal driving demand for EVs. However, from the actual operating data, it was found that the capacity of the distribution transformer was too large, leading to too much power loss. This was not conducive to the extensive construction of charging stations. Based on operation data of actual electric vehicle charging station, this paper calculates and analyzes transformer losses of the charging station. From the point of view of the charging station’s economic operation, two methods to choose the transformer’s configuration capacity are proposed. At the end of this paper, load characteristics is analyzed to have a reasonable use of overload operation of the transformer and to further reduce transformer configuration capacity, and then the economy of and the charging station is improved. Keywords： Electric vehicle, charging station, transformer, economic operation 车的发展而被广泛建设，但是通过对已有的充电站 运行数据进行计算发现，充电站的变压器容量选择 偏大，存在着电能损耗大的问题。这不仅导致了能 源的浪费，而且增加了充电站的运营成本，不利于 其推广建设。 影响变压器经济容量的因素很多，其中主要包 括：负荷状态、负荷性质、年最大负载损耗时间， 变压器类型和造价、变压器过载能力、现行电价和 最佳经济负载率等。 充电站要达到经济运行的目标， 既要求变压器的容量不要选得过大， 以免增加投资； 又要求变压器的运行效率高，损耗的电能小，以节