市政路灯和电动汽车充电桩的一体化系统研究.pdf

本文提出了一类市政路灯和电动汽车充电桩的一体化系统，充分利用市电、风电、光伏太阳能等多种电力能源，并网接入低压直流供电网络，实现能源高效、优化配置，为一体化设备和数据中心等负荷提供稳定直流电源，利用TD-LTE230MHz无线通信专网实现主站系统与一体化设备、电动汽车的实时通信，实现充电调度、路灯控制、视频监控等功能。市政路灯和电动汽车充电桩的一体化系统研究随着汽车工业飞速发展，我国石油消耗对外依存度持续升高，2013年已达58.1%，石油短缺局面日益加剧。电动汽车发展对我国具有重大意义，一方面可以提高电能替代，有效减少单位GDP能耗，另一方面可以有效破解环境约束，解决雾霾等大气污染问题。尽管国家已出台一系列支持政策，然而电动汽车的普及和推广终究未能有实质性进展，主要是由于基础设施（如充电桩、充电站等）建设相对滞后，致使充电不便，最终直接导致消费者对电动汽车望而却步。文献[4]提出了一种基于LED市政路灯和电动汽车充电桩的一体化设计方案，可有效利用市政路灯改造后节省出来的配电容量安装直流充电桩。广泛分布于城市街道的一体化充电桩在保证道路高效照明的同时，为电动汽车充放电提供接口，具有保护、监测、控制、通信、计量等功能，便于主站系统实现对路灯和电动汽车充放电状态的远程监测和控制。该方案可行性强，适合大规模推广，能够很好地解决充电桩、充电站建设过程中征地难的问题，但是该方案基于传统的GPRS等无线通信方式，一方面长期使用公网租赁费用较高，另一方面若要安装视频监控等对数据传输速率要求较高的设备，将无法满足实际实时通信的需求。基于此，本文提出了基于TD-LTE230MHz无线通信专网的路灯充电桩一体化系统，利用TD-LTE230MHz无线通信专网代替GPRS等公网，由于该专网具有数据传输速率快、时延小、成本低廉、支持海量实时用户等特点，因而能很好地支持视频监控等功能。一体化系统总体设计方案系统结构系统主要包括市政路灯充电桩一体化设备、低压直流供电网络、TD-LTE230MHz无线通信网络、主站监控系统、电源系统、数据中心等，系统结构如图1所示。市政路灯充电桩一体化设备兼顾市政路灯和电动汽车充电桩，一方面能以高光效和低能耗为城市道路提供照明，另一方面能够为电动汽车提供直流充电服务；电源系统利用市电集中整流，同时利用风电、光伏太阳能等分布式能源提供直流电源，此外可以适时利用电动汽车充换电站存储的电能；低压直流供电网络为整个系统提供多输入多输出的电力能源配置平台，为电源系统和一体化设备、数据中心等用电系统提供有效连接，具有良好的可靠性和稳定性；TD-LTE230MHz无线通信网络为系统提供可靠、高速的通信保障，能有效支持控制指令、一体化设备在线状态监24电DISTRIBUTION&UTILIZATION图1路灯充电桩一体化系统结构图测、视频监控等大量数据的实时传输，并且能节约通信成本；电动汽车充换电站和低压直流供电网络可实现双向能量流动，即充换电站的大量电动汽车蓄电池可作为蓄能电站对电力进行存储，另外当用电高峰期，可将充换电站存储的电能供给低压直流电网，有效起到削峰填谷的作用；主站监控系统利用无线通信模块接收来自一体化设备的实时监测信息，包括路灯开关状态、充电桩工作状态、视频监控等数据，对于部分安装了TD-LTE230MHz专网通信模块的电动汽车，主站监控系统还能接收其发送来的请求指令等数据，主站系统可经过控制系统处理，利用通信模块发送相应的信息；数据中心等大用户在利用传统市电时，经常需要经过整流与逆变等多个环节，由于其用电负荷多为直流，直接利用低压直流电网的电源可明显减少交直流转换过程中的电能损耗，因而以数据中心为代表的电力用户可方便接入系统，并实现良好的节能效果。电力流向分析系统电力流向是从电源侧流向低压直流供电网络，最后流向以电动汽车和数据中心为主要负荷的用电侧，如图2所示。图2电力流向示意图电源侧主要包括市电、风电和光伏太阳能等，经过整流或变压后多端接入低压直流电网。系统利用的电能主要来自常规市电，一般为路灯提供电能的常规市电需要进行集中整流，经变压、稳压后接入低压直流供电网络。随着新能源的快速发展，以光伏太阳能、风电为代表的新能源发电将发挥越来越重要的作用，因此分布式光伏发电（一般为直流电）十分适合直接接入低压直流供电网络，为系统提供充足的电力来源。另外，充换电站内的大量蓄电池可作为本系统中的重要电力来源，特别是在用电高峰时段，可有效弥补电力供应不足，而在用电低谷时段可以对充换电站的储能单元进行充电，此时充换电站作为用电侧的用电负荷消耗电能。低压直流供电网络作为整个系统中的中间环节，联系电源和用电负荷，起到能源配置作用，并且比一般交流电网具有一定优势：一方面随着网络输入端点越来越多，稳定性与可靠性随之增加，不会因某一条线路的故障导致整个电网系统的破坏；另一方面直流电网可为数据中心等用电负荷提供直流电，减少了多次交直流转换过程，有效提高能源利用效率，可以实现显著的能源节约效果。用电侧主要包括电动汽车、LED市政路灯充电桩一体化设备和数据中心等，电动汽车利用一体化设备可直接对蓄电池进行充电，无需安装车载充电机，减少成本的同时提高了充电效率，数据中心等直流负荷为主的大用户特别适合于直流供电网络。值得一提的是，经用户端授权可将电动汽车车载电池作为分布式储能单元，根据电网调峰需求适时将电能售于电力公司实现互动，当晚高峰结束后由主站管理系统实行统一调配充电，达到削峰填谷的目的。对于利用率不高的电动汽车而言，其大部分时间都停放在车位上，峰谷电价差的存在可以实现良好的经济效益，车主可以实现节约甚至免费用电。通信链路分析通信系统作为整个充电系统中的重要组成部分，承担着一体化设备和主站系统、电动汽车和主站系统的双向通信任务。一方面路灯充电桩一体化设备可以利用无线通信方式和主站系统进行通信，一体化设备将状态监控的数据实时上传到主站系统，主站系统根据控制系统指令实现对路灯、充电桩、视频监控等设备的远程控制；另一方面安装了无线通信模块的电动汽车，可向主供用电25SpecialFeature3特别策划图3通信链路示意图站系统实时分享目前所在位置、提出充电服务请求、查询附近的充电桩位置等，主站系统根据其请求指令发送相应数据。该通信具有数据量大、实时性高、双向传输、覆盖范围广等特点，因而传统的GPRS等公网通信方式无法满足需求，可利用TD-LTE230MHz无线通信专网提供通信服务。系统通信链路如图3所示，电动汽车和一体化设备可以通过基站发射的信号实现与TD-LTE230MHz核心网的连接，利用无线网络防火墙确保主站系统的安全，通过防火墙后即可访问主站系统。主站系统既包括接入服务器、数据服务器等，还包括一体化设备、视频和电动汽车的监控系统。一体化设备的市政路灯状态（开灯或关灯）、充电桩状态（是否在充电、充电多久等）可以实时上传到主站系统，并能实现主站系统对设备的远程即时监控。市政路灯充电桩一体化设备市政路灯充电桩一体化设备是该系统的核心设备，其结构如图4所示，主要包括电源系统、状态监控系统、LED市政路灯系统、直流充电桩、无线通信系统和控制系统六个部分。电源系统能够直接利用低压直流供电网络提供直流电源，包括稳压模块、变压模块和保护模块等组成部分；状态监测系统包括充电状态监测模块和路灯状态监测模块等，其作用是监测直流充电桩的充电状态，包括是否正在充电、充电模式、充电电流情况等，路灯状态监测模块可实现路灯开关情况的监测；LED市政路灯和电动汽车充电桩是其最基本的部分，包括LED灯、LED驱动模块、LED控制模块等部分；直流充电桩能够直接为电动汽车蓄电池充电，有效减少交直流转换导致的电能损耗，并且可以使电动汽车摆脱车载充电机的束缚，具体包括充电管理系统、过压保护模块、过流保护模块、计量计费系统等部分；无线通信模块包括基于TD-LTE230MHz无线通信技术的无线发送模块和无线接收模块，发送模块利用无线通信模块实现当前充电状态、LED路灯状态等信息的实时上传，便于主站统一管理和监控，接收模块接收来自主站系统的信息从而实现对LED路灯和充电桩的控制；控制系统主要作用是综合考虑接收到的指令情况、状态监控情况，从而确定对设备进行如何控制，具体包括对路灯的控制、视频的控制和充电桩的控制。方案优越性分析一体化设备优越性分析基于冷光源LED市政路灯是智能照明技术发展的重要方向，图4一体化设备结构图26电DISTRIBUTION&UTILIZATION用LED路灯替代以高压钠灯为代表的传统市政路灯，可在保证道路照明质量的前提下节约至少50%以上的电能。因而，该设备大范围推广将直接节省大量电力能源。更为重要的是，利用市政路灯所在位置安装路灯充电桩一体化设备，可在不占用额外土地资源的前提下，建设电动汽车充电一体化设备，因而比传统的充电站、充电桩的建设具备显著优势。直流充电桩可以为电动汽车蓄电池直接充电，节省交直流转换环节，提高了效率并实现电能节约。视频监控系统，对一些治安重点监控区域，如居民小区、城区路面、商业中心、娱乐场所、车站广场、重点单位等场所实施远程实时监控，及时了解现场车流、人流及异常情况，并进行远程录像备份，是科技强警建设的重要组成部分。因而一体化设备中的视频监控系统具有重要意义，利用TD-LTE230MHz无线通信系统，可以摆脱GPRS等通信方式的带宽约束，实现海量数据的实时传输。低压直流供电网络优越性分析相比较传统的交流供电，该低压直流供电系统在有分布式电源接入和大量开关电源类负载的供电系统中显现出诸多优势：（1）减少电能变换环节，降低损耗。若使用合理电压等级的直流电源给开关电源类负载、变频调速类负载以及电子镇流器光源等负载供电，相应整流电路和功率因数补偿电路都可省去，同时还能降低能耗和提高电能质量；直流系统仅存在电阻损耗，因此整个供电系统的损耗将有望大幅度降低。（2）提高电能质量。将大功率整流器作为直流电源，采用适当的控制策略，可有效提高直流系统的稳定性和可靠性，从而实现供电连续性，保障电能质量。（3）有利于新能源消纳。部分风光发电较发达地区出现了大量弃风限电情况，主要原因是现有电网对新能源消纳存在“卡脖子”问题，而光伏太阳能、风力发电容易输出直流电源，因而低压直流电网能够很好的实现新能源灵活接入，有力支持新能源发展。经济效益和节能效益分析经济效益和节能效益主要体现在以下方面：①LED市政路灯比传统高压钠灯节省大量电能；②市电集中整流比传统LED路灯单独进行整流提高了效率；③直流充电桩使得电动汽车无需安装车载充电机，节省电动汽车生产成本；④电动汽车利用直流充电模式比传统车载充电机充电省去了整流过程，同样提高了能源利用效率；⑤低压直流供电网络适宜消纳光伏太阳能等新能源，且能为数据中心等开关电源类负载提供可靠、高效的电能；⑥电动汽车普及将能有效实现以电代油，从用户角度分析，可以节省交通工具的使用成本。结束语本文提出了一类基于路灯充电桩一体化设备、低压直流供电网络、TD-LTE230MHz无线通信技术的充电系统，利用路灯所在位置建设路灯充电桩一体化设备，可以节省宝贵的土地资源，因而实施该方案可在城市范围内建设电动汽车充电网络，具有良好的可行性、经济性和实用性，可有效解决电动汽车充电难、推广难等问题。此外，该系统综合利用低压直流供电和先进无线通信技术，使得整个系统具备较高的智能化、自动化和互动化等特征，符合智能电网发展要求，并且可实现显著节约电能、提高效率、减少排放等经济效益、环保效益和社会效益。殷树刚，北京南瑞智芯微电子科技有限公司副总经理，高级工程师，研究方向为智能用电技术、电力无线通信。刘磊，北京南瑞智芯微电子科技有限公司部门经理，中级工程师，研究方向为电力系统信息化、智能化。胡宇宣，北京南瑞智芯微电子科技有限公司，中级工程师，研究方向为电力系统自动化、智能用电技术。郭正雄，北京南瑞智芯微电子科技有限公司，中级工程师，研究方向为智能用电技术、无线通信。[6]HammerstromDJ．ACversusDCdistributionsystems-didweg