電動汽車充電站變壓器損耗分析

電動汽車充電站變壓器損耗分析

1變壓器容量確定方法隨著工業(yè)的發(fā)展，煤炭和石油的不可能能源消耗大量。能源行業(yè)、原子能、原材料和其他可支配能源尚未廣泛使用，能源危機的現(xiàn)實被人們所無法克服。與此同時，大量工業(yè)廢水、通行汽車尾氣等污染物的排放也給人類帶來了環(huán)境和溫室效應(yīng)等問題。能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),節(jié)能減排問題引起了當今世界各國的廣泛關(guān)注。充電站作為電動車的基礎(chǔ)設(shè)施,伴隨著電動汽車的發(fā)展而被廣泛建設(shè),但是通過對已有的充電站運行數(shù)據(jù)進行計算發(fā)現(xiàn),充電站的變壓器容量選擇偏大,存在著電能損耗大的問題。這不僅導致了能源的浪費,而且增加了充電站的運營成本,不利于其推廣建設(shè)。影響變壓器經(jīng)濟容量的因素很多,其中主要包括:負荷狀態(tài)、負荷性質(zhì)、年最大負載損耗時間,變壓器類型和造價、變壓器過載能力、現(xiàn)行電價和最佳經(jīng)濟負載率等。充電站要達到經(jīng)濟運行的目標,既要求變壓器的容量不要選得過大,以免增加投資;又要求變壓器的運行效率高,損耗的電能小,以節(jié)約運行費用。因此,要對這些主要因素進行分析,從而建立一種針對充電站經(jīng)濟運行的配電變壓器容量確定方法。本文考慮了兩種方法對充電站變壓器容量進行選擇,分別是基于總費用法和考慮變壓器過載運行的方法。首先利用傳統(tǒng)選擇變壓器的方法對其進行粗略選擇,然后再利用上述兩種方法對變壓器的容量進行進一步選擇,達到變壓器經(jīng)濟性配置的目的。2變壓器容量的計算傳統(tǒng)的充電站變壓器選擇方法在文獻中已經(jīng)指出。首先根據(jù)充電站內(nèi)所有用電設(shè)備視在功率之和SC估算變壓器的容量,然后考慮一定的裕度,最終選擇大于且最接近SC的變壓器容量值。但是文中并沒有對裕度值進行規(guī)定,這可能導致變壓器容量選擇過大,不僅會增加初始投資,而且變壓器長期處在輕載運行,會使變壓器損耗的比重增大,充電站的運行成本提高。2.1變壓器損耗率計算方法衡量變壓器損耗的一個重要指標為變壓器的綜合功率損耗。變壓器的綜合功率損耗是指變壓器在運行中的有功功率損耗和因其消耗無功功率使受電端增加的有功功率損耗之和。其表達式是變壓器綜合功率損耗率為式中S——變壓器負載容量,kVA;SN——變壓器額定容量,kVA;PKZ——額定負載綜合功率損耗,kW;PO——變壓器空載損耗,kW;QO——變壓器空載無功損耗,kvar;QK——變壓器短路無功損耗,kvar;IO——空載電流,常用百分數(shù)表示;KQ——無功經(jīng)濟當量,其物理意義是:每當變壓器減小1kvar無功功率消耗時,引起連接系統(tǒng)有功功率損耗下降的kW值,其值的大小與變壓器在系統(tǒng)中的位置相關(guān),根據(jù)文獻,本文中取0.1kW/kvar。由式(1)和式(2)可得變壓器綜合功率損耗和綜合功率損耗率的大致曲線如圖1所示。2.2變壓器初始費用kpv變壓器的總費用是指變壓器的成本費用與運行費用之和,成本費用是指采購變壓器的初始費用,運行費用是指變壓器在使用年限中運行產(chǎn)生的損耗導致的費用,考慮這期間的利率,可得變壓器的總費用為式中CI——變壓器的初始費用;E——單位電價,元/kWh;kpv——年貼現(xiàn)率為i,使用年限為n年的現(xiàn)值系數(shù),;W——年綜合電能損耗,kWh。通過采樣得到變壓器的負荷功率,若采樣時間為△T,采樣點數(shù)為N,第i點的功率為Pi,由式(1)計算可得對應(yīng)的綜合功率損耗△PZi,綜合電能損耗的計算為2.3變壓器在一定的負荷曲線充電機作為一種電力電子設(shè)備,工作時會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波影響。但是它不同于大型工業(yè)的軋機、電弧爐等沖擊負荷,充電機的投切不會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重沖擊性影響。北京市北土城公交車充電站的典型日負荷曲線如圖2所示,負荷的兩個高峰出現(xiàn)在12∶00~13∶00和22∶00~23∶00,負荷低谷出現(xiàn)在02∶00~08∶00,峰谷負荷值之比為23∶1,峰谷持續(xù)時間之比為1∶3。由此可見,充電站大部分時間的負荷都低于最大負荷,變壓器的運行能力未得到充分發(fā)揮。文獻指出,對于周期性負載,在某段時間內(nèi)環(huán)境溫度較高,或者施加了超額定負載的電流,但可以由其他時間內(nèi)環(huán)境溫度較低,或施加低于額定負載電流的電流補償,所以變壓器在一定條件下過載運行是不會影響其壽命的。因此可以考慮變壓器的過負荷運行。3電動汽車充電站壓壓站的運營分析3.1變壓器容量選擇北土城充電站的配電線路如圖3所示,其中10kV變壓器在充電站內(nèi)。最終批準的變壓器容量為1600kVA*2、315kVA*1,共計3515kVA。站內(nèi)配置210臺9kW的充電機,兩路平均分配。如圖4所示,為充電站內(nèi)的一條變壓器支路。對負荷功率進行數(shù)據(jù)采集,得到該支路一年的負荷功率數(shù)據(jù),其最大值為824kW,考慮充電機的效率,其對應(yīng)的最大負荷容量為915kVA,低于變壓器容量1600kVA,變壓器容量選擇過大。北土城充電站一年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計見表1,可以看出,充電站負荷的經(jīng)常性負荷功率在300kW~600kW之間,平均負荷功率為358.7kW。3.2變壓器的選擇變壓器按照冷卻方式可分為油浸式和干式兩種,文獻比較了這兩種變壓器的特點:相同容量的油浸變壓器比干式變壓器造價低;油浸式變壓器的過載能力比較好,而干式變壓器一般在額定容量下運行;油浸式變壓器不防火,需經(jīng)常維護,而干式變壓器一般用在人員密集,需“防火、防爆”的場所。北土城充電站不處于人員密集區(qū),同時考慮油浸式變壓器的經(jīng)濟性,所以選用油浸式變壓器。變壓器的容量等級是標準化的,國標對10kV電壓等級的油浸式變壓器參數(shù)進行了規(guī)定。北土城充電站的最大負荷為915kVA左右,因此從國標中選擇以下容量等級進行計算:630kVA、800kVA、1000kVA、1250kVA、1600kVA。鐵心型式對變壓器的空載損耗Po影響很大,新型鐵心降低空載損耗,從而減小變壓器的損耗,如表2所示為油浸式變壓器的常用類型及容量,表中列出了三種鐵心型式的油浸式變壓器,共15個油浸式變壓器。北土城充電站負荷的采樣時間△T=1h,一年的采樣點數(shù)N=8760(=24×365),使用年限n=20年,年貼現(xiàn)率i=6%,北京2011年工業(yè)用電價格E=0.8元/kWh。將各參數(shù)、n個功率數(shù)據(jù)、表2中各變壓器參數(shù)和表3中各變壓器采購費用代入式(1)~式(4)中,得到各變壓器的總費用見表3。從表3中可以看出,在變壓器的型號選擇上,雖然非晶合金鐵心式變壓器的價格高,但是因其綜合電能損耗比其他兩種變壓器型號的小,所以在20年的使用年限里,可以收回投資成本,所以選擇油浸式非晶合金鐵心變壓器?？傎M用最低的變壓器型號是1250kVA的油浸式非晶合金鐵心變壓器,所以選擇該型號的變壓器。《北京市“十二五”電動汽車充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃》(以下簡稱“規(guī)劃”)中指出:在“十二五”期間,要按照“換電為主、插充為輔,集中充電、統(tǒng)一配送”的模式,加快智能充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。由此可見,換電站的建設(shè)是“規(guī)劃”中的主要內(nèi)容。換電站包括乘用車換電站、公交車換電站、大型環(huán)衛(wèi)車換電站、2t級環(huán)衛(wèi)車換電站和城際互聯(lián)換電站,其中公交車換電站現(xiàn)狀只有一座,即北土城充電站,而“規(guī)劃”中對于公交車換電站在2015年的目標是18座。若將“基于總費用選擇變壓器”的方法用于每座換電站變壓器的選擇,其經(jīng)濟性分析如下?！耙?guī)劃”中預計,到2015年北京市電動公交汽車保有量為770輛,且全部采用換電站換電,則公交電動汽車換電需求為770車次/天。計劃到2015年共建公交車換電站18座,則要求每座換電站的換電能力為770/18≈43車次/天。已建成的北土城充電站每天的工作時間為10h,換電速度約為10min/車次,因此其換電能力約為車次/天,此換電能力可以滿足“規(guī)劃”的需要。由此可得,2015年將建成的18座電動公交汽車換電站規(guī)模相當于18座北土城充電站的規(guī)模。若這18座換電站都采用本文選取的變壓器,則與傳統(tǒng)方法選擇的變壓器相比,總費用減少622萬余元。上述方法是按照20年運行時間選擇出的變壓器容量,具有很明顯的經(jīng)濟效益。但是要在充電站規(guī)劃建設(shè)時運用方法對變壓器進行選擇,還存在以下幾點問題:上述方法即是基于總費用法選擇變壓器,雖然在20年的使用年限中能收回投資成本,但是因為變壓器的容量越大,其價格越高,所以若選擇該大容量變壓器,會造成充電站初始投資費用增加?？紤]到充電站的建設(shè)還處在初始階段,這樣不利于充電站的廣泛建設(shè)。充電站日負荷的波動較大,所以,變壓器在運行時,就一晝夜來說,大部分時間的負荷都低于最大負荷。而且上述方法選擇的變壓器容量高于最大負荷,因此變壓器在運行時并沒有充分發(fā)揮其負載能力。從維持變壓器的使用年限的角度考慮,變壓器在必要時可以適當考慮過負荷運行。在充電站規(guī)劃階段,無法獲取詳細的負荷運行數(shù)據(jù),只能由已經(jīng)投運的充電站大致估算負荷波形,所以用上述方法計算存在誤差。為限制低壓側(cè)短路時的短路電流,相關(guān)規(guī)程建議配電變壓器容量不宜超過1000kVA。為發(fā)揮變壓器的過負載運行能力,解決以上四點問題,下面分析充電站變壓器的過載運行。3.3等效負載及允許過失率傳統(tǒng)的充電站變壓器選擇方法在文獻中已經(jīng)指出。此方法是根據(jù)充電站內(nèi)所有用電設(shè)備的視在計算負荷SC來估算變壓器的容量,通常會考慮留一定裕度,最終選擇大于且最接近SC的變壓器容量值。式中S1——動力用電量;S2——照明及辦公用電量。式中N——充電機總數(shù);P——充電機最大輸出功率;cos——充電機功率因數(shù),取0.99;K——充電機同時系數(shù)。其中,值由充電站的運營模式?jīng)Q定。如果采用充電機同時啟動充電方式,則K=1;如果采用充電機等間隔啟動充電方式,則K<1,其數(shù)值由充電機的啟動間隔、同時啟動臺數(shù)等因素決定,需要具體測算。充電站的典型日負荷曲線圖5所示。由實際負荷曲線可見,在約10∶00~15∶00為一個波峰,在20∶00~23∶00為第二個波峰,而且第二個波峰要比第一個波峰高,而2∶00~8∶00為波谷。等效負載曲線是由實際負載曲線簡化得到的直角折線。文獻對等效負載曲線的求法做了詳細說明:具體方法是,將實際負載曲線看作峰值相等但持續(xù)時間不同的雙峰值負載周期曲線,用與實際負載曲線相似的折線對其進行簡單劃分,使其折線上下面積互相抵消,即舍去的面積等于補入的面積,由此得到等效負載曲線。所得等效負載曲線的較低的折線負載為起始負載K1,作為過載前變壓器的負載;所得等效負載曲線的較高的折線負載為允許的過載倍數(shù)。如圖5所示,曲線1是北土城充電站的日典型負荷,曲線2是對應(yīng)的等效負載曲線。曲線2的AB段的負載率是等效起始負載率β1,表示過載前變壓器的負載,由圖得出β1=0.42(為方便查表可認為β1≈0.5),高峰持續(xù)時間Th≈4h。對于油浸自冷和風冷的變壓器,環(huán)境溫度即是冷卻介質(zhì)的溫度,北土城充電站的月均環(huán)境溫度的記錄如表4。利用季平均環(huán)境溫度、等效起始負載率β1和高峰持續(xù)時間Th,查表5可得到允許過載率β2的值。對于北土城充電站,等效起始負載β1≈0.5,高峰持續(xù)時間為4h左右,將每一季的允許過載率β2填入表4的第2列,得到充電站四季的允許過載率數(shù)據(jù)。由表4的第2列可以看出,冬季的允許過載率最高,為1.40,夏季允許過載率最低,為1.26。利用式(6)對北土城充電站動力用電量的估算值為742kVA,按照允許的最低過載率1.26來選擇變壓器,s=588.9kVA,因為變壓器的容量是標準化的,所以選擇最接近且大于此計算值的容量,選擇630kVA的變壓器,其總費用查表3即可得到。在考慮過載能力選擇變壓器時需要注意的問題有以下幾點:(1)本文選擇的充電站變壓器是帶充電機的負荷,即式(6)中的s1,不包括照明及辦公用電部分。這樣只影響最初的負荷容量數(shù)據(jù),并不對后續(xù)的計算產(chǎn)生影響。(2)最大負載功率的計算值與實際運行數(shù)據(jù)會有一定差別。北土城充電站的一臺變壓器帶105臺9kW的充電機,K取0.7,根據(jù)式(6)可得s1=742kVA。從北土城充電站的運行數(shù)據(jù)中可得到年最大負載功率為939.1kVA。這表明K值取得較小,實際最大負載比估計值要大,這可能會導致最后選擇的變壓器容量過小。這就需要在規(guī)劃充電站時,明確其運營模式,選取合適的同時系數(shù)“K”值,才能達到規(guī)劃與實際運營一致。(3)典型負荷曲線的選取直接影響等效起始負載率β1的值,但是充電站的負荷與季節(jié)、氣候、溫度、工作日或節(jié)假日等很多因素有關(guān),對負荷的分析很繁雜,選取典型負荷日也比較困難,所以β1的值會有較大誤差。但是,相關(guān)規(guī)程建議油浸變壓器的最大過載負荷β2不超過1.5。這樣可以減小β1的影響,防止最后選擇的變壓器容量過小。對本課題中運用的兩種方法配置的變壓器和北土城充電站現(xiàn)有變壓器進行對比見表6。對比兩種方法可以發(fā)現(xiàn):(1)兩種方法選出的變壓器的經(jīng)濟性都比現(xiàn)有變壓器好。(2)比較變壓器的價格,考慮過載能力選擇的變壓器的容量最小,所以價格也低,相比方法一選擇的變壓器可以省6.3萬元。(3)比較總費用,在20年使用期限里,總費用最低選出的變壓器比考慮過載能力選擇的變壓器更有經(jīng)濟優(yōu)勢,可省11萬元,但是隨著使用期限的縮短,此優(yōu)勢不再明顯,當使用期限為5年時,前者甚至比后者總費用更高。(4)對于新建的大型充電站,變壓器的使用年限較長,建議使用總費用方法選擇變壓器更經(jīng)濟;對于已有變壓器的小區(qū)充電站,建議充分利用變壓器的過載能力,代替選擇更大容量的變壓器的方