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純電動公交充電新選擇—微型撬裝式純電動公交柔性充電站


一、 解決方案背景
  近年來,隨著我國城市人口的逐步增長,城市公共交通的壓力也逐年加大。同時,隨著大中城市內汽車的大量普及,尾氣排放占廢氣排放比重越來越高,造成城市嚴重的環境問題和交通堵塞。因此,大力發展純電能驅動的地鐵、輕軌、有軌電車、純電動公交等公共交通系統成了城市現代化建設的當務之急。從公共交通的運力進行分類:
  ■ 大運力公共交通:地鐵、輕軌。載客量大,運行速度較高;建設周期很長,一般為5年左右;投資成本很高,約為6億元~10億元/公里;
  ■ 中等運力公共交通:
    1) 現代有軌電車。載客量中等,運行速度中等;建設周期長,一般為2年左右;投資成本較高,約為1億元/公里;但有軌電車與地面其他車輛存在路權之爭的問題。
    2) 雙源無軌BRT電車。載客量中等,運行速度中等;建設周期短,一般在1年內;投資成本較低,約為1000萬元/公里;并可利用原有地面道路資源。
 ■ 普通運力公共交通:純電動公交。載客量小,運行速度低。配套充電設施建設周期短,一般在1年以內;完全和原有公交車共用道路資源,無需再投資。
  從上述分類可以看出,不同運力的交通方式在城市公共交通中所處的地位并不相同:地鐵、輕軌可解決城市主干交通的運載,有軌電車和雙源無軌BRT能夠作為地鐵和輕軌的有力補充,可緩解區域性交通運載問題。而擁有普通運力的純電動公交車則承擔著城市公共交通中“最后一公里”的運載任務,能夠把大量的乘客運送到最終的目的地。
  對于普通純電動公交來說,電池問題、充電問題一直是困擾其發展的主要原因:電池配重過大,運載效率較低;充電站和充電樁占地面積大,建設成本高,供電容量利用率低;車輛充電時間長,充電過程中無法移動,使場內車輛調度和停放受到影響。
  為了解決上述問題,采用了新型鈦酸鋰電池的純電動公交即可實現電池的快速充電,在電池的循環壽命也完全能夠達到純電動公交的使用要求。這種類型的純電動公交配置的電池為46kWh左右,單次充電可以運行30km左右,能夠滿足大多數城市市區公交線路的運營里程要求。車輛的充電設施可采用“微型撬裝式變電站+充電線網”的模式,結合車輛上集成的智能充電機,不僅能夠為車輛提供大容量、靈活、快速的充電服務,而且能夠為充電設施的占地面積、建造成本上帶來最大的節約。
二、 微型撬裝式純電動公交柔性充電站的技術特點
  為了給新型純電動公交提供安全、大容量、高密度的充電電源,蘇州萬龍電氣集團股份有限公司特別為該運用開發了“微型撬裝式純電動公交柔性充電站”。充電站的主要技術特點如下:
 1. 基于智能云平臺的柔性充電
  城市市區公交停車場車輛有效停放面積對城市公交的合理布局,線路配置等都至關重要。微型撬裝式純電動公交柔性充電站采用了高功率密度的設計思路,為純電動公交提供快速充電服務。以3路直流750V輸出的直流饋線為例,其占地面積僅為32平方米,可為純電動公交提供額定600kW,最大1200kW的充電功率。充電站可在廠家提前完成生產和組裝,直接運輸到現場即可完成安裝,工程周期短,綜合造價低。
  新型純電動公交上集成了充電機,智能充電云平臺可通過無線通道向車輛的充電機發送充電命令,在充電線網下實現多輛電動公交同時充電。由于充電機可控,直流饋線輸出的充電功率可根據相關指令靈活分配到直流饋線下的車輛,實現柔性充電。以車輛配備46KWh電池為例,車輛行駛30公里后剩余25%~35%電量,進入停車場快速補充電能。車輛配置的額定功率為150kW充電機通過充電線網進行柔性充電,十分鐘左右即可將電池充滿,完全能夠滿足公交行業的運用需求。這樣可結合電池電量和狀態、車輛工況、充電站運行功率等充電條件的按需充電,可合理調配充電資源,充分利用電站所提供的充電功率,為車輛提供安全,快速的充電服務。
 2. 充電系統六大安全保障
  純電動公交的充電安全一直是公交行業關注的重點。新型充電站不僅要密切監控其自身安全,而且對整個直流充電系統的安全狀況也必須進行實時評估。為此,“微型撬裝式純電動公交柔性充電站”集成了6大安全保障技術:
  ◆ 充電線網電氣安全?;?br />   ◆ 大電流短路故障快速切除
  ◆ 智能化故障檢測
  ◆ 瞬時故障快速恢復供電
  ◆ 充電系統絕緣監測
  ◆ 關鍵節點溫度監測
  通過上述技術,可以對直流充電系統中的充電線網進行?;?,防止充電線網因過載而損壞;對于金屬性大電流短路,充電站內的直流快速斷路器和直流?;つ芄豢燜俁?,在十幾個毫秒內即可切斷故障電流,保證設備安全;智能化故障檢測功能還能夠辨別出供電系統中是否存在短路,如果為瞬時性短路,則可自動合閘快速恢復供電,無需人工干預;直流充電系統絕緣監測能夠對充電站、地下電纜、充電線網和車輛的對地阻抗變化進行實時監測,并根據阻抗變化評估充電系統和大地之間的絕緣健康狀態;站內的溫度傳感器能夠實時監測充電站內關鍵連接點的連接可靠性,避免大電流通過后導致溫升或起火。
 3. 遠程運行監控和維護管理
  
“微型撬裝式純電動公交柔性充電站”采用高度集成化設計,在新一代電氣技術基礎上融合了數字傳感技術、數字?;げ飪丶際?、現場總線技術和網絡通信技術。主要由高壓交流開關柜設備、整流機組設備、直流開關柜設備、輔助電源設備、數據管理系統、自動消防系統、綜合輔助系統(門禁、環境和視頻)等多個??樽槌?。
  新型充電站通過遠程云平臺可完成站內數據獲取,命令下發等操作。管理人員通過遠程云管理平臺可實現對充電站的實時監控,能夠快速了解站內各種故障和報警,并對相關故障進行隔離。即能夠保障了充電站運行的可靠性,又能夠達到快速恢復供電的目的,真正實現“智能化無人值守”。
  由于采用無人值守的運行模式,充電站內部設備的健康狀態可通過遠程云平臺獲取。遠程維護管理終端通過云平臺可實時了解站內設備的健康狀態。通過對各類故障、報警、狀態等運行信息的分析,可及時判別出設備的工況,實現“設備預測式檢修維護”。不僅減少運維人員數量,并可大幅度降低設備運行維護成本。
三、 微型撬裝式純電動公交柔性充電站典型方案
  由蘇州萬龍電氣集團股份有限公司設計的WDQXB系列智能型箱式變電站就是適用于新型純電動公交的新一代充電站,其主要參數如下(以3路直流充電回路為例):
 1. 典型參數
  ■ 額定輸出功率600kW,最大輸出功率1200kW
  ■ 3路直流充電回路
  ■ 輸入電壓AC 12kV
  ■ 輸出電壓DC 750V
  ■ 額定輸出DC 800A
  ■ 外形尺寸L*W*H(mm)=8000*4000*3500

純電動公交充電新選擇—微型撬裝式純電動公交柔性充電站

 2. 典型系統一次方案
  根據WDQXB系列智能型箱式變電站系統一次方案(單臺,如圖1所示)可知,其高壓交流開關柜設備采用10kV雙路電源進行的HXGN15-12系列SF6環網開關柜;整流機組采用額定容量為630kVA、負載等級為Ⅴ級的12脈整流機組設備; 直流開關柜設備采用WDQ系列直流開關柜(DC750V),直流系統通過備用饋線回路、備用母線和旁路刀,確保實現故障回路供電緊急恢復;站用輔助電源設備配置30kVA變壓器及32Ah直流電源屏。
  WDQ系列直流開關柜采用互換式斷路器手車結構,快速斷路器采用具高性能、高可靠性的QDS8系列直流快速斷路器(Icu=Ics=30kA、飛弧距離小、體積小、結構簡單),繼電?;ぷ爸貌捎肧T700系列直流微機綜合?;ぷ爸?,該方案彌補了傳統直流快速斷路器直接大電流脫扣?;さ牟蛔?,增加了過電流速斷、過電流延時、熱過載、線路測試、自動重合閘、故障錄波等等?;た刂頗?,完善了直流供電系統?;た刂乒δ?。此外,系統還配置了絕緣檢測,溫度監測等功能,可實時監測并評估直流供電系統的絕緣狀況以及站內關鍵連接點的連接可靠性。
 

純電動公交充電新選擇—微型撬裝式純電動公交柔性充電站

圖1 WDQXB系列智能型箱式變電站一次系統圖

 3. 典型遠程監控管理系統
  為了滿足充電站和遠程云平臺以及管理服務終端之間的數據交互,WDQXB系列智能型箱式變電站內配備了WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監控管理系統。
  系統由站控層、通信管理層和間隔層組成。站控層與通信管理層之間采用TCP/IP以太網絡通信,根據電力系統二次系統防護安全I區的要求,須對網絡數據加密,確保數據網絡安全性。通信管理層與間隔之間采用現場總線通信網絡。該系統以各個智能型箱式變電站中的“WKS-DAS1000數據管理系統”為核心,通過現場總線通信技術,以 “直流微機綜合?;ぷ爸?rdquo;、“智能測控儀表”、“溫度監測裝置”、“絕緣監測裝置”、“智能I/O???rdquo;等智能終端設備為基礎,實現整個箱式變電站的遠程監控管理。系統網絡拓撲結構示意如圖2所示。
 

純電動公交充電新選擇—微型撬裝式純電動公交柔性充電站
圖2 WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監控管理系統拓撲圖

4. 典型充電系統拓撲
  從目前普通的純電動公交充電過程來看,充電設施只是一個簡單的供電設備,充電過程主要依賴車載電池管理系統完成, 并需要進行人工操作。由于充電機安裝于充電樁內,不同類型的純電動公交車進行充電時還存在一定的兼容性問題。
  新型純電動公交的充電系統將充電站,車輛,遠程云平臺以及各類管理服務終端這些要素協同考慮,共同完成充電過程。
  如圖3所示的新型純電動公交充電系統拓撲圖,其中,純電動公交遠程云管理平臺通過通信鏈路可實時獲取車輛電池狀態,車輛位置,剩余電量,充電電流等信息。充電站遠程云管理平臺通過通信鏈路可以獲取充電站電量信息,充電回路電流,各種報警和故障信息。車輛信息管理終端和充電一體化管理終端則可以綜合車輛的信息和充電站及充電線網的電量信息,指引車輛到合適的充電線網下進行充電。充電管理終端還可以通過車載充電機控制充電電流,滿足不同車輛的充電需求(快充,慢充等)。整個充電過程中,各類云平臺和管理終端通過融合車輛和充電站的相關信息,合理調配充電資源,柔性充電。
  充電站遠程維護預警終端則能夠從充電站遠程云管理平臺獲取站內的各類數據,對充電站的健康狀態進行評估,對于設備在使用過程中出現的異?;蟣ň?,能夠做到“及時發現,及時解決”。
 

純電動公交充電新選擇—微型撬裝式純電動公交柔性充電站
圖3 新型純電動公交充電系統拓撲圖

四、 工程案例
  從2012年起,北京市電車公司根據相關的運行規劃要求,選用了由蘇州萬龍電氣集團股份有限公司提供的“智能化直流牽引電氣系統一體化解決方案”,分批對阜成門站、紫竹院站、馬連道站等10余個場站式雙源純電動公交直流牽引站的設備進行智能化升級改造,同時新建了30余個智能型箱式直流牽引變電站,為北京市1000余輛雙源純電動公交提供運行和充電所需電力。所有直流牽引站均通過遠程云平臺進行監控管理,最終實現牽引站的無人值守。
  其中,龍潭公園公交停車場采用WDQXB系列智能型箱式變電站為停車場內線網供電,為場內的30輛左右純電動公交提供充電服務。純電動公交車通過集電桿可在線網下進行充電,車輛在充電完成后通過車載電池提供的動力運行。如圖4所示。
 

純電動公交充電新選擇—微型撬裝式純電動公交柔性充電站
圖4 北京龍潭充電站和純電動公交

  圖5是北京市電車公司供電所遠程云平臺管理中心站,該中心站運行了由蘇州萬龍電氣集團股份有限公司提供的“WKS-DTMS2000智能化直流牽引電氣監控管理系統”。從接入容量上看,該管理系統能夠接入200余個變電站。目前該系統已實現了40多個智能型直流牽引變電站的遠程監控管理。
 

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圖5 遠程云平臺管理中心

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