Как выбор компактной подстанции влияет на рентабельность зарядных станций электромобилей

ТЕХНИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО | ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ ЗАРЯДКИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Практическая логика расчета размеров, сценарии применения и руководство по внедрению

Подготовлено HENTG POWER

Преобразование энергии · Интеллектуальное распределение

В данном руководстве объясняются ключевые принципы выбора, расчеты мощности, сценарии применения и процедуры внедрения зарядных подстанций для электромобилей. В HENTG POWER мы подходим к выбору комплектных трансформаторных подстанций как к части интегрированного решения по распределению электроэнергии, а не просто как к отдельной покупке оборудования.

По мере расширения городских зарядных сетей и роста числа владельцев электромобилей частные зарядные станции становятся привлекательной инвестиционной возможностью. Однако многие инвесторы изначально фокусируются на аренде земли, закупке зарядных устройств и прогнозах трафика, упуская из виду комплектную трансформаторную подстанцию — менее заметный, но необходимый компонент всей операции.

Проблемы часто возникают только после начала строительства: недостаточная мощность трансформатора, размеры корпуса, не соответствующие площадке, или задержки с одобрением со стороны энергокомпании. Результирующее перепроектирование, замена оборудования и срыв сроков могут быстро подорвать первоначальную финансовую модель.

В отличие от обычного распределительного оборудования зданий, зарядная подстанция для электромобилей соединяет три критически важные системы:

• Энергосеть
• Трансформатор и система распределения среднего/низкого напряжения
• Зарядное оборудование для электромобилей

Поэтому выбор не должен основываться только на общей номинальной мощности зарядных устройств. Необходимо учитывать ограничения подключения к сети, режимы зарядки, условия площадки, доступное пространство, эксплуатационные расходы, будущее расширение и местные стандарты.

1. Фактическая нагрузка — основа выбора трансформатора

Распространенная ошибка — умножить номинальную мощность одного зарядного устройства на общее количество зарядных устройств и выбрать трансформатор непосредственно на основе полученного результата. Этот метод редко отражает фактическую работу зарядной станции.

Частные автомобили, автобусы, парки доставки и тяжелые грузовики имеют разные режимы зарядки. Станция обычно не работает так, чтобы каждое зарядное устройство непрерывно выдавало полную номинальную мощность. Поэтому при оценке реальной пиковой нагрузки следует применять коэффициент одновременности или разнообразия.

Иллюстративный пример: Общественная зарядная станция

Рассмотрим общественную зарядную станцию, оснащенную двенадцатью быстрыми зарядными устройствами постоянного тока мощностью 120 кВт:

Поскольку маловероятно, что все транспортные средства будут заряжаться одновременно на полную мощность во время вечернего пика, станция не требует автоматически трансформатора мощностью 1600 кВА.

Окончательный номинал трансформатора также должен учитывать коэффициент мощности, вспомогательные нагрузки, КПД зарядного устройства, характеристики гармоник, температуру окружающей среды, ожидаемый рост нагрузки и мощность подключения, одобренную энергокомпанией.

Станции для легковых автомобилей и зарядные узлы для тяжелой техники отличаются

Зарядные станции для парков и тяжелых грузовиков, как правило, имеют гораздо более высокие коэффициенты одновременности, чем общественные станции для легковых автомобилей.

Логистические транспортные средства часто прибывают партиями вечером или рано утром и могут оставаться подключенными к мощным зарядным устройствам в течение длительного времени. В этих приложениях коэффициент одновременности может достигать 0,80–0,90. Таким образом, две станции с одинаковым количеством зарядных устройств могут требовать совершенно разной мощности трансформатора в зависимости от типа транспортного средства и графика работы.

Предел подключения к сети имеет первостепенное значение

Оператор распределительной сети обычно утверждает максимальную мощность подключения. Даже при наличии достаточного пространства на площадке застройщик не может установить неограниченную мощность трансформатора без одобрения сети. Поэтому получение официального разрешения на мощность подключения и подтверждение уровня входящего напряжения должны быть завершены до окончательного выбора комплектной трансформаторной подстанции.

Избегайте как чрезмерного, так и недостаточного размера

Мощность трансформатора выражается в кВА, а выходная мощность зарядного устройства обычно выражается в кВт. Преобразование должно учитывать коэффициент мощности и общие запасы прочности конструкции системы.

Чрезмерно большой трансформатор увеличивает:

• Первоначальную стоимость оборудования
• Требования к фундаменту
• Стоимость коммутационного оборудования и кабелей
• Потери холостого хода
• Расходы на плановое техническое обслуживание

Недостаточно мощный трансформатор может заставить зарядные устройства снижать выходную мощность в пиковые периоды. Более длительное время зарядки может снизить оборачиваемость станции и привести к потере клиентов. Цель состоит не в том, чтобы выбрать самый большой возможный трансформатор, а в том, чтобы определить наиболее экономичный номинал, который может безопасно поддерживать фактический рабочий профиль.

2. Две основные конфигурации комплектных трансформаторных подстанций

В проектах зарядки электромобилей обычно используются либо комплектные трансформаторные подстанции сборной конструкции по стандарту IEC (часто называемые комплектными трансформаторными подстанциями европейского типа), либо решение с установкой на фундаментной плите по стандарту IEEE/ANSI.

Наиболее подходящая конфигурация зависит от местного стандарта сети, требований энергокомпании, планировки площадки, стратегии обслуживания и бюджета. HENTG POWER может предоставить комплектные трансформаторные подстанции по стандарту IEC и решения с трансформаторами на фундаментной плите по стандарту IEEE/ANSI с согласованной коммутацией среднего напряжения, трансформатором, защитой и системами распределения низкого напряжения.

Комплектная трансформаторная подстанция европейского типа

Комплектная трансформаторная подстанция европейского типа обычно состоит из трех четко разделенных отсеков:

• Отсек высоковольтного коммутационного оборудования
• Отсек трансформатора
• Отсек распределения низкого напряжения

Конструкция с разделением на отсеки обеспечивает четкие зоны эксплуатации и обслуживания и позволяет отдельно осматривать оборудование среднего напряжения, трансформатор и оборудование низкого напряжения.

Его преимущества включают:

• Четкое функциональное разделение
• Удобный доступ для обслуживания
• Гибкие конфигурации среднего и низкого напряжения
• Более простая замена стандартизированных компонентов
• Более высокая адаптивность к сложным требованиям защиты и учета

Основные недостатки — большая занимаемая площадь, более обширные строительные работы и, как правило, более высокая первоначальная стоимость по сравнению с компактным решением на фундаментной плите аналогичной мощности.

Эта конфигурация часто подходит для:

• Городские зарядные станции у дороги
• Торговые комплексы
• Подземные парковки
• Общественные зарядные узлы
• Проекты, требующие нескольких отходящих линий низкого напряжения
• Объекты со строгими требованиями к доступу для обслуживания

Для подземных установок местные противопожарные нормы могут требовать использования сухого трансформатора, специальной вентиляции, огнестойкой конструкции или дополнительных мер защиты.

Решение с трансформатором на фундаментной плите американского типа

Трансформатор на фундаментной плите американского типа объединяет трансформатор и первичные компоненты коммутации или защиты в компактном, защищенном от несанкционированного доступа корпусе. В зависимости от конфигурации проекта его занимаемая площадь может быть значительно меньше, чем у традиционной комплектной трансформаторной подстанции европейского типа. Он также может снизить требования к фундаменту и упростить монтаж на площадке.

Его преимущества включают:

• Компактная занимаемая площадь
• Меньшие требования к строительным работам
• Сокращенное время монтажа
• Подходящая конфигурация для наружной установки
• Экономически эффективная стандартизированная конструкция
• Совместимость с системами с кольцевой или радиальной подачей

Он обычно применяется в:

• Логистические парки
• Зоны обслуживания на автомагистралях
• Открытые зарядные узлы для парков
• Промышленные объекты
• Распределительные сети Северной и Центральной Америки

Пространство для обслуживания, как правило, более ограничено, поэтому проверка неисправностей и замена компонентов могут потребовать более тщательного планирования. Для мест с интенсивным общественным доступом следует предусмотреть соответствующие безопасные расстояния, ограждения, бесконтактные интерфейсы и конструкцию, защищенную от несанкционированного доступа.

Уровень защиты корпуса

Требуемый класс защиты корпуса зависит от местных стандартов, спецификаций энергокомпании, условий установки и внутреннего оборудования. Для наружного применения IP33 часто рассматривается как базовый эталонный уровень, в то время как IP44 или более высокий рейтинг, специфичный для проекта, может быть предпочтительнее в районах с сильными дождями, высокой влажностью, пылью, солевым туманом или прибрежным воздействием.

HENTG POWER может конфигурировать защиту корпуса, вентиляцию, антикоррозийную обработку и конструкцию окружающей среды в соответствии с местоположением проекта, а не применять один стандартный корпус для каждого объекта.

3. Расчеты мощности для типичных сценариев зарядки

Случай 1: Общественная зарядная станция для легковых автомобилей

На площадке планируется восемь быстрых зарядных устройств постоянного тока мощностью 120 кВт, а энергокомпания одобрила максимальную мощность подключения 1000 кВА.

Поскольку 657 кВА не является стандартным номиналом, может быть выбрана комплектная трансформаторная подстанция европейского типа мощностью 800 кВА.

Эта конфигурация обеспечивает разумный рабочий запас. Если включены достаточные отходящие линии низкого напряжения и интеллектуальная система управления нагрузкой, возможно ограниченное будущее расширение зарядных устройств без замены всей подстанции, в зависимости от фактических данных эксплуатации и одобрения энергокомпании.

Случай 2: Зарядный узел для логистики и тяжелых грузовиков в пригороде

Проект включает десять мощных быстрых зарядных устройств постоянного тока мощностью 250 кВт. Ожидается, что грузовики будут интенсивно заряжаться ночью, поэтому применяется коэффициент одновременности 0,85.

Одна из возможных конфигураций — два трансформатора на фундаментной плите или комплектные трансформаторные подстанции мощностью 1250 кВА.

По сравнению с одним большим трансформатором, двухтрансформаторная схема может предложить:

• Более простую транспортировку и подъем
• Более гибкое обслуживание
• Лучшее управление поэтапной нагрузкой
• Частичную работу станции во время обслуживания одного блока
• Снижение риска полного прерывания дохода

Если трансформаторы работают параллельно на общей шине, их коэффициент трансформации, векторная группа, импеданс, положение ответвлений, защита и характеристики распределения нагрузки должны быть правильно согласованы. Также может быть рассмотрена секционированная шина низкого напряжения, где эксплуатационная непрерывность важнее полного параллельного режима.

Случай 3: Подземная зарядная станция в коммерческом комплексе

Подземная парковка рассчитана на шесть быстрых зарядных устройств постоянного тока мощностью 75 кВт. Прибытие транспортных средств относительно рассредоточено, и применяется коэффициент одновременности 0,50.

Комплектная трансформаторная подстанция мощностью 315 кВА может быть подходящей, в зависимости от местных норм и требуемого типа трансформатора. Индивидуальный низкопрофильный корпус может вместить ограниченную высоту потолка, в то время как раздельные отсеки и согласованная вентиляция могут снизить тепловые риски в замкнутых пространствах.

После определения номинальной мощности трансформатора также необходимо проверить количество и мощность отходящих линий низкого напряжения. Достаточное количество резервных фидеров может значительно упростить добавление зарядных устройств в будущем и снизить потребность в замене всей низковольтной распределительной панели.

4. Детали, влияющие на долгосрочную эксплуатацию

Тепловой режим

Срок службы трансформатора и доступность зарядной станции напрямую связаны с тепловыми характеристиками. Трансформатор, работающий непрерывно при полной нагрузке, генерирует тепло. При недостаточной вентиляции может сработать защита от высокой температуры, вызывая прерывистые отключения зарядных устройств.

Наружные подстанции могут использовать естественные вентиляционные решетки, в то время как принудительная вентиляция может быть добавлена для проектов в жарком климате. Для подземных или закрытых установок конструкция вентиляции подстанции должна быть согласована с системой вентиляции здания или парковки.

HENTG POWER оценивает температуру окружающей среды, солнечное излучение, высоту, размеры корпуса, потери трансформатора и требования к вентиляции при разработке индивидуального теплового проекта.

Кабели, шины и коммутационные устройства

Размеры кабелей, шин, автоматических выключателей и устройств защиты должны выбираться в соответствии с фактической нагрузкой трансформатора и зарядного устройства.

Снижение затрат за счет использования недостаточно мощных автоматических выключателей низкого напряжения или шин может привести к долгосрочному перегреву и старению изоляции. Эти проблемы могут не проявиться во время первоначального ввода в эксплуатацию, но могут привести к частым срабатываниям и увеличению затрат на обслуживание через несколько лет эксплуатации.

Поэтому спецификации проекта должны требовать:

• Компоненты от авторитетных производителей, одобренных проектом
• Соответствие применимым стандартам IEC, IEEE, ANSI, UL, CSA или местным стандартам
• Подтвержденная способность выдерживать короткое замыкание
• Правильная селективность автоматических выключателей и координация защит
• Достаточная пропускная способность шин по току
• Проверка повышения температуры
• Достаточное пространство для кабельных наконечников

Будущее расширение

Многие зарядные станции добавляют больше зарядных устройств через три-пять лет эксплуатации. При наличии достаточной мощности сети резервирование примерно 15-20% мощности и достаточного количества отходящих линий низкого напряжения может продлить срок службы станции.

Дополнительные первоначальные затраты, как правило, намного ниже совокупных расходов на:

• Замена всего трансформатора или подстанции
• Реконструкция фундамента
• Замена кабелей среднего и низкого напряжения
• Модификация коммутационного оборудования
• Повторное прохождение процедур одобрения энергокомпанией
• Приостановка работы станции во время реконструкции

Расстояние от точки подключения к сети

Расстояние между комплектной трансформаторной подстанцией и точкой подключения к сети также влияет на стоимость и эффективность проекта. Чрезмерная длина кабеля увеличивает затраты на закупку кабеля, монтаж и прокладку траншей, падение напряжения, потери мощности и сложность координации защит.

Где это практически возможно, комплектная трансформаторная подстанция должна располагаться близко к утвержденной точке подключения среднего напряжения, обеспечивая при этом безопасный доступ, зазоры для транспортных средств, дренаж, вентиляцию и пространство для обслуживания.

5. Процесс внедрения: от заявки в сеть до ввода в эксплуатацию

1. Подтверждение условий подключения к сети — Подайте предварительную схему зарядной станции и оценку нагрузки в местную энергокомпанию или оператора распределительной сети. Подтвердите одобренную мощность подключения, входящее напряжение, метод подключения, требования к учету, требования к защите и точку интерфейса с энергокомпанией. Применимое напряжение может составлять 10 кВ, 11 кВ, 13,8 кВ, 22 кВ, 33 кВ или другое местное распределительное напряжение.
2. Проведите обследование площадки — Проверьте доступную площадь для установки, условия доступа и подъема, высоту потолка, дренаж, риск затопления, вентиляцию, расстояние для прокладки кабелей, зазоры для обслуживания и условия окружающей среды. Обследование определяет, является ли наиболее подходящей комплектная трансформаторная подстанция по стандарту IEC, решение на фундаментной плите, сухое исполнение или индивидуальный корпус.
3. Рассчитайте фактическую нагрузку зарядки — Проанализируйте схему зарядных устройств, номинальную мощность, тип транспортного средства, график зарядки, коэффициент одновременности, вспомогательные нагрузки, коэффициент мощности, гармоники и ожидаемое будущее расширение. Используйте эти факторы для определения номинальной мощности трансформатора, количества трансформаторов, коммутационного оборудования среднего напряжения, цепей низкого напряжения, класса защиты корпуса, метода вентиляции, защиты и схемы учета.
4. Подготовьте и подайте технические чертежи — Производитель должен подготовить чертеж общего вида, однолинейную схему, чертеж фундамента, план ввода кабелей, технические характеристики оборудования и конфигурацию защиты. Подайте эти документы в энергокомпанию и консультанту проекта до начала производства. HENTG POWER поддерживает проектные группы в подтверждении технических данных, разработке SLD и GA, выборе компонентов, проверке документов и индивидуальном проектировании подстанций.
5. Установите, протестируйте и введите в эксплуатацию — После доставки поднимите оборудование на место, завершите кабельные соединения и проведите тестирование и ввод в эксплуатацию.

Типичные мероприятия по вводу в эксплуатацию включают:

• Механический осмотр
• Кабельные соединения
• Испытание изоляции
• Проверка настроек защиты
• Испытание трансформатора
• Функциональные проверки
• Тестирование системы связи
• Осмотр энергокомпанией
• Окончательный ввод в сеть

Среди всех этапов проекта одобрение подключения к сети и одобрение технических чертежей являются двумя наиболее важными вехами. Раннее предоставление предлагаемых параметров трансформатора и подстанции энергокомпании может значительно сократить цикл одобрения и поддержать своевременный ввод в эксплуатацию.

Заключение

Долгосрочная рентабельность зарядной станции для электромобилей обеспечивается множеством инженерных деталей. Комплектная трансформаторная подстанция, являясь основным активом электроснабжения, не может быть выбрана путем простого сопоставления номинальной мощности трансформатора с общей мощностью зарядных устройств.

Правильное решение требует баланса между:

• Условиями подключения к сети
• Фактической пиковой нагрузкой
• Режимами работы транспортных средств и зарядки
• Ограничениями площадки
• Условиями окружающей среды
• Стратегией обслуживания
• Требованиями к будущему расширению
• Применимыми техническими стандартами

Рекомендуемый подход заключается в том, чтобы сначала определить реалистичную пиковую нагрузку, выбрать подходящую конфигурацию подстанции для площадки и зарезервировать разумный запас для расширения. Это помогает контролировать первоначальные инвестиции, одновременно снижая скрытые потери мощности, снижение мощности зарядных устройств, незапланированные отключения и дорогостоящую будущую реконструкцию.

HENTG POWER предоставляет комплексные решения по трансформаторам и распределению электроэнергии для инфраструктуры зарядки электромобилей, включая комплектные трансформаторные подстанции по стандарту IEC, трансформаторы на фундаментной плите по стандарту IEEE/ANSI, интеграцию коммутационного оборудования среднего напряжения, системы распределения низкого напряжения, координацию защит и индивидуальную инженерную поддержку проектов.