充電站三相不平衡解決方案分析

摘要：主要介紹了充電站工程設計方案及充電站運行過程中存在的三相不平衡問題，提出了兩種解決方案：單相變壓器和電流均衡。這兩種方式均可在負荷可變的情況下，實現整站負荷三相平衡，通過經濟對比分析，選擇了電流均衡方式作為解決三相不平衡問題的推薦方案。

關鍵詞：三相不平衡;單相變壓器;電流均衡

0 引言

目前北京地區已建或即將建設的充電站主要服務于北京地區的電動環衛車和電動出租車，采用的設備為14 kW一樁雙充型交流充電樁。

本文針對三相不平衡問題，提出了單相變壓器和電流均衡兩種解決方案。單相變壓器對三相電流進行整流，再將其逆變為一相交流電，使一相負荷均勻地分配到三相電源側;電流均衡通過電感和電容器組實現不同相間電流轉移，將負荷大的一相的電流分配到其余兩相，實現負荷三相平衡[1]。

1 充電站工程設計方案及存在問題

1.1? ? 充電樁介紹

北京地區已建或將建充電站均采用“北”字型14 kW交流充電樁，充電樁額定輸入電壓380 V，內含非車載充電機2臺，每臺充電機功率7 kW，額定輸出電壓220 V，額定輸出電流32 A。

由圖1可以看出，充電樁輸入為A、B、C三相，線電壓380 V，樁內部為兩個單相負荷，分別使用A、N和B、N，各7 kW;C相提供充電樁工作電源，主要是指示燈、控制電路等，總功率不超過1 kW。

1.2? ? 充電站配電設計方案

由1.1分析可知，若把充電樁作為常規三相負荷，采用三相五線制供電方式，A、B相相電流是C相相電流的7倍以上，即變壓器的最大相負荷是三相負荷平均值的140%（允許值為不大于115%），最小負荷是三相負荷平均值的20%（允許值為不小于85%）。因此，如圖2所示，在充電站的設計過程中，以三個充電樁作為一個負荷單元，由一條電纜供電，第一個充電樁使用AN、BN，第二個充電樁使用BN、CN，第三個充電樁使用AN、CN。這樣，每個負荷單元對應的是平均分配的三相負荷，對于變壓器來說，由于照明等其他負荷所占比例較小，且經過三相平均分配后，其不平衡度也達到了可以接受的范圍。

1.3? ? 存在問題

對于環衛車，其工作模式是白天工作，晚上充電，充電時所有充電樁同時工作。依據1.2的設計，所有樁同時工作時，變壓器三相負荷平衡，設計可以滿足實際運行要求。

對于電動出租車，由于行業的特點，只有在極端情況下才會所有充電樁同時工作;正常情況下，工作的充電樁的數量以及哪些充電樁在工作具有不確定性。

以上設計結合了充電樁的特點，解決了整個充電站所有充電樁同時工作時的三相不平衡問題。對于電動出租車，整個站工作模式具有不確定性，最嚴苛的情況下，可能出現1.2所述最大相負荷達到三相負荷平均值的140%的現象，超出規程要求。

鑒于存在以上問題，下文提出兩種解決方案。

2 解決方案

2.1? ? 解決方案1——單相變壓器

單相變壓器是將三相電源通過電力電子器件進行整流，然后再通過逆變，變為一相交流電，所有充電樁均由逆變后的一相交流電供電[2]。

由圖3可以看出，使用單相變壓器后，不管負荷（充電機）如何變動，任一時刻負荷均可均勻地分配在電源側A、B、C三相中。

2.2? ? 解決方案2——電流均衡

電流均衡是指采用電感和電容器組，實現不同相間電流轉移，最終達到三相平衡的目的。

其原理如下：假如A相電流過大，B、C相的電流較小，則在A、B相并聯一個電容C2，同時在A、C相并聯一個電感。由于電感向后移相90°，電容向前移相90°，這樣A相的電容補償有功電流IaCr轉移成為B相的有功電流IbCr，A相的電感補償有功電流IaLr轉移成為C相的有功電流IcLr，電感電容補償的結果是A相電流減少，而B、C相的電流增加。電感、電容補償后在A相產生的無功電流IaLs和IaCs方向相反（180°），通過控制電感、電容補償電流大小相等，則在A相的無功電流相互抵消。在B相上產生的無功電流為IbCs，通過在B相與零線N之間并聯一個電容，產生一個無功電流IbL1，其方向與IbCs相反，選擇合適的L1電感量，讓IbL1與IbCs大小相等，即可抵消B相上的無功電流。同理，在C相并聯一個電容，可使在C相上產生的無功電流IcLs與IcC1抵消。經過電感和電容組的補償后，三相之間只進行了有功電流的轉移，達到了B、C相補償A相的目的。

由圖4可知，通過在不同相之間并聯電容、電感，可實現電流的轉移，將負荷大的一相電流轉移到負荷小的其他相，最終實現不同相間負荷平衡。此方法可根據負荷實際變動，實時控制電容、電感的投切，保證任一時刻三相負荷平衡[3-4]。

3 經濟對比分析

單相變壓器方案需在現有設計基礎上增加整流裝置一套、逆變裝置一套，同時由于電力電子器件的使用，為了不對公網造成諧波污染，必須增加濾波裝置一套。

電流均衡裝置所需裝置均為電容、電感等器件以及用以投切的接觸器，設備費用較小，且不會對公網造成諧波污染。

因此，從一次性投資和對公網影響的角度出發，選擇電流均衡的方式實現三相平衡更為可取[5-6]。

4 結語

本文結合充電樁的特點，介紹了通過負荷單元分組的形式，解決整站三相不平衡的問題，在此基礎上，針對電動出租車運行的不確定性，提出了兩種能在負荷變動時實現變壓器三相平衡的方案，通過對比分析，最終將電流均衡作為推薦方案。

[參考文獻]

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[3] 楊云龍，王鳳清.配電變壓器三相不平衡運行帶來的附加損耗、電壓偏差及補償方法[J].電網技術，2004（8）：73-76.

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收稿日期：2021-08-20

作者簡介：張冠洲（1985—），男，廣東東莞人，工程碩士，工程師，從事電網調度運行管理工作。