充电站三相不平衡解决方案分析

摘要：主要介绍了充电站工程设计方案及充电站运行过程中存在的三相不平衡问题，提出了两种解决方案：单相变压器和电流均衡。这两种方式均可在负荷可变的情况下，实现整站负荷三相平衡，通过经济对比分析，选择了电流均衡方式作为解决三相不平衡问题的推荐方案。

关键词：三相不平衡;单相变压器;电流均衡

0 引言

目前北京地区已建或即将建设的充电站主要服务于北京地区的电动环卫车和电动出租车，采用的设备为14 kW一桩双充型交流充电桩。

本文针对三相不平衡问题，提出了单相变压器和电流均衡两种解决方案。单相变压器对三相电流进行整流，再将其逆变为一相交流电，使一相负荷均匀地分配到三相电源侧;电流均衡通过电感和电容器组实现不同相间电流转移，将负荷大的一相的电流分配到其余两相，实现负荷三相平衡[1]。

1 充电站工程设计方案及存在问题

1.1    充电桩介绍

北京地区已建或将建充电站均采用“北”字型14 kW交流充电桩，充电桩额定输入电压380 V，内含非车载充电机2台，每台充电机功率7 kW，额定输出电压220 V，额定输出电流32 A。

由图1可以看出，充电桩输入为A、B、C三相，线电压380 V，桩内部为两个单相负荷，分别使用A、N和B、N，各7 kW;C相提供充电桩工作电源，主要是指示灯、控制电路等，总功率不超过1 kW。

1.2    充电站配电设计方案

由1.1分析可知，若把充电桩作为常规三相负荷，采用三相五线制供电方式，A、B相相电流是C相相电流的7倍以上，即变压器的最大相负荷是三相负荷平均值的140%（允许值为不大于115%），最小负荷是三相负荷平均值的20%（允许值为不小于85%）。因此，如图2所示，在充电站的设计过程中，以三个充电桩作为一个负荷单元，由一条电缆供电，第一个充电桩使用AN、BN，第二个充电桩使用BN、CN，第三个充电桩使用AN、CN。这样，每个负荷单元对应的是平均分配的三相负荷，对于变压器来说，由于照明等其他负荷所占比例较小，且经过三相平均分配后，其不平衡度也达到了可以接受的范围。

1.3    存在问题

对于环卫车，其工作模式是白天工作，晚上充电，充电时所有充电桩同时工作。依据1.2的设计，所有桩同时工作时，变压器三相负荷平衡，设计可以满足实际运行要求。

对于电动出租车，由于行业的特点，只有在极端情况下才会所有充电桩同时工作;正常情况下，工作的充电桩的数量以及哪些充电桩在工作具有不确定性。

以上设计结合了充电桩的特点，解决了整个充电站所有充电桩同时工作时的三相不平衡问题。对于电动出租车，整个站工作模式具有不确定性，最严苛的情况下，可能出现1.2所述最大相负荷达到三相负荷平均值的140%的现象，超出规程要求。

鉴于存在以上问题，下文提出两种解决方案。

2 解决方案

2.1    解决方案1——单相变压器

单相变压器是将三相电源通过电力电子器件进行整流，然后再通过逆变，变为一相交流电，所有充电桩均由逆变后的一相交流电供电[2]。

由图3可以看出，使用单相变压器后，不管负荷（充电机）如何变动，任一时刻负荷均可均匀地分配在电源侧A、B、C三相中。

2.2    解决方案2——电流均衡

电流均衡是指采用电感和电容器组，实现不同相间电流转移，最终达到三相平衡的目的。

其原理如下：假如A相电流过大，B、C相的电流较小，则在A、B相并联一个电容C2，同时在A、C相并联一个电感。由于电感向后移相90°，电容向前移相90°，这样A相的电容补偿有功电流IaCr转移成为B相的有功电流IbCr，A相的电感补偿有功电流IaLr转移成为C相的有功电流IcLr，电感电容补偿的结果是A相电流减少，而B、C相的电流增加。电感、电容补偿后在A相产生的无功电流IaLs和IaCs方向相反（180°），通过控制电感、电容补偿电流大小相等，则在A相的无功电流相互抵消。在B相上产生的無功电流为IbCs，通过在B相与零线N之间并联一个电容，产生一个无功电流IbL1，其方向与IbCs相反，选择合适的L1电感量，让IbL1与IbCs大小相等，即可抵消B相上的无功电流。同理，在C相并联一个电容，可使在C相上产生的无功电流IcLs与IcC1抵消。经过电感和电容组的补偿后，三相之间只进行了有功电流的转移，达到了B、C相补偿A相的目的。

由图4可知，通过在不同相之间并联电容、电感，可实现电流的转移，将负荷大的一相电流转移到负荷小的其他相，最终实现不同相间负荷平衡。此方法可根据负荷实际变动，实时控制电容、电感的投切，保证任一时刻三相负荷平衡[3-4]。

3 经济对比分析

单相变压器方案需在现有设计基础上增加整流装置一套、逆变装置一套，同时由于电力电子器件的使用，为了不对公网造成谐波污染，必须增加滤波装置一套。

电流均衡装置所需装置均为电容、电感等器件以及用以投切的接触器，设备费用较小，且不会对公网造成谐波污染。

因此，从一次性投资和对公网影响的角度出发，选择电流均衡的方式实现三相平衡更为可取[5-6]。

4 结语

本文结合充电桩的特点，介绍了通过负荷单元分组的形式，解决整站三相不平衡的问题，在此基础上，针对电动出租车运行的不确定性，提出了两种能在负荷变动时实现变压器三相平衡的方案，通过对比分析，最终将电流均衡作为推荐方案。

[参考文献]

[1] 朱永强，刘文华，邱东刚，等.基于单相STATCOM的不平衡负荷平衡化补偿的仿真研究[J].电网技术，2003，27（8）：42-45.

[2] 叶伟杰.江西电网配电变压器三相不平衡综合治理措施研究[D].南昌：南昌大学，2013.

[3] 杨云龙，王凤清.配电变压器三相不平衡运行带来的附加损耗、电压偏差及补偿方法[J].电网技术，2004（8）：73-76.

[4] 王茂海，孙元章.通用瞬时功率理论在三相不平衡负荷补偿中的应用[J].中国电机工程学报，2003，23（11）：56-59.

[5] 王晴.三相负荷不平衡调整开关及其应用[J].农村电气化，2011（8）：5.

[6] 朱永强，刘文华，宋强，等.D-STATCOM不平衡负荷补偿电流的优化设计[J].电力系统自动化，2005，29（8）：65-70.

收稿日期：2021-08-20

作者简介：张冠洲（1985—），男，广东东莞人，工程硕士，工程师，从事电网调度运行管理工作。