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(shè)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(fù)荷可變的情況下，實現(xiàn)整站負(fù)荷三相平衡，通過經(jīng)濟(jì)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(guān)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(qū)已建或即將建設(shè)的充電站主要服務(wù)于北京地區(qū)的電動環(huán)衛(wèi)車和電動出租車，采用的設(shè)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(jìn)行整流，再將其逆變?yōu)橐幌嘟涣麟姡挂幌嘭?fù)荷均勻地分配到三相電源側(cè);電流均衡通過電感和電容器組實現(xiàn)不同相間電流轉(zhuǎn)移，將負(fù)荷大的一相的電流分配到其余兩相，實現(xiàn)負(fù)荷三相平衡[1]。

1 充電站工程設(shè)計方案及存在問題

1.1? ? 充電樁介紹

北京地區(qū)已建或?qū)⒔ǔ潆娬揪捎谩氨薄弊中?4 kW交流充電樁，充電樁額定輸入電壓380 V，內(nèi)含非車載充電機(jī)2臺，每臺充電機(jī)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(nèi)部為兩個單相負(fù)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(shè)計方案

由1.1分析可知，若把充電樁作為常規(guī)三相負(fù)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(fù)荷是三相負(fù)荷平均值的140%（允許值為不大于115%），最小負(fù)荷是三相負(fù)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(shè)計過程中，以三個充電樁作為一個負(fù)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(fù)荷單元對應(yīng)的是平均分配的三相負(fù)荷，對于變壓器來說，由于照明等其他負(fù)荷所占比例較小，且經(jīng)過三相平均分配后，其不平衡度也達(dá)到了可以接受的范圍。

1.3? ? 存在問題

對于環(huán)衛(wèi)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(jù)1.2的設(shè)計，所有樁同時工作時，變壓器三相負(fù)荷平衡，設(shè)計可以滿足實際運行要求。

對于電動出租車，由于行業(yè)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(shù)量以及哪些充電樁在工作具有不確定性。

以上設(shè)計結(jié)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(yán)苛的情況下，可能出現(xiàn)1.2所述最大相負(fù)荷達(dá)到三相負(fù)荷平均值的140%的現(xiàn)象，超出規(guī)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(jìn)行整流，然后再通過逆變，變?yōu)橐幌嘟涣麟姡谐潆姌毒赡孀兒蟮囊幌嘟涣麟姽╇奫2]。

由圖3可以看出，使用單相變壓器后，不管負(fù)荷（充電機(jī)）如何變動，任一時刻負(fù)荷均可均勻地分配在電源側(cè)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(xiàn)不同相間電流轉(zhuǎn)移，最終達(dá)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(lián)一個電容C2，同時在A、C相并聯(lián)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(bǔ)償有功電流IaCr轉(zhuǎn)移成為B相的有功電流IbCr，A相的電感補(bǔ)償有功電流IaLr轉(zhuǎn)移成為C相的有功電流IcLr，電感電容補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是A相電流減少，而B、C相的電流增加。電感、電容補(bǔ)償后在A相產(chǎn)生的無功電流IaLs和IaCs方向相反（180°），通過控制電感、電容補(bǔ)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(chǎn)生的無功電流為IbCs，通過在B相與零線N之間并聯(lián)一個電容，產(chǎn)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(lián)一個電容，可使在C相上產(chǎn)生的無功電流IcLs與IcC1抵消。經(jīng)過電感和電容組的補(bǔ)償后，三相之間只進(jìn)行了有功電流的轉(zhuǎn)移，達(dá)到了B、C相補(bǔ)償A相的目的。

由圖4可知，通過在不同相之間并聯(lián)電容、電感，可實現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)移，將負(fù)荷大的一相電流轉(zhuǎn)移到負(fù)荷小的其他相，最終實現(xiàn)不同相間負(fù)荷平衡。此方法可根據(jù)負(fù)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(fù)荷平衡[3-4]。

3 經(jīng)濟(jì)對比分析

單相變壓器方案需在現(xiàn)有設(shè)計基礎(chǔ)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(wǎng)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(shè)備費用較小，且不會對公網(wǎng)造成諧波污染。

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

4 結(jié)語

本文結(jié)合充電樁的特點，介紹了通過負(fù)荷單元分組的形式，解決整站三相不平衡的問題，在此基礎(chǔ)上，針對電動出租車運行的不確定性，提出了兩種能在負(fù)荷變動時實現(xiàn)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(xiàn)]

[1] 朱永強(qiáng)，劉文華，邱東剛，等.基于單相STATCOM的不平衡負(fù)荷平衡化補(bǔ)償?shù)姆抡嫜芯縖J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（8）：42-45.

[2] 葉偉杰.江西電網(wǎng)配電變壓器三相不平衡綜合治理措施研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2013.

[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(bǔ)償方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004（8）：73-76.

[4] 王茂海，孫元章.通用瞬時功率理論在三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23（11）：56-59.

[5] 王晴.三相負(fù)荷不平衡調(diào)整開關(guān)及其應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化，2011（8）：5.

[6] 朱永強(qiáng)，劉文華，宋強(qiáng)，等.D-STATCOM不平衡負(fù)荷補(bǔ)償電流的優(yōu)化設(shè)計[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（8）：65-70.

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(wǎng)調(diào)度運行管理工作。