论文：一种自适应的三相交流充电桩

2019-01-11

摘要

本文阐述了一种带换相开关的三相交流充电桩。包括变压器和主控开关，所述变压器的输出端分别与多台电动汽车交流充电桩连接；所述主控开关为变压器的输出侧设置的集采样、运算、通信、人机交互、智能组网、平衡逻辑算法于一体的智能控制装置；每台所述电动汽车三相交流桩的电源进线处分别设置换相开关，它是集采样、运算、通信、相序切换功能于一体的智能投切装置。本发明有效的解决了三相交流充电桩引起的电力系统三相不平衡问题，减小三相交流桩输出单相时对电力配电网系统的危害。

关键字：充电桩；新能源汽车；三相不平衡

1.背景

近年来，国家大力扶持和推广新能源汽车的应用，随着国家鼓励政策的不断出台，电动汽车行业得到迅猛的发展，因此，购置与建设电动汽车充电设备、电动汽车充电设施也成为政府及相关业主的必然需求[1]。作为电动汽车产业的重要一环，充电桩建设是电动汽车大规模发展的关键[2]。

目前我国充电设备主要以交流桩为主，交流充电桩是为新能源汽车车载充电机提供安全、可靠地交流电源的供电设备。它分为单相交流桩和三相交流桩，适用于占地面积有限，可以较长时间慢速充电的场合，例如私人别墅、住宅小区、商业写字楼、城市综合体等停车场或城市公共充电站等。据中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，我国的随车私人充电桩数量约为16.76万个，目前全国的交流桩有30%为三相交流充电桩[3]。

2.三相交流桩对电网的影响

三相交流桩是可以支持单相插座或三相插座的新能源车充电。[4]例如10kW的三相交流桩，输出电压为 380V，输出电流为16A；当单相插座的新能源车前来充电时，它的输出电压就变成220V，输出电流为16A，实际输出的功率只有3.5kW。这样就产生了一个问题：当三相交流充电桩只启动单相充电时，需要供电的L1相[5-7]电流瞬间提供大电流，引起电力系统中三相电流幅值不一致。电网中的不平衡电流会增加线路及变压器的铜损，还会增加变压器的铁损，降低变压器的出力，甚至会影响变压器的安全运行，最终造成三相电压的不平衡[8]。

三相负载不平衡问题对电力系统、用户供电等都带来了严重的危害。主要表现在以下几个方面：

1. 增加变压器损耗；

2. 增加线路损耗；

3. 配变出力减小，降低了配变利用率；

4. 变压器发热，严重时甚至会烧毁变压器；

5. 容易导致过压、低压，影响用电设备的正常工作；

3.解决方案

本文提出了一种带换相开关的三相交流充电桩系统来解决上述问题。它包括变压器、主控开关和三相交流桩，变压器的输出端分别与多台电动汽车交流充电桩连接；主控开关为变压器的输出侧设置的集采样、运算、通信、人机交互、智能组网、平衡逻辑算法于一体的智能控制装置；每台三相交流桩的电源进线处分别设置换相开关，它是集采样、运算、通信、相序切换功能于一体的智能投切装置。该系统有效的解决了三相交流充电桩引起的电力系统三相不平衡问题，减小三相交流桩输出单相时对电力配电网系统的危害。

3.1运行说明

如下图所述换相开关可安装在三相交流充电桩的柜体内部或者外部；所述的主控开关和换相开关之间采用电力载波或无线模块通信；所述换相开关与充电枪之间采用CAN通信。每台变压器里面的全部充电桩系统只需配一台主控开关，每台三相交流充电桩配一台换相开关。

变压器的输出侧安装一台主控开关，负责监测三相不平衡信息，并下发调节命令；每台三相交流充电桩电源进线处安装换相开关（换相开关实际是安装在三相交流桩的L1相线处，根据GBT 20234.2-2015 《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》要求[7]，规定当三相交流桩输出单相时，只输出L1相线），换相开关常闭状态L1相与A相连接，L2与B相连接，L3与C相连接，当新能源车充电时，换相开关监测充电枪的负荷信息，当检测到L2相与L3相无输出时，判断此时交流充电桩的输出为单相，并根据主控开关下发的换相命令进行相应换相操作。

3.2工作原理

基于数学递归逻辑的平衡算法原理，当主控开关监测到自身支路的不平衡度超过设定值时，就会启动平衡逻辑算法。当主控开关运算出最优策略后，会命令该支路中的换相开关进行相应的换相操作，从而实现本支路三相平衡。即可实现变压器三相平衡。

工作时，主控开关负责实时采集变压器三相电的运行负荷电流，用户可以通过手机APP软件利用WIFI与主控开关连接，对其进行调试巡检。换相开关监测充电枪的负荷信息并实时接收主控开关传输过来的各相电流信号，当单相插座的新能源汽车开始启动充电时，换相开关检测到L2相与L3相无输出时，判断此时交流充电桩的输出为单相，并将可以进行换相操作的指令发送给主控开关。主控开关检测到变压器输出侧电流最小的那一相电源，并对换相开关下发换相命令进行相应换相操作，从而实现变压器的三相平衡。

4.结论

在倡导低碳出行的现今社会，电动汽车获得越来越多消费者的青睐，电动汽车的充电配套设施的也在逐步完善，而充电安全也渐渐受到人们的重视，电网的安全可靠性更是关乎着民生问题。本文提出的自适应三相交流充电桩不但可以解决三相交流桩引起的电网三相不平衡难题，也可以解决单相交流桩引起的电网三相不平衡问题。相信在未来的日子，充电桩对电网影响的问题会逐步被解决。

参考文献

[1] 鲁莽,周小兵,张维.国内外电动汽车充电设施发展状况研究.[J], 2010,23(5):16-17.

[2] 潘熙,李芳.电动汽车充电设施的设计与建设[J].电力需求侧管理,2012,14(2).

[3] 国家能源局.中国电动汽车充电基础设施促进联盟年报[R].北京，2017

[4] 马河祥．电动汽车交流充电控制技术[D]．南京：南京理工大学，2012

[5] GB/T 18487.1-2015 电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求

[6] GB/T 20234.1-2015 电动汽车传导充电连接装置第1部分：通用要求

[7] GB/T 20234.2-2015 电动汽车传导充电连接装置第2部分：交流充电接口

[8] 孙海滨.一种充电桩电网平衡自动选相装置[P].中国，201710040793.3,2017

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