电动汽车充电器和住宅电能质量——为期两周的实地研究
| 地点 | 住宅公寓 — 曼谷, 泰国 |
| 测量持续时间 | 两周连续现场测量 |
| 电动汽车充电器类型 | 单相电平 2 交流充电器 (主导使用模式) |
| 电压不平衡 | 平均的 0.535% · 顶峰 2.18% 主动充电期间 |
| 充电时电流THD | 15–20% — 较基线显着增加 |
| 中性线电流 | 显着——由单相负载主导驱动 |
| 基础设施条件 | 改装 - 最初并非为电动汽车充电负载设计 |
| 主要发现 | 单相电动汽车充电会造成相位不平衡和谐波注入，而现有住宅布线的设计无法解决这一问题 |
01 背景和背景
全球范围内电动汽车的采用正在加速, 随之而来的是一系列电能质量挑战，大多数住宅配电基础设施的设计从未能够应对这些挑战. Ngaopitakkul 进行的实地研究 (2025) 朱拉隆功大学研究了曼谷真实住宅公寓中部署电动汽车充电器对 PQ 的影响, 泰国——电动汽车普及速度快于电力基础设施升级速度的城市.[1]
这项研究特别相关，因为它解决了最常见的现实世界场景: 单相水平改造住宅基础设施 2 安装在个人停车位或车库的交流充电器, 没有协调的负载管理. 这不是一个具有平衡三相充电和智能负载控制的专用电动汽车设施，而是一栋多单元住宅楼的现有电气系统，面临着原始设计中没有预料到的新一代高功率非线性负载.
电动汽车充电器给配电网络带来的挑战与大多数 PQ 文献中主导的工业谐波问题在性质上有所不同. 工业谐波源集中, 可预测的, 并且经常接受公用事业连接研究. 住宅电动汽车充电器已分布, 随机, 并在从未设计用于吸收显着谐波或不平衡负载的点处连接到低压网络. A utility engineer planning distribution upgrades needs field data from exactly this type of setting.
02 测量方法
A two-week continuous field measurement campaign was conducted at the condominium’s electrical distribution panel. The measurement duration is important: EV charging behaviour varies with time of day, day of week, and individual resident patterns. A two-week dataset captures the variability that a single-day or single-event measurement would miss, and provides a statistically meaningful characterisation of the PQ impact under realistic usage conditions.[1]
The following parameters were measured and analysed:
- Load profiles — current demand versus time, revealing charging patterns
- Current and voltage waveforms — three-phase RMS values and waveform capture during charging events
- Phase symmetry — distribution of charging load across the three phases
- 谐波失真 — current THD analysis during active charging and at baseline
- 电压不平衡 — quantified using the maximum deviation method (没有定义): maximum deviation of any phase voltage from the three-phase mean, 除以平均值
- 中性线电流 — magnitude and waveform during charging events
This study used the NEMA maximum deviation method for voltage unbalance, which requires only phase voltage magnitudes. The IEC symmetrical components method (ratio of negative-sequence to positive-sequence voltage) is more rigorous but requires phasor measurements. For small unbalances below approximately 3%, both methods give similar numerical results. The peak unbalance of 2.18% reported in this study would be close to the EN 50160 limit of 2% 根据任一定义——使发现与北美和 IEC 实践相关.[2]
03 主要发现
测量的 PQ 参数
| 范围 | 基线 (不充电) | 电动汽车主动充电期间 | 标准限值 | 地位 |
|---|---|---|---|---|
| 电流总谐波失真 | 低——正常住宅基线 | 15–20% | IEEE 519: 5–8% TDD 和 LV PCC | 高架 |
| 电压不平衡 (平均) | 以下 0.5% | 0.535% 平均 | IN 50160: ≤ 2% (95% 一周的) | 限制内 |
| 电压不平衡 (高峰) | 以下 0.5% | 2.18% 高峰 | IN 50160: ≤ 2% (95% 一周的) | 极限 |
| 中性线电流 | 低的 | 显着升高 | 没有直接限制——评估风险 | 监视器 |
| 相负载对称性 | 大致平衡 | 单相主导 | 设计中假设的平衡负载 | 不平衡 |
| 源: 恩高皮达古 (2025).[1] 两周实地测量, 曼谷公寓. 通过 NEMA 最大偏差法测量电压不平衡. | ||||
单相充电占主导地位——不平衡问题的根源
最重要的行为发现是单相充电完全主导了观察到的使用模式. 居民用单相电平 2 交流充电器, 连接到他们的停车位恰好由哪个阶段提供服务——没有任何跨阶段的协调. 结果是负载高度不平衡，该负载随同时充电的居民数量以及他们所处的阶段而变化.[1]
这不是电动汽车充电器的技术限制——三相充电器存在并且会对称分配负载. 这是住宅电动汽车充电在实践中如何部署的结果: 个别单位, 个人充电器, 没有系统级协调, 连接到停车场层可用的任何单相分支.
该公寓的电力基础设施最初并不是为电动汽车充电负载设计的. 在改造后的建筑物中, 设计限制往往会加剧电动汽车充电的影响: 中性线尺寸适合 EV 前负载, 配电盘无闲置容量, 以及未针对高电流幅度和显着谐波含量的组合进行设计的布线. 今天设计的考虑到电动汽车充电的建筑将具有根本不同的电气架构——三相充电器, 管理充电系统, 超大中性色, 以及从一开始就包括电动汽车负载的配电容量评估.
04 技术分析
作为非线性负载的电动汽车充电器
电动汽车车载充电器采用开关模式电源转换——交流电源经过整流，然后由高频开关转换器进行调节，以向电池提供所需的直流电流. 这使得电动汽车充电器成为非线性负载，以脉冲形式而不是正弦曲线吸收电流, 将谐波电流注入供电网络. 主要谐波次数取决于转换器拓扑, 但第三, 第五, 和七次谐波是单相充电器的典型谐波.[1]
当前充电过程中测得的 THD 值为 15-20%，与公布的住宅级数据一致 2 不带主动功率因数校正的交流充电器. 具有有源前端 PFC 电路的现代充电器可以实现以下 THD 5%, 但这些并没有统一部署在现有的住宅电动汽车充电人口中.
相位不平衡——中性电流的后果
当单相负载在一相或两相上占主导地位时, 三相系统变得不平衡. 在四线系统中, 中性导体承载三相电流的矢量和——在平衡正弦条件下为零. 在本研究中观察到的不平衡单相电动汽车充电条件下, 中性电流变得很大, 在尺寸适合小得多电流的导体上产生热负荷. 这与医院 PQ 案例研究中讨论的三重谐波中性过载的机制相同 - 不同的根本原因, 中性导体也有同样的结果.
电压不平衡 — EN 处峰值 50160 限制
平均电压不平衡度 0.535% 完全在 EN 范围内 50160 limit of 2%. 然而, 的顶峰 2.18% 在同一相的同时充电事件期间接近并暂时超过限制. 对于公用事业工程师, 这很重要: IN 50160 合规性评估为一周观察期内 95% 的统计数据——一个晚上的单一峰值事件本身并不构成不合规. 但这表明，随着电动汽车在建筑物中的渗透率增加, 峰值不平衡量将成比例增加, 统计分布将向极限移动.
拥有十几个电动汽车充电器的单一公寓会在 EN 附近产生峰值不平衡 50160 限制. 为十座此类建筑物提供服务的配电馈线（这在任何积极采用电动汽车的城市地区都是一个现实的近期场景）可能会产生超过低压馈线水平限制的持续不平衡，而没有任何单个建筑物违反其连接条件. 这是一个网络级 PQ 规划问题，需要在馈线级进行监控, 不仅在个人客户联系中.
05 建议
该研究确定了以下针对电动汽车住宅系统的工程措施:[1]
- 三相电动汽车充电器 — 在所有三相上对称分配充电电流, 从源头上消除单相不平衡问题. 适用于新安装和重大改造
- 协调负载管理 (智能充电) — 控制充电时间表以避免同一阶段同时出现高峰需求, 降低峰值电流, 并允许使用时间管理. 需要建筑能源管理系统和充电器通信能力
- 阶段分配规划 — 用于单相充电器安装, 故意将充电器分配到建筑物的交替相位以平衡负载. 需要对所有停车位的阶段分配进行盘点
- 中性导体评估 — 审查并扩大单相电动汽车充电负载集中的中性导体. 电动汽车出现之前的建筑中的中性导体的尺寸是根据平衡负载假设来确定的，但该假设不再成立
- 有源谐波滤除 — 如果充电器组无法更换为配备 PFC 的装置, 配电盘上的中央有源谐波滤波器可以将 THD 降低到可接受的水平
- 部署前的配电容量研究 — 任何增加电动汽车充电的住宅建筑都应在安装充电器之前进行潮流和 PQ 影响研究, 不是在问题出现之后
在任何资本支出之前, 最直接且零成本的缓解措施是阶段分配规划. 审核哪一相为哪些停车位提供服务，并特意将新的电动汽车充电器连接分配给负载最小的相，无需任何成本，并且可以直接减少峰值不平衡. 并不能解决谐波问题, 但它无需资本成本即可解决中性线电流过载和电压不平衡的主要原因.
06 电能质量视角
本案例研究代表了一类 PQ 问题，该问题的频率和严重程度在未来十年只会增加: 将新的高功率非线性负载改造到专为完全不同的负载情况而设计的配电基础设施上. 电动车充电器, 热泵, 和电池存储系统都连接到住宅和商业建筑，其电气系统是为白炽灯照明而设计的, 电阻加热, 和线性电机负载.
从公用事业分配规划的角度来看, 这项研究中最重要的发现不是单个建筑物的编号 - 15-20% THD, 2.18% 峰值不平衡. 这些在单个建筑规模上是可以管理的. 规划关注的是总体: 当同一低压馈线上的大部分家庭和公寓部署不协调充电的单相电动汽车充电器时, 馈线级不平衡和谐波失真可能达到影响馈线上所有客户的水平, 不仅仅是电动汽车充电大楼.
公用事业工程师的职业生涯一直致力于管理来自工业负载的谐波和来自配电馈线的电容器开关瞬变，现在他们面临着分布式, 同一问题的住宅规模版本——由于电动汽车采用的速度以及单个充电器层面缺乏公用事业可视计量而放大. 传统实用 PQ 工具箱 — PCC 测量, IEEE 519 合规性研究, 适用于大型工业客户的谐波滤波器规格 — 并非为数百万用户而设计 7 分布在低压网络中的千瓦住宅负荷. 新的监控策略, 新的规划工具, 住宅电动汽车充电的新连接条件都在积极开发中. 这项来自曼谷的实地研究是该行业迫切需要建立的数据集中的一个数据点.
参考文献
- 恩高皮塔库A. “评估电动汽车充电器对住宅电力基础设施的影响。” 应用科学, 飞行. 15, 不. 11, p. 5997, 2025. DOI: 10.3390/应用程序15115997. CC BY 下的开放获取 3.0.
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
- IEEE StD里 519-2022. 电力系统谐波控制 IEEE 标准. IEEE, 纽约, 纽约, 2022.
- 否 MG-1-2021. 电机和发电机 — 电压不平衡定义. 全国电气制造商协会, 罗斯林, VA.
恩高皮塔库A. “评估电动汽车充电器对住宅电力基础设施的影响。” 应用科学, 15(11), 5997, 2025.
DOI: 10.3390/应用程序15115997 · 阅读 MDPI 上的原始文章 →
在 CC BY 下发布开放获取 3.0. 本案例研究以总结和评论的形式呈现. PQ 视角部分 (部分 6) 是 Denis Ruest 的 IPQDF 原创编辑评论, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.