量化電動汽車充電對家庭電力系統的影響

電動汽車(EV)的廣泛使用需要精心規劃公共區域的充電基礎設施建設，并輔以中長期戰略，以使電網適應不斷增長的電力需求。然而，當電動汽車直接通過家用插座充電時，對本地設施的影響遠非可以忽略不計。

家用充電會給家庭電力系統帶來顯著的干擾，包括中性線電流升高和電壓波動。這些干擾會影響家用設備的穩定性和使用壽命。因此，隨著越來越多的電動汽車上路，了解這些不平衡如何影響住宅電力基礎設施的運行、安全性和可靠性至關重要。

電動汽車充電器類型

盡管電池充電需要直流電，但電動汽車充電器主要分為交流(AC)和直流(DC)兩大類。

交流充電器通常安裝在住宅和公共場所，因為這些場所直接連接到交流電網，車輛的車載充電器(OBC)負責將交流電轉換為直流電。

相比之下，高功率直流快速充電器依賴于外部轉換器，并安裝在公共充電站。它們的分布位置差異很大——從慢速的住宅充電樁到超快速充電站——反映了不同的使用模式和需求。

由于社會、經濟、人口和環境因素的差異，公共充電站的分布并不均勻。像美國加利福尼亞州這樣的富裕地區通常擁有高密度的充電樁。新型專用充電站也在改變基礎設施格局，逐漸取代用于加油和充電的傳統加油站。

由于目前大多數電動汽車駕駛員的日常通勤距離相對較短，因此家庭和住宅充電仍然是最常見的選擇。低功率、慢速充電器足以滿足日常駕駛需求，但高容量充電系統的普及更具吸引力，尤其是在許多家庭需要進行成本高昂的升級改造的情況下。

公寓樓的情況尤為特殊，電動汽車充電樁的部署面臨著額外的技術和財務挑戰。共享的基礎設施會降低充電容量，并導致高昂的改造成本。

很多時候，建筑物缺乏同時支持多臺電動汽車充電的能力，從而導致變壓器過載、電壓下降和加速磨損等問題。

其他因素也會產生影響。駕駛員的行為會顯著影響高峰需求和負荷規劃，而電動汽車充電器(類似于非線性負載)會給系統引入諧波失真和電壓不平衡。研究表明，魯棒的設計、合理的負荷處理和基礎設施的改進是確保電力質量符合運行標準的關鍵。

一項實際案例研究

在最近發表的一篇論文^[1]中，作者研究了位于泰國曼谷的一處公寓的實際案例。

這項研究填補了技術文獻的空白，對典型住宅環境中電動汽車充電的影響進行了定量分析，并在標準條件下以相位不平衡、異常中性線電流和諧波失真等指標呈現了結果。研究結果強調了制定具體技術指導和新法規的必要性，以確保電動汽車的普及應用更加安全。

測量設置

被測電動汽車充電器安裝在停車場的專用區域。它連接到標準的交流配電系統(230V單相，400V三相)，并由一個40A斷路器保護。該系統在單相和三相運行時分別可處理7.4kW和22kW的功率，并具有內置保護功能。

測量使用符合EN50160標準的HT Italia PQA823三相電能質量分析儀進行。

這款專業儀器可測量并記錄電流-電壓均方根值、有功/無功/視在功率、功率因數、頻率以及高達49次諧波分析。該儀器還能顯示波形和直方圖。為了精確評估充電期間電能質量的變化，研究人員以60秒為間隔，在兩周時間內記錄數據。

“時間密度”分布圖使研究人員能夠識別出下午6點至晚上10點之間的用電高峰時段，這與典型的下班后充電時間表相符。此外，還觀察到周末用電情況更加多樣化。這些行為分析結果有助于準確解讀普通住宅公寓的負荷曲線和電能質量。

負荷曲線分析

傳統的公寓式建筑電氣設計會根據用電需求來確定設備容量，但僅基于此因素的預測并未包含電動汽車充電帶來的額外負荷。因此，分析電動汽車充電時的電壓和電流波形對于評估其對基礎設施的影響至關重要。

電壓分析

三相(V₁、V₂、V₃)的平均電壓通常表現穩定。然而，記錄到電壓驟降至接近零或電壓增幅超出正常范圍的情況，尤其是在V₁和V₂相。

這些異常情況表明負載不平衡或充電器運行不當。

電流行為

在充電周期中，峰值電流會急劇上升，尤其是在單相充電時。這表明能量需求增加。

當電動汽車電池停止充電時，系統恢復到穩定狀態，此時電流消耗極低。單相充電比三相充電需要更大的電流，導致電流分布不均。

同樣重要的是，第2相和第3相中出現的零星尖峰表明負載分布不平衡，進而導致諧波失真。

系統影響

充電期間的高電流會對變壓器、導體和電壓調節器造成壓力，從而縮短其使用壽命。

相位不平衡會引發電壓失真，降低電能質量，并影響連接的設備。高電流相中導體的過度發熱會增加火災隱患。

相比之下，不充電周期有助于系統穩定，并通過降低壓力來減少維護頻率。

功率分析

功耗是另一個問題，因為它可能超過住宅電氣系統設計的最大容量。

對總有功功率的分析揭示了充電周期和非充電周期之間的不對稱性：在充電周期中，由于充電器的額外負載，功率峰值可達12kW；而在非充電周期中，待機運行仍然會消耗額外的功率，盡管水平要低得多。

單相充電(占觀測數據的大部分)的功率消耗為3.5kW至4.3kW，峰值為7.2kW，接近其最大容量(7.4kW)。三相充電的功率消耗遠低于22kW的額定值。值得注意的是，某些車型內置了充電功率限制。

總體而言，測得的功率曲線揭示了不同的充電習慣，并強調了建設能夠應對峰值負載和高度波動需求的電力基礎設施的必要性。

相位不平衡

電動汽車充電會對住宅配電系統造成不均勻且波動的負載，從而導致單相和三相充電器的功耗曲線不同。

在三相住宅電力系統中，平衡狀態下各相電流相等(每相相差120°)，使得它們的矢量和(即中性線電流)幾乎為零。

然而，單相充電(最普遍的充電方式)會造成不平衡，因為只有一相的負載遠大于其他相。這會導致中性線電流升高和電壓不平衡。

充電期間，電壓不平衡峰值達到2.18%，導致導體發熱、絕緣性能下降，并增加其他設備的靈敏度?？梢酝ㄟ^相負載監測、可配置的相分配、合適的中性線尺寸以及更智能的充電控制來解決這些問題。

諧波失真

諧波失真是指實際電壓或電流波形由于頻率分量的影響而偏離純正弦波的程度。它可以表示為總諧波失真(THD)，它量化了總能量在各種諧波中的分布情況。

作者發現，在日常用電模式引起的周期性重復下，電壓失真保持在2.6%以下。

在充電期間，電壓THD略有增加，尤其是在V₁和V₂相，其累積效應可能會隨著時間的推移降低系統性能。

圖1顯示了電壓THD的分布和累積出現情況，說明了失真如何集中在典型工作值附近，以及特定失真水平出現的頻率。

圖1：電壓THD的分布和累積頻率。(來源：[1])

該研究還表明，I₁、I₂和I₃相的電流THD值在15%至20%以上時會急劇上升，尤其是在單相運行期間。

由于負載分布不平衡和電流消耗不規律，I₂相的波動最大，峰值THD也最高。相間不平衡會導致中性線電流增大，從而放大整體影響。

另一個需要關注的問題是諧波諧振，即某些頻率分量被放大，導致過電壓以及連接設備和電器出現其他故障。

這些諧波會導致變壓器、導體和中性線過熱，還會導致計量誤差以及與附近通信系統產生電磁干擾(EMI)問題。

有效的緩解措施可能包括諧波濾波、優化負載平衡，以及在容量有限或老舊建筑中安裝電動汽車充電器時評估諧波的影響。

結論

結果表明，電動汽車充電器的電流消耗受其運行模式(單相或三相)的影響，其中單相模式是用戶的主要使用方式。這種主導地位會加劇相位不平衡，增加中性線電流，并加劇與電能質量、電壓畸變和整體系統穩定性相關的風險。

未來若能結合住宅類型、用戶模式和環境條件進行研究，將有助于更全面地了解住宅電力系統在更實際的場景下如何響應電動汽車充電。

參考文獻

1. Chiradeja, P., Chuadmee, O., Ananwattanaporn, S., Sottiyaphai, C., & Ngaopitakkul, A. (2025). Evaluating Effects of Electric Vehicle Chargers on Residential Power Infrastructure. Applied Sciences, 15(11), 5997. https://doi.org/10.3390/app15115997

(原文刊登于EE Times姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：Quantifying Effects of EV Charging On Household Power Systems，由Franklin Zhao編譯。)

本文為《電子工程專輯》2026年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。