分布式光伏與電動汽車廣泛接入對配電臺區(qū)影響及 一種三相不平衡主動控制方案

張澄　施健　秦大瑜　劉曉偉　李德洋　田丁

摘 要：本文分析了分布式光伏和電動汽車大量接入對低壓配電臺區(qū)負荷分配的影響，在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于負荷相序平衡的配網(wǎng)三相不平衡主動調(diào)控策略，為配電臺區(qū)治理三相不平衡提供一種解決思路，提升配電臺區(qū)供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：分布式光伏 電動汽車 配電臺區(qū) 三相不平衡 主動控制

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）03-0-03

引言

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，分布式光伏和電動汽車的應(yīng)用愈加廣泛，其帶來的電能質(zhì)量問題也愈加嚴重。由于分布式光伏和電動汽車具有較大的負荷波動性，其大量接入會導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)出現(xiàn)嚴重的三相不平衡問題，大大降低配電線路的電能質(zhì)量[1，2]。

本文通過分析分布式光伏與電動汽車大量單相接入對低壓配電臺區(qū)三相不平衡的影響，提出一種基于主動負荷調(diào)控系統(tǒng)的低壓配電臺區(qū)三相不平衡在線治理方法，在不影響用戶供電可靠性的條件下，實現(xiàn)整個配電臺區(qū)三相負荷平衡。為促進分布式光伏的就地平衡消納，提高配電臺區(qū)電能質(zhì)量，有效降低線路損耗，解決分布式光伏和電動汽車的廣泛接引起的三相不平衡問題提供了一種新思路。

一、布式光伏和電動汽車單相接入對配電臺區(qū)負荷分配的影響

1.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的分類及對配網(wǎng)的影響

接入電網(wǎng)的光伏電源主要有兩種基本形式：一是單點統(tǒng)一光伏體系（比方說容量較大的光伏電站）；二是多點散布光伏體系，比方說家庭運用的光伏電源體系。對于特大聯(lián)網(wǎng)光伏電站來說，就如同某一發(fā)電廠，其出現(xiàn)的電能運輸至公共電網(wǎng)之上，靠電網(wǎng)共同分配，達到全部電網(wǎng)的無功、有功均衡。因為光伏電源要求在構(gòu)建的時候投進眾多資本，跟以前的發(fā)電形式比起來，在發(fā)電實效上依舊存在相當(dāng)大的距離，使得發(fā)電成本始終很高，當(dāng)前各國采取了各類貼補舉措，然而它的競爭力依舊比以其它的發(fā)電形式低許多。基于家庭房屋光伏發(fā)電體系而言，重點是全部電量均上網(wǎng)還有主要自用、所剩上網(wǎng)兩類形式。依照電網(wǎng)之內(nèi)潮流的的運動趨向來區(qū)分，并網(wǎng)型光伏發(fā)電體系主要是兩種，具體而言是非逆潮流體系及逆潮流體系。

在光伏發(fā)電體系里面，當(dāng)所發(fā)的電能整體符合所帶負荷且存在眾多所剩的時候，如果體系屬于逆潮流體系，那么可以把所剩的電能售賣地方電網(wǎng)從而得到經(jīng)濟效益。為給顧客供應(yīng)更平穩(wěn)的電力系統(tǒng)，光伏電源體系跟電力公司的公備電網(wǎng)加以并網(wǎng)運轉(zhuǎn)，當(dāng)外輸功率難以符合這一地區(qū)用電負荷的時候，靠公用電網(wǎng)運輸電能，當(dāng)外輸功率比這一地區(qū)的用電負荷大的時候，能夠給公用電網(wǎng)贈送電能。

光伏并網(wǎng)對配電臺區(qū)的影響主要體現(xiàn)在：

1.1光伏發(fā)電功率具有波動性，會使線路的負荷潮流發(fā)生變化，加大電網(wǎng)正常運行時的電壓調(diào)整難度，使得原有的調(diào)壓方案不一定能滿足光伏發(fā)電站接入后的電網(wǎng)電壓要求；

1.2電網(wǎng)電壓波動和閃變主要由光伏電站中機組的開停機、出力隨一次能源波動變化而變化，以及發(fā)電站補償電容器投切造成；

1.3光伏電站發(fā)電容量占電網(wǎng)內(nèi)總發(fā)電量比例逐步增大后，可能導(dǎo)致電網(wǎng)頻率出現(xiàn)波動，對用戶和電力系統(tǒng)本身造成不良后果。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，按照逆變后的相數(shù)可以分成單相并網(wǎng)系統(tǒng)或三相并網(wǎng)系統(tǒng)，單相系統(tǒng)多應(yīng)用在比較分散光伏電源，如家用光伏系統(tǒng)。當(dāng)大量單相分布式光伏系統(tǒng)接入低壓配電網(wǎng)的同一相時，會造成嚴重的三相不平衡問題，降低配電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

2.電動汽車充電負荷影響因素及對配網(wǎng)的影響

制約電動汽車電力需要的元素重點涵蓋著電池特征、充電形式、顧客日常習(xí)慣等，困難就是充電負荷的時空不明確性。

2.1電池特性

目前早已投進市場的電動汽車重點涵蓋兩個趨向，容量不是很大，續(xù)航里程較短的小型車輛及承載眾多電池組續(xù)航距離廣泛相當(dāng)長的公交車，兩個類別的電池特征不一樣，充電形式也不一樣，當(dāng)下廣泛運用的充電形式是恒功率及恒壓恒流兩類，最良充電率通常處于0.2C-2.0C之間變化。

因為電池容量在某種意義上制約充電性征及產(chǎn)出成本，容量不大的電池更容易獲得推廣。對于電動私家車來說，其電池參數(shù)能夠依照市面上非常有名的豐田RAVA4、比亞迪F3DM等車型整體挑選，電池實際容量是30 kW·h，每100 km耗電為15kW·h，常態(tài)充電功率是3.0kW，原初容量是10%，充電功率因數(shù)是0.95，充電實際效率是95%。

2.2充電模式

當(dāng)下電動車充電形式依照充電時日狀況可區(qū)分成三類：正常充電，迅速充電及置換電池。對于充電功率來說，處在迅速充電及正規(guī)充電間的，還有半迅速充電形式，電動汽車充電功率具體見表1所示：

①常規(guī)充電

正常充電形式，也就是慢速充電。徑直借助一般用電進行充電，屬于當(dāng)下相當(dāng)廣泛的充電形式，通常要求5-8小時，依照充電機功率的狀況而具體確立。這個充電類別相當(dāng)符合家庭運用。借助家庭電路可以承擔(dān)的外輸電流給一般家用轎車充電，電流外輸大致是10-15A，充滿電池所需的時間大致是6個來小時。有關(guān)的原裝花費及運轉(zhuǎn)花費跟別的類型比起來非常低，充電的時候單純一臺電機功率跟外輸電流基于電網(wǎng)沒有較大的影響。這一充電電流一般有助于提升充電實效及增加電池的運用壽限。

②快速充電

正常充電屬于最安全也最合理的充電形式，然而，大部分狀況下，正常充電時間相當(dāng)長，對部分驟然的緊急狀況難以第一時間回應(yīng)，所以就要求有效地思考迅速充電。

短時快充符合緊急狀況，充電的電流非常大，通常是150-400A，屬于在電動汽車不再運行的非常短的時間（20min-2h）里借助一般形式幾倍的充電電流，讓電動汽車的電池電量迅速實現(xiàn)80%之上，給電動汽車的接連運行奠定基礎(chǔ)。電流太大的時候，會對有關(guān)電力設(shè)施點出較高的規(guī)定，所以跟一般充電機比起來，這一類別充電機在起初的構(gòu)建及運轉(zhuǎn)投資成本均相當(dāng)高。對于短時充電站來說，它能夠在電動汽車不再啟動的十幾分鐘到幾小時的時間范疇里，給大家供應(yīng)迅速便捷的充電服務(wù)。如此的充電站一般構(gòu)建于停車時間非常短的公共區(qū)域，比方說購物超市、醫(yī)院、餐館、酒店、旅游景點及會議區(qū)域等。

③更換電池

更換電池屬于當(dāng)下非常合理的充電形式，能夠借助白日有效運用，黑夜統(tǒng)一充電的形式，來實現(xiàn)均衡峰谷的效果。如此能夠借助價格較低的慢速充電形式，與之同步縮減帶給電網(wǎng)的撞擊。車輛行駛里要求時常對電池進行更換，充電站能夠?qū)τ陔妱悠嚰半姵剡M行迅速化、科學(xué)化剝離。

2.3客戶日常習(xí)慣

使用電動汽車人員的上下班時間、使用習(xí)性還有指引策略等衡量了客戶充電時日。不一樣的充電時日基于電網(wǎng)的制約差別非常大，假如在峰荷階段加以充電，會增加電網(wǎng)擔(dān)負，而假如在非峰荷階段加以充電，會縮減充電基于電網(wǎng)的撞擊，甚至起到削峰填谷的作用。如果對電動汽車充電不加以控制或引導(dǎo)，大量電動汽車將于工作日的下午4點～6點之間開始充電，導(dǎo)致此時充電負荷迅速增加，可能會顯著增大配電系統(tǒng)網(wǎng)損，并惡化電能質(zhì)量；反之，夜間充電則可以減輕上述負面影響，增加基荷機組的利用率。

由于大多數(shù)大規(guī)模電動汽車充放電設(shè)施還在建設(shè)之中，尚無法得到有關(guān)我國電動汽車行駛情況的充分而可靠的歷史數(shù)據(jù)，考慮到電動汽車的首要使用價值（交通工具）與傳統(tǒng)汽車并無差別，因此，可以假定其與傳統(tǒng)汽車具有相同的日行駛里程分布規(guī)律，由此計算出電動汽車的充電時間。

2.4充電負荷曲線

根據(jù)用途，汽車能夠區(qū)分成乘用車及商用車兩種類型。商用車區(qū)分成輕型商用車（具體指3.5噸之下，涵蓋著輕客、小型環(huán)衛(wèi)車、輕卡等噸位不大的商用汽車）以及中重型商用車（具體指3.5噸之上的商用汽車，涵蓋著大卡、大客、大中型環(huán)衛(wèi)車、公交等）；乘用車區(qū)分成出租車別的乘用車兩種類型。區(qū)分成把出租車當(dāng)做協(xié)助、私家車當(dāng)做主體的乘用車及公交車當(dāng)做典范的商用車。乘用車運用及充電靈便性、隨機性相當(dāng)大，借助之前的闡述，構(gòu)建起它的充電負荷模型。公交車充電舉動同行駛距離規(guī)律相近，都較為有序，易實現(xiàn)時間調(diào)控，通過實測數(shù)據(jù)建立得到負荷特性曲線。

隨著電動汽車的推廣，電動汽車并網(wǎng)對主動配電網(wǎng)經(jīng)濟運行的影響也是不容忽視的。這些影響主要包括：

①負荷的增加

對電動汽車進行充電，這會使得負荷增加，假如眾多電動汽車統(tǒng)一在負荷高峰階段進行充電，會逐步增加電網(wǎng)負荷峰谷差，增加電力體系的擔(dān)負。

②電網(wǎng)運轉(zhuǎn)優(yōu)化把控困難的加大

電動汽車客戶用車舉動及充電間散布的不明確性，讓電動汽車充電負荷具備相當(dāng)大的隨機性，這會增加電網(wǎng)把控的困難。

③制約電能品質(zhì)

對于電動汽車充電負荷來說，這隸屬非線性負荷，所運用的電力電子設(shè)施會出現(xiàn)某種諧波，或許導(dǎo)致電能品質(zhì)情況。

④對配電網(wǎng)計劃點明新規(guī)定

在配電網(wǎng)里面，加大許多充電設(shè)備還有眾多電動汽車進行充電，會轉(zhuǎn)變配電網(wǎng)負荷構(gòu)造及性能，以前的配電網(wǎng)計劃標(biāo)準(zhǔn)或許無法適用于電動汽車大規(guī)模接入的情景。目前，電動汽車能源供給模式可分為三種類型：慢速充電、快速充電、電池組快速更換。由于私家車在居民住宅小區(qū)內(nèi)的獨立或公共停車場停放時間較長，通常采用常規(guī)的慢速充電方式充電。對于家用電動汽車來說，多數(shù)用戶會在下班之后到夜晚這段時間內(nèi)對電動汽車進行慢速充電。當(dāng)大量用戶集中在同一時間內(nèi)充電時會造成配電系統(tǒng)三相中的其中一相負荷增加，繼而導(dǎo)致三相不平衡問題的出現(xiàn)。

3.三相不平衡對配電網(wǎng)的危害

電力系統(tǒng)配電網(wǎng)由于分布式光伏和電動汽車的單相大量接入，其三相不平衡運行情況更為常見。根據(jù)對稱分量法，當(dāng)三相電流或電壓不對稱時，其電流、電壓里就會存在正、負序及零序分量。三相負載不平衡運行對配電網(wǎng)以及電氣設(shè)備的危害主要有：

3.1增加了變壓器的損耗，降低了變壓器的出力

配電變壓器帶三相不對稱負載運行的損耗可以看成三個單相變壓器的損耗之和。配電變壓器在相同輸出容量時，其不對稱運行工況使變壓器的損耗增大。一般來說變壓器各相繞組是按對稱運行工況進行設(shè)計制造，即每一相的結(jié)構(gòu)都相同，所以變壓器的最大出力必然受到負載最大相容量的限制，因此變壓器在不對稱運行工況下的出力將受到很大制約。

3.2三相輸出電壓不平衡，對用電設(shè)備造成損害

當(dāng)變壓器三相負載不對稱時其各相電流也不一樣，因此各相電壓降在變壓器內(nèi)部也不同。負載大的一相電壓降會變大，負載小的一相電壓降會變小，因此會引起三相電壓不對稱，此時若零線接地不符合要求則中性點就會產(chǎn)生飄移。三相負載不對稱程度越嚴重造成的各相相電壓不對稱程度也越嚴重，使得負載不能正常工作，造成電氣設(shè)備使用壽命的縮短，甚至發(fā)生燒毀事故。

3.3增加了配電線路的損耗，浪費巨大能量

由于電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的有功損耗與線路上流過的電流平方成正比，當(dāng)輸送相同容量的電能時，不平衡運行所產(chǎn)生的線路損耗會比平衡運行時產(chǎn)生的線損高出很多，帶來許多不必要的功率損耗，造成電能的巨大浪費。

二、三相負荷不平衡主動調(diào)控

1.三相不平衡負荷主要調(diào)控方法

目前治理配電臺區(qū)三相不平衡負荷主要方法包括兩大類。第一類是人工離線負荷調(diào)節(jié)，執(zhí)行監(jiān)管者借助用電資料搜集體系或者對客戶負荷加以實際測驗，第一時間把握負荷分配及配變臺區(qū)三相負荷不均衡狀況，接下來確立客戶負荷調(diào)節(jié)措施，借助停電的形式對配變臺區(qū)里一些客戶負荷加以調(diào)節(jié)，實現(xiàn)把低壓路線諸相上的負荷均衡匹配的意圖。因為用電負荷的不明確性及隨意性，靠著人工難以依照現(xiàn)實負荷不均衡現(xiàn)狀加以在線隨時調(diào)節(jié)，只可以在某種意義上下降配變臺區(qū)三相負荷不均衡的不正常狀況。第二類為三相負荷不對稱調(diào)補，涵蓋著用電負荷不對稱調(diào)補及配變相間無功償補兩類舉措。所謂配變相間無功償補，具體指在配電變壓器低壓一端，借助相間無功償補形式調(diào)節(jié)三相負荷不均衡現(xiàn)狀。所謂用電負荷不對稱調(diào)補，具體指借助把某一合理償補網(wǎng)絡(luò)根負載并聯(lián)起來，將中性點不接地、不均衡及線性的負載改變?yōu)閱挝还β室驍?shù)一樣且負荷均衡的三相有功負荷，在加以無功償補的時候，償補三相負荷不均衡，要求加大并聯(lián)償補設(shè)施，重點基于大用電負荷[3，4]。

2.三相負荷不均衡主動調(diào)控應(yīng)具備的主要功能

為了解決人工換相無法平均分配三相負荷從而導(dǎo)致三相負荷不平衡問題，本文提出一種三相不平衡在線治理方法，以達到延長三相負荷平衡時間的目的。采用負荷相序平衡的方法，即在不改變配網(wǎng)原有框架結(jié)構(gòu)的前提下，對不平衡負荷或者饋線進行負荷調(diào)控，使負荷平均分配到各相上，平衡低壓線路電流，解決偏負荷相電流大壓降高的問題，提高末端電壓、降低線路損耗。

根據(jù)智能配電的要求，主動負荷調(diào)控須滿足下面幾點功能：①任意性。配電臺區(qū)中三相負荷不平衡產(chǎn)生于居民用電舉動的差別性及隨意性，假如讓三相負荷較大可能地實現(xiàn)均衡，那么客戶用電負荷的相序必然可以在A、B、C三相間隨意調(diào)節(jié)。②實時性，配電區(qū)域客戶用電負荷伴隨著時間改變而改變，用電舉動也伴隨著各類背景要素變化，所以負荷調(diào)節(jié)要具有可以實時對用電負荷相序調(diào)節(jié)的作用。③在線性，假如在對客戶用電負荷相序加以調(diào)節(jié)的時候，給客戶產(chǎn)生了停電問題，就算短暫停電，也會制約民眾的常態(tài)生活用電，下降了供電穩(wěn)定性。所以，用電負荷相序調(diào)節(jié)的時候，理應(yīng)達到在線調(diào)節(jié)作用。④微撞擊，當(dāng)給客戶用電負荷相序加以調(diào)節(jié)控制的時候，理應(yīng)盡最大限度下降換相運作給用電側(cè)電網(wǎng)產(chǎn)生的撞擊。⑤經(jīng)濟性，相應(yīng)的負荷調(diào)控裝置應(yīng)該具備成本低、維護簡單。

3.負荷調(diào)控開關(guān)陣列設(shè)置

每戶家庭接進相序要求依照其用電舉動的變化而加以調(diào)節(jié)，所以每家客戶的配電箱進線的地方設(shè)立靠3個分別匹配A、B、C三相的單相復(fù)合按鈕的按鈕矩陣。當(dāng)客戶負荷相序要求在A、B、C三相間隨意調(diào)節(jié)的時候，能夠驅(qū)動磁維持繼電器的把控訊號及電力電子元件的觸發(fā)脈沖訊號，進一步對復(fù)合按鈕模塊加以把控，調(diào)節(jié)相序，這恰恰符合了隨意性的規(guī)定。隨意客戶負荷支路，在常態(tài)運轉(zhuǎn)的時候只是接進相線上的磁維持繼電器屬于導(dǎo)通的現(xiàn)狀，除此之外兩相上的磁維持繼電器均屬于斷開的現(xiàn)狀，A、B、C三相上的電力電子按鈕均屬于斷開的現(xiàn)狀。

假定調(diào)節(jié)前某一客戶用電相序是A相，目前要求把其相序自A相調(diào)節(jié)至B相，實際環(huán)節(jié)是：第一，合上A相上的電力電子按鈕，斷掉A相上的磁維持繼電器按鈕；第二，合上B相上的電力電子按鈕，把A相上的客戶電流自A相調(diào)節(jié)至B相；第三，導(dǎo)通B相上的磁維持繼電器，再把B相的電力電子按鈕斷掉。根據(jù)這一換相環(huán)節(jié)，能夠?qū)蛻粲秒娯摵葾、B、C三相里的隨意兩相加以相序調(diào)節(jié)。上面調(diào)節(jié)歷程里并無停電情況，實現(xiàn)了在帶負載現(xiàn)狀下用電負荷相序調(diào)節(jié)的在線性，且相序調(diào)節(jié)歷程里達到無縫換相，確保了按鈕導(dǎo)通期并無大浪涌，下降了換相調(diào)節(jié)基于電網(wǎng)的撞擊，達到了微撞擊性及在線性效果，提升了客戶用電品質(zhì)及供電穩(wěn)定性。

4.主動負荷調(diào)控功能實現(xiàn)

主動負荷調(diào)控終端通過實時監(jiān)控配變低壓側(cè)出口三相電流不均衡現(xiàn)狀，依照三相電流不均衡度限值評判有關(guān)制約基礎(chǔ)，符合構(gòu)設(shè)基礎(chǔ)那么實施換相計劃；接下來依照實時搜尋的配變低壓側(cè)出口三相電流及諸負荷支路的電流及相序資料，借助優(yōu)化算法加以運算，獲得諸低壓負荷在線自主調(diào)控的最優(yōu)調(diào)控指令；最后使開關(guān)根據(jù)控制指令可靠開合動作，在不需要停電的狀態(tài)下完成諸負荷支路不同相序之間的轉(zhuǎn)換。

低壓負荷在線自主調(diào)控終端功能單元如圖1呈現(xiàn)。重點涵蓋數(shù)據(jù)現(xiàn)狀資料搜集、整體研究評判及最佳換相指令運算等作用模塊。

4.1實時數(shù)據(jù)采集單元：關(guān)聯(lián)配電變壓器，搜羅配電變低壓側(cè)電流等資料，且跟實時通信模塊關(guān)聯(lián)。

4.2實時通信單元：借助跟低壓負荷在線自主調(diào)節(jié)按鈕的通訊調(diào)，實時搜羅諸負荷支路的相序、電流等資料；且把最佳調(diào)節(jié)把控指令遞傳至諸低壓負荷在線自主調(diào)節(jié)按鈕。

4.3三相電流不平衡度生成單元：關(guān)聯(lián)實時數(shù)據(jù)采集單元，依照實時搜羅的配變低壓側(cè)電流資料確立實時三相電流不均衡度。

4.4綜合分析判斷單元：跟實時三相電流不均衡度確立模塊關(guān)聯(lián)，把實時三相電流不均衡度跟預(yù)先設(shè)立的三相電流不均衡度限值加以分析且確立結(jié)論，且評判有關(guān)制約條件，衡量是不是推行換相運作。

4.5最佳換相指令計算單元：依照實時搜羅的配電變壓器低壓側(cè)電流及諸負荷支路的相序、電流等資料，借助優(yōu)化算法展開優(yōu)化運算，獲得諸低壓負荷在線最佳負荷調(diào)節(jié)把控命令。

結(jié)論

本文通過分析分布式光伏與電動汽車大量單相接入對低壓配電臺區(qū)三相不平衡的影響，提出一種基于主動負荷調(diào)控系統(tǒng)的低壓配電臺區(qū)三相不平衡在線治理技術(shù)。

通過面向分布式光伏與電動汽車大量接入的智能配電臺區(qū)主動控制技術(shù)研究，可促進分布式光伏的就地平衡消納，提高配電臺區(qū)電能質(zhì)量，有效降低線路損耗，解決分布式光伏和電動汽車的廣泛接引起的三相不平衡問題。主動控制技術(shù)可有效降低人工調(diào)相的人力成本，同時促進供電企業(yè)修改和完善相關(guān)的管理制度、規(guī)定及流程，進一步提高供電企業(yè)的規(guī)范化管理水平。

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作者簡介：張澄（1966-），男，江蘇常州人，漢族，高級工程師，高級技師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化方向。