分布式光伏與電動汽車廣泛接入對配電臺區影響及 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負荷分配的影響，在此基礎上，提出了一種基于負荷相序平衡的配網三相不平衡主動調控策略，為配電臺區治理三相不平衡提供一種解決思路，提升配電臺區供電質量。

關鍵詞：分布式光伏 電動汽車 配電臺區 三相不平衡 主動控制

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

引言

隨著電網的快速發展，分布式光伏和電動汽車的應用愈加廣泛，其帶來的電能質量問題也愈加嚴重。由于分布式光伏和電動汽車具有較大的負荷波動性，其大量接入會導致低壓配電網出現嚴重的三相不平衡問題，大大降低配電線路的電能質量[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三相不平衡的影響，提出一種基于主動負荷調控系統的低壓配電臺區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，實現整個配電臺區三相負荷平衡。為促進分布式光伏的就地平衡消納，提高配電臺區電能質量，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負荷分配的影響

1.光伏并網發電系統的分類及對配網的影響

接入電網的光伏電源主要有兩種基本形式：一是單點統一光伏體系（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。對于特大聯網光伏電站來說，就如同某一發電廠，其出現的電能運輸至公共電網之上，靠電網共同分配，達到全部電網的無功、有功均衡。因為光伏電源要求在構建的時候投進眾多資本，跟以前的發電形式比起來，在發電實效上依舊存在相當大的距離，使得發電成本始終很高，當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電形式低許多。基于家庭房屋光伏發電體系而言，重點是全部電量均上網還有主要自用、所剩上網兩類形式。依照電網之內潮流的的運動趨向來區分，并網型光伏發電體系主要是兩種，具體而言是非逆潮流體系及逆潮流體系。

在光伏發電體系里面，當所發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從而得到經濟效益。為給顧客供應更平穩的電力系統，光伏電源體系跟電力公司的公備電網加以并網運轉，當外輸功率難以符合這一地區用電負荷的時候，靠公用電網運輸電能，當外輸功率比這一地區的用電負荷大的時候，能夠給公用電網贈送電能。

光伏并網對配電臺區的影響主要體現在：

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

1.2電網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，以及發電站補償電容器投切造成；

1.3光伏電站發電容量占電網內總發電量比例逐步增大后，可能導致電網頻率出現波動，對用戶和電力系統本身造成不良后果。對于光伏發電系統來說，按照逆變后的相數可以分成單相并網系統或三相并網系統，單相系統多應用在比較分散光伏電源，如家用光伏系統。當大量單相分布式光伏系統接入低壓配電網的同一相時，會造成嚴重的三相不平衡問題，降低配電網的供電質量。

2.電動汽車充電負荷影響因素及對配網的影響

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，續航里程較短的小型車輛及承載眾多電池組續航距離廣泛相當長的公交車，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，常態充電功率是3.0kW，原初容量是10%，充電功率因數是0.95，充電實際效率是95%。

2.2充電模式

當下電動車充電形式依照充電時日狀況可區分成三類：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，屬于當下相當廣泛的充電形式，通常要求5-8小時，依照充電機功率的狀況而具體確立。這個充電類別相當符合家庭運用。借助家庭電路可以承擔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。有關的原裝花費及運轉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，正常充電時間相當長，對部分驟然的緊急狀況難以第一時間回應，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80%之上，給電動汽車的接連運行奠定基礎。電流太大的時候，會對有關電力設施點出較高的規定，所以跟一般充電機比起來，這一類別充電機在起初的構建及運轉投資成本均相當高。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，給大家供應迅速便捷的充電服務。如此的充電站一般構建于停車時間非常短的公共區域，比方說購物超市、醫院、餐館、酒店、旅游景點及會議區域等。

③更換電池

更換電池屬于當下非常合理的充電形式，能夠借助白日有效運用，黑夜統一充電的形式，來實現均衡峰谷的效果。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的撞擊。車輛行駛里要求時常對電池進行更換，充電站能夠對于電動汽車及電池進行迅速化、科學化剝離。

2.3客戶日常習慣

使用電動汽車人員的上下班時間、使用習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的制約差別非常大，假如在峰荷階段加以充電，會增加電網擔負，而假如在非峰荷階段加以充電，會縮減充電基于電網的撞擊，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，大量電動汽車將于工作日的下午4點～6點之間開始充電，導致此時充電負荷迅速增加，可能會顯著增大配電系統網損，并惡化電能質量；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。

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

2.4充電負荷曲線

根據用途，汽車能夠區分成乘用車及商用車兩種類型。商用車區分成輕型商用車（具體指3.5噸之下，涵蓋著輕客、小型環衛車、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、大中型環衛車、公交等）；乘用車區分成出租車別的乘用車兩種類型。區分成把出租車當做協助、私家車當做主體的乘用車及公交車當做典范的商用車。乘用車運用及充電靈便性、隨機性相當大，借助之前的闡述，構建起它的充電負荷模型。公交車充電舉動同行駛距離規律相近，都較為有序，易實現時間調控，通過實測數據建立得到負荷特性曲線。

隨著電動汽車的推廣，電動汽車并網對主動配電網經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一在負荷高峰階段進行充電，會逐步增加電網負荷峰谷差，增加電力體系的擔負。

②電網運轉優化把控困難的加大

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大的隨機性，這會增加電網把控的困難。

③制約電能品質

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施會出現某種諧波，或許導致電能品質情況。

④對配電網計劃點明新規定

在配電網里面，加大許多充電設備還有眾多電動汽車進行充電，會轉變配電網負荷構造及性能，以前的配電網計劃標準或許無法適用于電動汽車大規模接入的情景。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內的獨立或公共停車場停放時間較長，通常采用常規的慢速充電方式充電。對于家用電動汽車來說，多數用戶會在下班之后到夜晚這段時間內對電動汽車進行慢速充電。當大量用戶集中在同一時間內充電時會造成配電系統三相中的其中一相負荷增加，繼而導致三相不平衡問題的出現。

3.三相不平衡對配電網的危害

電力系統配電網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。根據對稱分量法，當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以及電氣設備的危害主要有：

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計制造，即每一相的結構都相同，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，對用電設備造成損害

當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，造成電氣設備使用壽命的縮短，甚至發生燒毀事故。

3.3增加了配電線路的損耗，浪費巨大能量

由于電流通過導體產生的有功損耗與線路上流過的電流平方成正比，當輸送相同容量的電能時，不平衡運行所產生的線路損耗會比平衡運行時產生的線損高出很多，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控

1.三相不平衡負荷主要調控方法

目前治理配電臺區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節，執行監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三相負荷不均衡狀況，接下來確立客戶負荷調節措施，借助停電的形式對配變臺區里一些客戶負荷加以調節，實現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實負荷不均衡現狀加以在線隨時調節，只可以在某種意義上下降配變臺區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補，涵蓋著用電負荷不對稱調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節三相負荷不均衡現狀。所謂用電負荷不對稱調補，具體指借助把某一合理償補網絡根負載并聯起來，將中性點不接地、不均衡及線性的負載改變為單位功率因數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，要求加大并聯償補設施，重點基于大用電負荷[3，4]。

2.三相負荷不均衡主動調控應具備的主要功能

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，即在不改變配網原有框架結構的前提下，對不平衡負荷或者饋線進行負荷調控，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。

根據智能配電的要求，主動負荷調控須滿足下面幾點功能：①任意性。配電臺區中三相負荷不平衡產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三相間隨意調節。②實時性，配電區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，所以負荷調節要具有可以實時對用電負荷相序調節的作用。③在線性，假如在對客戶用電負荷相序加以調節的時候，給客戶產生了停電問題，就算短暫停電，也會制約民眾的常態生活用電，下降了供電穩定性。所以，用電負荷相序調節的時候，理應達到在線調節作用。④微撞擊，當給客戶用電負荷相序加以調節控制的時候，理應盡最大限度下降換相運作給用電側電網產生的撞擊。⑤經濟性，相應的負荷調控裝置應該具備成本低、維護簡單。

3.負荷調控開關陣列設置

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

假定調節前某一客戶用電相序是A相，目前要求把其相序自A相調節至B相，實際環節是：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相調節至B相；第三，導通B相上的磁維持繼電器，再把B相的電力電子按鈕斷掉。根據這一換相環節，能夠對客戶用電負荷A、B、C三相里的隨意兩相加以相序調節。上面調節歷程里并無停電情況，實現了在帶負載現狀下用電負荷相序調節的在線性，且相序調節歷程里達到無縫換相，確保了按鈕導通期并無大浪涌，下降了換相調節基于電網的撞擊，達到了微撞擊性及在線性效果，提升了客戶用電品質及供電穩定性。

4.主動負荷調控功能實現

主動負荷調控終端通過實時監控配變低壓側出口三相電流不均衡現狀，依照三相電流不均衡度限值評判有關制約基礎，符合構設基礎那么實施換相計劃；接下來依照實時搜尋的配變低壓側出口三相電流及諸負荷支路的電流及相序資料，借助優化算法加以運算，獲得諸低壓負荷在線自主調控的最優調控指令；最后使開關根據控制指令可靠開合動作，在不需要停電的狀態下完成諸負荷支路不同相序之間的轉換。

低壓負荷在線自主調控終端功能單元如圖1呈現。重點涵蓋數據現狀資料搜集、整體研究評判及最佳換相指令運算等作用模塊。

4.1實時數據采集單元：關聯配電變壓器，搜羅配電變低壓側電流等資料，且跟實時通信模塊關聯。

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

4.3三相電流不平衡度生成單元：關聯實時數據采集單元，依照實時搜羅的配變低壓側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聯，把實時三相電流不均衡度跟預先設立的三相電流不均衡度限值加以分析且確立結論，且評判有關制約條件，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電流及諸負荷支路的相序、電流等資料，借助優化算法展開優化運算，獲得諸低壓負荷在線最佳負荷調節把控命令。

結論

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三相不平衡的影響，提出一種基于主動負荷調控系統的低壓配電臺區三相不平衡在線治理技術。

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主動控制技術研究，可促進分布式光伏的就地平衡消納，提高配電臺區電能質量，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。主動控制技術可有效降低人工調相的人力成本，同時促進供電企業修改和完善相關的管理制度、規定及流程，進一步提高供電企業的規范化管理水平。

參考文獻

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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及其自動化方向。