考慮低壓光儲接入的醫院園區三相不平衡控制策略

李 鵬，吳 湛，張詩建

（1.南方醫科大學南方醫院，廣州 510515；2.廣州南方電力集團電器有限公司，廣州 510285）

0 引言

三相不平衡問題是配變臺區一直以來面臨的難題，配變三相不平衡運行將加劇運行損耗，影響配電網安全運行［1-2］。而習主席在2020年聯合國峰會上提出“碳達峰、碳中和”的鄭重承諾，國家和地方政府出臺了許多政策推動綠色能源發展，其中分布式光伏及儲能發展迅猛［3-4］。醫院園區由于具有較好的屋頂資源，為分布式光伏接入創造了良好條件，而分布式光伏及儲能接入后的本地電流倒送，更大地加劇了園區配電網三相不平衡問題。

面對臺區三相不平衡問題，許多專家學者開展了研究，已產生了豐富的研究成果，鐘偉［5］以電流不平衡度為評估指標，仿真分析了三相不平衡的影響因素。王春蘅［6］提出了一種低壓利用負荷預測及聚類算法進行控制時段劃分，采用優化算法進行換相開關相別的優化。楊成鋼［7］設計了固態智能換相開關的拓撲結構、工作模式和控制方法，完成了低壓配電網智能換相監控系統。范瑞祥［8］提出一種基于多指標決策的臺區不平衡治理措施優選方法。通過分析適用各治理措施的臺區特征進行治理策略優選。鄧國豪［9］提出了一種基于負荷-電量轉移評價指標的臺區三相不平衡治理方法，構建用于換相用戶和換相相序選擇的評估指標，實現三相不平衡的治理。傅穎［10］提出兼顧通信條件差異的自決策控制，在通信良好時采用集中控制，通信缺失時才有就地控制，萬玉良［11］分析了投切電容器型、換相開關型和VSC換流器型等三相不平衡治理設備，為現場實際應用提供參考。但上述方法均沒有考慮分布式光伏及儲能接入對配電網三相不平衡的影響，同時也未將儲能作為調控資源參與三相不平衡控制。

本文基于三相不平衡問題機理分析，考慮光伏及儲能系統接入對配電網三相不平衡度影響，提出一種基于監測數據的三相不平衡控制策略，運用粒子群算法進行求解，以降低含光儲系統接入的醫院園區配電網臺區三相不平衡度。

1 醫院園區三相不平衡問題機理

1.1 三相不平衡指標計算

三相電流作是負荷大小的直接反映，本文通過三相電流差值比例計算進行臺區三相不平衡度的評估。三相不平衡指標為三相電流最大差值與最大電流值之比［12］，其數學表達式如下：

式中：Imax、Imin分別為A相、B相、C相電流比較的最大值和最小值。

1.2 園區三相不平衡問題成因

醫院園區負荷的三相不平衡主要成因主要為負荷分布的不對稱以及設備用電的時空特性差異。園區低壓配電網采用三相四線制供電，由園區專變出線至醫院各個大樓，并各樓層間進行單相線路引出，特別區域需要用到三相電的，引入三相主線。而園區大部分負荷為單相負荷，三相負荷較少，單相負荷由于設備排布及樓層醫科屬性差異，負荷分布差異較大，部分樓層負荷較重而部分樓層較輕，進而在配變端反映出負荷接入的不平衡。

另外，負荷用電特性也對園區三相不平衡問題有著重大影響。在園區用電規劃之初，往往是從樓層用電容量進行三相負荷的接入設計，而不同樓層的負荷用電特性具有差異性，有的照明負荷白天不開啟、有的照明負荷基本全天運行，而特別的檢查設備也只在有需求時進行用電，用電特性的巨大差異給園區臺區運行的平衡問題帶來重大影響，表現出斷面的三相不平衡指標快速波動變化。

在雙碳背景下，越來越多的光伏加儲能系統接入醫院園區配電網。分布式光伏及儲能系統方式按接入方式可以分為三相接入和單相接入兩種。在分布式光儲系統三相接入模式下，園區配電網由傳統電流單相輸送變成雙向潮流配電網，首端下送的電流均有所減少，略微影響配變首端的三相不平衡度計算指標。而在分布式光儲系統單相接入模式下，由于電流減少量集中在某一相上，如其接入負荷較小相，則由三相不平衡度計算公式可知，其將較大加劇配變臺區的三相不平衡度。儲能作為出力的調節設備，可以通過不同時段的能量充放控制，可以作為三相不平衡度的調控手段之一，通過合理控制達到降低臺區三相不平衡度的目的。

2 三相不平衡指標的影響分析

2.1 負荷對三相不平衡指標的影響

采用控制變量法，在負荷接入功率因數不改變時，改變單相線路的接入負荷容量，其余相負荷與負荷初始值一致，設置三相負荷初始大小為A相最小、B相居中、C相最大。令A相負荷增加，由于A相初始電流為三相中最小值，隨著負荷增加，三相不平衡度呈以下3種變化情況：

在情況1中，A相負荷增加量較小，未改變三相負荷的大小關系，三相不平衡度指標下降；在情況2中，雖然A相與B相大小關系發生改變，但改變后B相負荷大于原始的A相負荷，因此三相不平衡度指標保持不變；在情況3中，A相負荷繼續增大，比C相負荷還大，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

令B相負荷增加，由于B相初始電流為三相中中間值，三相不平衡度呈以下兩種變化情況：

在情況1中，雖然B相增加，但未改變三相負荷大小關系，因此三相不平衡度指標保持不變；在情況2中，B相負荷繼續增大，比C相負荷還大，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

令C相負荷增加，由于C相初始電流為三相中最大值，三相不平衡度將隨著負荷增加單調遞增。

2.2 光儲對三相不平衡指標的影響

采用同樣的控制變量分析法，改變光儲的接入相序，分析其對三相不平衡指標的影響。

令A相接入光儲容量增加，由于A相初始電流為三相中最小值，隨著光儲功率倒送量增大，三相不平衡度呈單調遞增趨勢。

令B相接入光儲容量增加，由于B相初始電流為三相中中間值，三相不平衡度呈以下兩種變化情況：

在情況1中，雖然B相光儲倒送功率增加，但未改變三相負荷大小關系，因此三相不平衡度指標保持不變；在情況2中，B相光儲倒送功率繼續增大，導致其配變首端的電流比A相小，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

令C相接入光儲容量增加，由于C相初始電流為三相中最大值，三相不平衡度將呈以下3種變化趨勢：

在情況1中，C相光儲倒送功率增加，未改變三相負荷的大小關系，三相不平衡度指標下降；在情況2中，雖然B相與C相大小關系發生改變，但改變后B相負荷與A相負荷關系維持不變，因此三相不平衡度指標保持不變；在情況3中，相接入光儲容量繼續增大，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

3 基于監測數據的三相不平衡控制

考慮到園區低壓光儲接入對配電網運行的影響，本文提出一種基于監測數據的三相不平衡控制策略，采用粒子群算法進行優化求解，并下發指令控制負荷換相或儲能出力，以下從該策略的目標函數、約束條件及求解流程進行闡述。

3.1 目標函數

本策略以監測數據斷面時刻三相不平衡度最小為目標，其數學表達式為：

式中：f為三相不平衡度；Itmax為t時刻下配變首端三相電流最大值；Itmin為t時刻下配變首端三相電流最小值。

3.2 約束條件

該控制策略約束條件包括潮流等式約束以及換相負荷、儲能出力的不等式約束。

（1）等式約束

式中：Piz為節點i的有功；Qiz為節點i的無功；Gij為節點i和節點j間的電導，Bij為節點i和節點j間的電納；n為節點數。

（2）不等式約束

式中：Ptload為t時刻可供換相的單相支路負荷大小；Ptl，max為t時刻可供換相的單相支路負荷最大值；為t時刻儲能裝置出力值；為t時刻儲能裝置出力最小值；為t時刻儲能裝置出力最大值。

3.3 求解流程

基于上述提出的換相控制策略模型，本文采用改進粒子群算法進行換相負荷及儲能出力求解，求解流程如圖1所示。

圖1 策略求解流程

4 算例分析

本文應用一醫院臺區數據，進行所提方法的仿真，驗證方法在三相不平衡優化控制方面的效果，設置粒子群迭代代數為200，粒子數為50，群體學習因子為0.2，個體學習因子為0.2，慣性權重為0.8，儲能電流出力限制為±15 A，單相光伏接入容量為10 kW。控制前臺區三相不平衡度如圖2所示。根據本文策略求解過后的三相不平衡度如圖3所示。由圖可知，策略應用后臺區首端三相不平衡度明顯降低。

圖2 換相前配變首端三相不平衡度

圖3 換相后配變首端三相不平衡度

如表1所示，本文優化策略可以大幅降低臺區三相不平衡度，優化后，最大三相不平衡度下降了36.4%，平均三相不平衡度下降了53.1%。

表1 結果對比

5 結束語

本文基于三相不平衡問題成因及三相不平衡指標的影響分析，提出了一種基于監測數據的三相不平衡控制策略，闡述了策略模型及求解方法，以解決含光儲接入配電網園區的三相不平衡治理問題。運用實際園區的配變一天96節點的運行數據，進行了本文策略的優化仿真，結果表明，本文所提策略通過獲取實時的負荷及光儲出力數據，以三相不平衡度最小為目標進行臺區三相電流的優化換相控制，較好地降低了配變首端的三相不平衡度，對比優化前，最大三相不平衡度下降36.4%，平均三相不平衡度下降53.1%，可為園區配變三相不平衡治理提供重要的參考價值。