分布式光伏与电动汽车广泛接入对配电台区影响及 一种三相不平衡主动控制方案

张澄　施健　秦大瑜　刘晓伟　李德洋　田丁

摘 要：本文分析了分布式光伏和电动汽车大量接入对低压配电台区负荷分配的影响，在此基础上，提出了一种基于负荷相序平衡的配网三相不平衡主动调控策略，为配电台区治理三相不平衡提供一种解决思路，提升配电台区供电质量。

关键词：分布式光伏 电动汽车 配電台区 三相不平衡 主动控制

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）03-0-03

引言

随着电网的快速发展，分布式光伏和电动汽车的应用愈加广泛，其带来的电能质量问题也愈加严重。由于分布式光伏和电动汽车具有较大的负荷波动性，其大量接入会导致低压配电网出现严重的三相不平衡问题，大大降低配电线路的电能质量[1，2]。

本文通过分析分布式光伏与电动汽车大量单相接入对低压配电台区三相不平衡的影响，提出一种基于主动负荷调控系统的低压配电台区三相不平衡在线治理方法，在不影响用户供电可靠性的条件下，实现整个配电台区三相负荷平衡。为促进分布式光伏的就地平衡消纳，提高配电台区电能质量，有效降低线路损耗，解决分布式光伏和电动汽车的广泛接引起的三相不平衡问题提供了一种新思路。

一、布式光伏和电动汽车单相接入对配电台区负荷分配的影响

1.光伏并网发电系统的分类及对配网的影响

接入电网的光伏电源主要有两种基本形式：一是单点统一光伏体系（比方说容量较大的光伏电站）；二是多点散布光伏体系，比方说家庭运用的光伏电源体系。对于特大联网光伏电站来说，就如同某一发电厂，其出现的电能运输至公共电网之上，靠电网共同分配，达到全部电网的无功、有功均衡。因为光伏电源要求在构建的时候投进众多资本，跟以前的发电形式比起来，在发电实效上依旧存在相当大的距离，使得发电成本始终很高，当前各国采取了各类贴补举措，然而它的竞争力依旧比以其它的发电形式低许多。基于家庭房屋光伏发电体系而言，重点是全部电量均上网还有主要自用、所剩上网两类形式。依照电网之内潮流的的运动趋向来区分，并网型光伏发电体系主要是两种，具体而言是非逆潮流体系及逆潮流体系。

在光伏发电体系里面，当所发的电能整体符合所带负荷且存在众多所剩的时候，如果体系属于逆潮流体系，那么可以把所剩的电能售卖地方电网从而得到经济效益。为给顾客供应更平稳的电力系统，光伏电源体系跟电力公司的公备电网加以并网运转，当外输功率难以符合这一地区用电负荷的时候，靠公用电网运输电能，当外输功率比这一地区的用电负荷大的时候，能够给公用电网赠送电能。

光伏并网对配电台区的影响主要体现在：

1.1光伏发电功率具有波动性，会使线路的负荷潮流发生变化，加大电网正常运行时的电压调整难度，使得原有的调压方案不一定能满足光伏发电站接入后的电网电压要求；

1.2电网电压波动和闪变主要由光伏电站中机组的开停机、出力随一次能源波动变化而变化，以及发电站补偿电容器投切造成；

1.3光伏电站发电容量占电网内总发电量比例逐步增大后，可能导致电网频率出现波动，对用户和电力系统本身造成不良后果。对于光伏发电系统来说，按照逆变后的相数可以分成单相并网系统或三相并网系统，单相系统多应用在比较分散光伏电源，如家用光伏系统。当大量单相分布式光伏系统接入低压配电网的同一相时，会造成严重的三相不平衡问题，降低配电网的供电质量。

2.电动汽车充电负荷影响因素及对配网的影响

制约电动汽车电力需要的元素重点涵盖着电池特征、充电形式、顾客日常习惯等，困难就是充电负荷的时空不明确性。

2.1电池特性

目前早已投进市场的电动汽车重点涵盖两个趋向，容量不是很大，续航里程较短的小型车辆及承载众多电池组续航距离广泛相当长的公交车，两个类别的电池特征不一样，充电形式也不一样，当下广泛运用的充电形式是恒功率及恒压恒流两类，最良充电率通常处于0.2C-2.0C之间变化。

因为电池容量在某种意义上制约充电性征及产出成本，容量不大的电池更容易获得推广。对于电动私家车来说，其电池参数能够依照市面上非常有名的丰田RAVA4、比亚迪F3DM等车型整体挑选，电池实际容量是30 kW·h，每100 km耗电为15kW·h，常态充电功率是3.0kW，原初容量是10%，充电功率因数是0.95，充电实际效率是95%。

2.2充电模式

当下电动车充电形式依照充电时日状况可区分成三类：正常充电，迅速充电及置换电池。对于充电功率来说，处在迅速充电及正规充电间的，还有半迅速充电形式，电动汽车充电功率具体见表1所示：

①常规充电

正常充电形式，也就是慢速充电。径直借助一般用电进行充电，属于当下相当广泛的充电形式，通常要求5-8小时，依照充电机功率的状况而具体确立。这个充电类别相当符合家庭运用。借助家庭电路可以承担的外输电流给一般家用轿车充电，电流外输大致是10-15A，充满电池所需的时间大致是6个来小时。有关的原装花费及运转花费跟别的类型比起来非常低，充电的时候单纯一台电机功率跟外输电流基于电网没有较大的影响。这一充电电流一般有助于提升充电实效及增加电池的运用寿限。

②快速充电

正常充电属于最安全也最合理的充电形式，然而，大部分状况下，正常充电时间相当长，对部分骤然的紧急状况难以第一时间回应，所以就要求有效地思考迅速充电。

短时快充符合紧急状况，充电的电流非常大，通常是150-400A，属于在电动汽车不再运行的非常短的时间（20min-2h）里借助一般形式几倍的充电电流，让电动汽车的电池电量迅速实现80%之上，给电动汽车的接连运行奠定基础。电流太大的时候，会对有关电力设施点出较高的规定，所以跟一般充电机比起来，这一类别充电机在起初的构建及运转投资成本均相当高。对于短时充电站来说，它能够在电动汽车不再启动的十几分钟到几小时的时间范畴里，给大家供应迅速便捷的充电服务。如此的充电站一般构建于停车时间非常短的公共区域，比方说购物超市、医院、餐馆、酒店、旅游景点及会议区域等。

③更换电池

更换电池属于当下非常合理的充电形式，能够借助白日有效运用，黑夜统一充电的形式，来实现均衡峰谷的效果。如此能够借助价格较低的慢速充电形式，与之同步缩减带给电网的撞击。车辆行驶里要求时常对电池进行更换，充电站能够对于电动汽车及电池进行迅速化、科学化剥离。

2.3客户日常习惯

使用电动汽车人员的上下班时间、使用习性还有指引策略等衡量了客户充电时日。不一样的充电时日基于电网的制约差别非常大，假如在峰荷阶段加以充电，会增加电网担负，而假如在非峰荷阶段加以充电，会缩减充电基于电网的撞击，甚至起到削峰填谷的作用。如果对电动汽车充电不加以控制或引导，大量电动汽车将于工作日的下午4点～6点之间开始充电，导致此时充电负荷迅速增加，可能会显著增大配电系统网损，并恶化电能质量；反之，夜间充电则可以减轻上述负面影响，增加基荷机组的利用率。

由于大多数大规模电动汽车充放电设施还在建设之中，尚无法得到有关我国电动汽车行驶情况的充分而可靠的历史数据，考虑到电动汽车的首要使用价值（交通工具）与传统汽车并无差别，因此，可以假定其与传统汽车具有相同的日行驶里程分布规律，由此计算出电动汽车的充电时间。

2.4充电负荷曲线

根据用途，汽车能够区分成乘用车及商用车两种类型。商用车区分成轻型商用车（具体指3.5吨之下，涵盖着轻客、小型环卫车、轻卡等吨位不大的商用汽车）以及中重型商用车（具体指3.5吨之上的商用汽车，涵盖着大卡、大客、大中型环卫车、公交等）；乘用车区分成出租车别的乘用车两种类型。区分成把出租车当做协助、私家车当做主体的乘用车及公交车当做典范的商用车。乘用车运用及充电灵便性、随机性相当大，借助之前的阐述，构建起它的充电负荷模型。公交车充电举动同行驶距离规律相近，都较为有序，易实现时间调控，通过实测数据建立得到负荷特性曲线。

随着电动汽车的推广，电动汽车并网对主动配电网经济运行的影响也是不容忽视的。这些影响主要包括：

①负荷的增加

对电动汽车进行充电，这会使得负荷增加，假如众多电动汽车统一在负荷高峰阶段进行充电，会逐步增加电网负荷峰谷差，增加电力体系的担负。

②电网运转优化把控困难的加大

电动汽车客户用车举动及充电间散布的不明确性，让电动汽车充电负荷具备相当大的随机性，这会增加电网把控的困难。

③制約电能品质

对于电动汽车充电负荷来说，这隶属非线性负荷，所运用的电力电子设施会出现某种谐波，或许导致电能品质情况。

④对配电网计划点明新规定

在配电网里面，加大许多充电设备还有众多电动汽车进行充电，会转变配电网负荷构造及性能，以前的配电网计划标准或许无法适用于电动汽车大规模接入的情景。目前，电动汽车能源供给模式可分为三种类型：慢速充电、快速充电、电池组快速更换。由于私家车在居民住宅小区内的独立或公共停车场停放时间较长，通常采用常规的慢速充电方式充电。对于家用电动汽车来说，多数用户会在下班之后到夜晚这段时间内对电动汽车进行慢速充电。当大量用户集中在同一时间内充电时会造成配电系统三相中的其中一相负荷增加，继而导致三相不平衡问题的出现。

3.三相不平衡对配电网的危害

电力系统配电网由于分布式光伏和电动汽车的单相大量接入，其三相不平衡运行情况更为常见。根据对称分量法，当三相电流或电压不对称时，其电流、电压里就会存在正、负序及零序分量。三相负载不平衡运行对配电网以及电气设备的危害主要有：

3.1增加了变压器的损耗，降低了变压器的出力

配电变压器带三相不对称负载运行的损耗可以看成三个单相变压器的损耗之和。配电变压器在相同输出容量时，其不对称运行工况使变压器的损耗增大。一般来说变压器各相绕组是按对称运行工况进行设计制造，即每一相的结构都相同，所以变压器的最大出力必然受到负载最大相容量的限制，因此变压器在不对称运行工况下的出力将受到很大制约。

3.2三相输出电压不平衡，对用电设备造成损害

当变压器三相负载不对称时其各相电流也不一样，因此各相电压降在变压器内部也不同。负载大的一相电压降会变大，负载小的一相电压降会变小，因此会引起三相电压不对称，此时若零线接地不符合要求则中性点就会产生飘移。三相负载不对称程度越严重造成的各相相电压不对称程度也越严重，使得负载不能正常工作，造成电气设备使用寿命的缩短，甚至发生烧毁事故。

3.3增加了配电线路的损耗，浪费巨大能量

由于电流通过导体产生的有功损耗与线路上流过的电流平方成正比，当输送相同容量的电能时，不平衡运行所产生的线路损耗会比平衡运行时产生的线损高出很多，带来许多不必要的功率损耗，造成电能的巨大浪费。

二、三相负荷不平衡主动调控

1.三相不平衡负荷主要调控方法

目前治理配电台区三相不平衡负荷主要方法包括两大类。第一类是人工离线负荷调节，执行监管者借助用电资料搜集体系或者对客户负荷加以实际测验，第一时间把握负荷分配及配变台区三相负荷不均衡状况，接下来确立客户负荷调节措施，借助停电的形式对配变台区里一些客户负荷加以调节，实现把低压路线诸相上的负荷均衡匹配的意图。因为用电负荷的不明确性及随意性，靠着人工难以依照现实负荷不均衡现状加以在线随时调节，只可以在某种意义上下降配变台区三相负荷不均衡的不正常状况。第二类为三相负荷不对称调补，涵盖着用电负荷不对称调补及配变相间无功偿补两类举措。所谓配变相间无功偿补，具体指在配电变压器低压一端，借助相间无功偿补形式调节三相负荷不均衡现状。所谓用电负荷不对称调补，具体指借助把某一合理偿补网络根负载并联起来，将中性点不接地、不均衡及线性的负载改变为单位功率因数一样且负荷均衡的三相有功负荷，在加以无功偿补的时候，偿补三相负荷不均衡，要求加大并联偿补设施，重点基于大用电负荷[3，4]。

2.三相负荷不均衡主动调控应具备的主要功能

为了解决人工换相无法平均分配三相负荷从而导致三相负荷不平衡问题，本文提出一种三相不平衡在线治理方法，以达到延长三相负荷平衡时间的目的。采用负荷相序平衡的方法，即在不改变配网原有框架结构的前提下，对不平衡负荷或者馈线进行负荷调控，使负荷平均分配到各相上，平衡低压线路电流，解决偏负荷相电流大压降高的问题，提高末端电压、降低线路损耗。

根据智能配电的要求，主动负荷调控须满足下面几点功能：①任意性。配电台区中三相负荷不平衡产生于居民用电举动的差别性及随意性，假如让三相负荷较大可能地实现均衡，那么客户用电负荷的相序必然可以在A、B、C三相间随意调节。②实时性，配电区域客户用电负荷伴随着时间改变而改变，用电举动也伴随着各类背景要素变化，所以负荷调节要具有可以实时对用电负荷相序调节的作用。③在线性，假如在对客户用电负荷相序加以调节的时候，给客户产生了停电问题，就算短暂停电，也会制约民众的常态生活用电，下降了供电稳定性。所以，用电负荷相序调节的时候，理应达到在线调节作用。④微撞击，当给客户用电负荷相序加以调节控制的时候，理应尽最大限度下降换相运作给用电侧电网产生的撞击。⑤经济性，相应的负荷调控装置应该具备成本低、维护简单。

3.负荷调控开关阵列设置

每户家庭接进相序要求依照其用電举动的变化而加以调节，所以每家客户的配电箱进线的地方设立靠3个分别匹配A、B、C三相的单相复合按钮的按钮矩阵。当客户负荷相序要求在A、B、C三相间随意调节的时候，能够驱动磁维持继电器的把控讯号及电力电子元件的触发脉冲讯号，进一步对复合按钮模块加以把控，调节相序，这恰恰符合了随意性的规定。随意客户负荷支路，在常态运转的时候只是接进相线上的磁维持继电器属于导通的现状，除此之外两相上的磁维持继电器均属于断开的现状，A、B、C三相上的电力电子按钮均属于断开的现状。

假定调节前某一客户用电相序是A相，目前要求把其相序自A相调节至B相，实际环节是：第一，合上A相上的电力电子按钮，断掉A相上的磁维持继电器按钮；第二，合上B相上的电力电子按钮，把A相上的客户电流自A相调节至B相；第三，导通B相上的磁维持继电器，再把B相的电力电子按钮断掉。根据这一换相环节，能够对客户用电负荷A、B、C三相里的随意两相加以相序调节。上面调节历程里并无停电情况，实现了在带负载现状下用电负荷相序调节的在线性，且相序调节历程里达到无缝换相，确保了按钮导通期并无大浪涌，下降了换相调节基于电网的撞击，达到了微撞击性及在线性效果，提升了客户用电品质及供电稳定性。

4.主动负荷调控功能实现

主动负荷调控终端通过实时监控配变低压侧出口三相电流不均衡现状，依照三相电流不均衡度限值评判有关制约基础，符合构设基础那么实施换相计划；接下来依照实时搜寻的配变低压侧出口三相电流及诸负荷支路的电流及相序资料，借助优化算法加以运算，获得诸低压负荷在线自主调控的最优调控指令；最后使开关根据控制指令可靠开合动作，在不需要停电的状态下完成诸负荷支路不同相序之间的转换。

低压负荷在线自主调控终端功能单元如图1呈现。重点涵盖数据现状资料搜集、整体研究评判及最佳换相指令运算等作用模块。

4.1实时数据采集单元：关联配电变压器，搜罗配电变低压侧电流等资料，且跟实时通信模块关联。

4.2实时通信单元：借助跟低压负荷在线自主调节按钮的通讯调，实时搜罗诸负荷支路的相序、电流等资料；且把最佳调节把控指令递传至诸低压负荷在线自主调节按钮。

4.3三相电流不平衡度生成单元：关联实时数据采集单元，依照实时搜罗的配变低压侧电流资料确立实时三相电流不均衡度。

4.4综合分析判断单元：跟实时三相电流不均衡度确立模块关联，把实时三相电流不均衡度跟预先设立的三相电流不均衡度限值加以分析且确立结论，且评判有关制约条件，衡量是不是推行换相运作。

4.5最佳换相指令计算单元：依照实时搜罗的配电变压器低压侧电流及诸负荷支路的相序、电流等资料，借助优化算法展开优化运算，获得诸低压负荷在线最佳负荷调节把控命令。

结论

本文通过分析分布式光伏与电动汽车大量单相接入对低压配电台区三相不平衡的影响，提出一种基于主动负荷调控系统的低压配电台区三相不平衡在线治理技术。

通过面向分布式光伏与电动汽车大量接入的智能配电台区主动控制技术研究，可促进分布式光伏的就地平衡消纳，提高配电台区电能质量，有效降低线路损耗，解决分布式光伏和电动汽车的广泛接引起的三相不平衡问题。主动控制技术可有效降低人工调相的人力成本，同时促进供电企业修改和完善相关的管理制度、规定及流程，进一步提高供电企业的规范化管理水平。

参考文献

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作者简介：张澄（1966-），男，江苏常州人，汉族，高级工程师，高级技师，主要研究方向为电力系统及其自动化方向。