李 鵬，吳 湛，張詩建

（1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣州 510515；2.廣州南方電力集團(tuán)電器有限公司，廣州 510285）

0 引言

三相不平衡問題是配變臺區(qū)一直以來面臨的難題，配變?nèi)嗖黄胶膺\行將加劇運行損耗，影響配電網(wǎng)安全運行［1-2］。而習(xí)主席在2020年聯(lián)合國峰會上提出“碳達(dá)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(fā)展，其中分布式光伏及儲能發(fā)展迅猛［3-4］。醫(yī)院園區(qū)由于具有較好的屋頂資源，為分布式光伏接入創(chuàng)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(qū)配電網(wǎng)三相不平衡問題。

面對臺區(qū)三相不平衡問題，許多專家學(xué)者開展了研究，已產(chǎn)生了豐富的研究成果，鐘偉［5］以電流不平衡度為評估指標(biāo)，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(fù)荷預(yù)測及聚類算法進(jìn)行控制時段劃分，采用優(yōu)化算法進(jìn)行換相開關(guān)相別的優(yōu)化。楊成鋼［7］設(shè)計了固態(tài)智能換相開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作模式和控制方法，完成了低壓配電網(wǎng)智能換相監(jiān)控系統(tǒng)。范瑞祥［8］提出一種基于多指標(biāo)決策的臺區(qū)不平衡治理措施優(yōu)選方法。通過分析適用各治理措施的臺區(qū)特征進(jìn)行治理策略優(yōu)選。鄧國豪［9］提出了一種基于負(fù)荷-電量轉(zhuǎn)移評價指標(biāo)的臺區(qū)三相不平衡治理方法，構(gòu)建用于換相用戶和換相相序選擇的評估指標(biāo)，實現(xiàn)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(guān)型和VSC換流器型等三相不平衡治理設(shè)備，為現(xiàn)場實際應(yīng)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(wǎng)三相不平衡的影響，同時也未將儲能作為調(diào)控資源參與三相不平衡控制。

本文基于三相不平衡問題機(jī)理分析，考慮光伏及儲能系統(tǒng)接入對配電網(wǎng)三相不平衡度影響，提出一種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的三相不平衡控制策略，運用粒子群算法進(jìn)行求解，以降低含光儲系統(tǒng)接入的醫(yī)院園區(qū)配電網(wǎng)臺區(qū)三相不平衡度。

1 醫(yī)院園區(qū)三相不平衡問題機(jī)理

1.1 三相不平衡指標(biāo)計算

三相電流作是負(fù)荷大小的直接反映，本文通過三相電流差值比例計算進(jìn)行臺區(qū)三相不平衡度的評估。三相不平衡指標(biāo)為三相電流最大差值與最大電流值之比［12］，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(qū)三相不平衡問題成因

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

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

在雙碳背景下，越來越多的光伏加儲能系統(tǒng)接入醫(yī)院園區(qū)配電網(wǎng)。分布式光伏及儲能系統(tǒng)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(tǒng)三相接入模式下，園區(qū)配電網(wǎng)由傳統(tǒng)電流單相輸送變成雙向潮流配電網(wǎng)，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(biāo)。而在分布式光儲系統(tǒng)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(fù)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(qū)的三相不平衡度。儲能作為出力的調(diào)節(jié)設(shè)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(diào)控手段之一，通過合理控制達(dá)到降低臺區(qū)三相不平衡度的目的。

2 三相不平衡指標(biāo)的影響分析

2.1 負(fù)荷對三相不平衡指標(biāo)的影響

采用控制變量法，在負(fù)荷接入功率因數(shù)不改變時，改變單相線路的接入負(fù)荷容量，其余相負(fù)荷與負(fù)荷初始值一致，設(shè)置三相負(fù)荷初始大小為A相最小、B相居中、C相最大。令A(yù)相負(fù)荷增加，由于A相初始電流為三相中最小值，隨著負(fù)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(fù)荷增加量較小，未改變?nèi)嘭?fù)荷的大小關(guān)系，三相不平衡度指標(biāo)下降；在情況2中，雖然A相與B相大小關(guān)系發(fā)生改變，但改變后B相負(fù)荷大于原始的A相負(fù)荷，因此三相不平衡度指標(biāo)保持不變；在情況3中，A相負(fù)荷繼續(xù)增大，比C相負(fù)荷還大，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

令B相負(fù)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?nèi)嘭?fù)荷大小關(guān)系，因此三相不平衡度指標(biāo)保持不變；在情況2中，B相負(fù)荷繼續(xù)增大，比C相負(fù)荷還大，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

令C相負(fù)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(fù)荷增加單調(diào)遞增。

2.2 光儲對三相不平衡指標(biāo)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(biāo)的影響。

令A(yù)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(diào)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?nèi)嘭?fù)荷大小關(guān)系，因此三相不平衡度指標(biāo)保持不變；在情況2中，B相光儲倒送功率繼續(xù)增大，導(dǎo)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?nèi)嘭?fù)荷的大小關(guān)系，三相不平衡度指標(biāo)下降；在情況2中，雖然B相與C相大小關(guān)系發(fā)生改變，但改變后B相負(fù)荷與A相負(fù)荷關(guān)系維持不變，因此三相不平衡度指標(biāo)保持不變；在情況3中，相接入光儲容量繼續(xù)增大，此時三相不平衡度呈增加趨勢。

3 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的三相不平衡控制

考慮到園區(qū)低壓光儲接入對配電網(wǎng)運行的影響，本文提出一種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的三相不平衡控制策略，采用粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化求解，并下發(fā)指令控制負(fù)荷換相或儲能出力，以下從該策略的目標(biāo)函數(shù)、約束條件及求解流程進(jìn)行闡述。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本策略以監(jiān)測數(shù)據(jù)斷面時刻三相不平衡度最小為目標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)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(fù)荷、儲能出力的不等式約束。

（1）等式約束

式中：Piz為節(jié)點i的有功；Qiz為節(jié)點i的無功；Gij為節(jié)點i和節(jié)點j間的電導(dǎo)，Bij為節(jié)點i和節(jié)點j間的電納；n為節(jié)點數(shù)。

（2）不等式約束

式中：Ptload為t時刻可供換相的單相支路負(fù)荷大?。籔tl，max為t時刻可供換相的單相支路負(fù)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(jìn)粒子群算法進(jìn)行換相負(fù)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(yīng)用一醫(yī)院臺區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)行所提方法的仿真，驗證方法在三相不平衡優(yōu)化控制方面的效果，設(shè)置粒子群迭代代數(shù)為200，粒子數(shù)為50，群體學(xué)習(xí)因子為0.2，個體學(xué)習(xí)因子為0.2，慣性權(quán)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?？刂魄芭_區(qū)三相不平衡度如圖2所示。根據(jù)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(yīng)用后臺區(qū)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(yōu)化策略可以大幅降低臺區(qū)三相不平衡度，優(yōu)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(jié)果對比

5 結(jié)束語

本文基于三相不平衡問題成因及三相不平衡指標(biāo)的影響分析，提出了一種基于監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wǎng)園區(qū)的三相不平衡治理問題。運用實際園區(qū)的配變一天96節(jié)點的運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行了本文策略的優(yōu)化仿真，結(jié)果表明，本文所提策略通過獲取實時的負(fù)荷及光儲出力數(shù)據(jù)，以三相不平衡度最小為目標(biāo)進(jìn)行臺區(qū)三相電流的優(yōu)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(yōu)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(qū)配變?nèi)嗖黄胶庵卫硖峁┲匾膮⒖純r值。