考虑光伏选相投切的低压配电网三相平衡优化

考虑光伏选相投切的低压配电网三相平衡优化

高银宏

云南电网有限责任公司楚雄姚安供电局   云南 楚雄  675300

摘要：构建低压配电网三相负荷不平衡优化模型,应用粒子群智能优化算法进行求解,确定各单相负荷用户的最优接入相序,据此提出科学有效且经济的三相负荷调整方案。实例分析表明,所提出的优化模型和求解方法是可行的,在换相成本最低的同时,低压配电网三相负荷不平衡度由优化前的17.75%降至1.923%。

关键词：低压配电网;三相负荷不平衡;优化模型;粒子群优化算法

随着科学技术的高速发展,现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化,居民用电量和用电设备种类显著增加,使得配电侧的三相负荷不平衡问题越来越突出。低压配电网三相负荷不平衡的主要原因是三相负荷不对称,特别是在农村低压台区,由于单相用户的不均匀分配和不可控增容、大功率单相负载的接入以及对三相负荷平衡管理的不重视等原因,使得其三相负荷不平衡问题更加严重。

三相负荷不平衡带来了变压器损耗和线损增加、用户用电设备损坏、电能质量下降等问题,既降低了电力用户满意度,也给国家带来了巨大的经济损失。研究发现,对配网损耗影响最大的是中低压配电网段,我国低压电网的电能损耗占整个供配电电网损耗的50%~60%,而低压配电网中的线损主要是由三相负荷不平衡造成的。

降低三相负荷不平衡最直接、最根本的方法就是调整用户的接入相序,这是一种简单经济的调整方法,不需要额外增加投资。因此,本文拟构建低压配电网三相负荷不平衡优化模型,应用粒子群智能优化算法寻求最优的相序调整策略,为提出科学有效又经济的三相负荷调整方案提供决策支持。

1 低压智能配电网的核心特征

上述文献大多集中在为低压智能配电网的规划、运行与通信等方面的研究上提供了理论支撑和实践经验, 但其研究成果尚不能完全满足新形态下低压智能配电网的发展需求。

传统低压配电网的属性比较简单, 就是给用户分配电能, 网络中没有什么可以控制和需要控制的对象, 因此, 用户的要求就是把电送到;供电企业的要求就是把电费计量好并且收回来。但随着光伏、储能、EV等用户侧可控资源 (或条件可控资源) 以及网络中换相开关、分支开关、调压设备等控制设备应用越来越多, 低压配电网可控元素越来越丰富, 可控性越来越大。因此, 智能化成为海量低压配电网运行管理的技术必由之路。

未来的低压智能配电网需具备以下6方面的核心特征, 具体包括运维管理的可视化、运行方式的灵活化、区域调控的智慧化、用户用电的互动化、信息通道的融合化与公共用能的低碳化。

2 LVDN的三相平衡优化模型

2.1 目标函数

三相不平衡对配电网安全性的影响主要在于造成节点电压发生偏移甚至越限。三相传输功率的不平衡会导致某些相线传输的功率过高，进而导致该相线的电压水平偏低，而其他相线传输的功率过少，进而导致该相线的电压水平偏高。特别是随着单相分布式电源的接入，进一步增大了三相不平衡度。基于此，本文优化以三相不平衡度为关键考察指标，同时考虑分布式光伏的消纳。

2.2 约束条件

1）光伏分相控制及其逆变器调节约束。

在工程计算中，t时段光伏出力的预测值PPV1,t与太阳辐射强度之间存在较强的正比关系，当太阳辐射强度低于额定光照强度时，光伏出力随太阳辐射强度的增加而增加；当太阳辐射强度大于等于额定光照强度时，光伏出力达到最大值。

考虑到太阳辐射强度受太阳位置和天气变化等因素影响，本文采用区间数对该参数的不确定性进行处理，获得光伏预测出力区间数P*PV1,t=[PPV1＿dn,t,PPV1＿up,t]。考虑到光伏出力调度值受其预测出力的影响：光伏逆变器可参与LVDN的无功调节。光伏逆变器的无功调节能力受其额定容量和光伏有功出力的影响。

2）蓄电池储能设备的运行约束。

对于蓄电池储能设备而言，其在t时段的能量与在该时段的充/放电功率及在前一时段的能量有关。

考虑到当前蓄电池储能的主要作用是平抑可再生能源的波动性，尽可能全额消纳可再生能源发电。

设定蓄电池的充电功率不大于光伏出力，以保证光伏消纳可再生能源出力的作用，不从电网吸收功率，避免加重电网负担。

3）网络潮流约束。

根据规定，我国220 V电压等级的电压偏移运行范围为-10%～7%，中性线的电压主要限制范围为电压偏移小于15%的相电压。

同时，网络潮流运行还应进一步考虑三相不平衡度在电力系统运行标准允许范围内，根据相关规定可取为4%。

2.3 区间约束确定化及逻辑变量连续化

构建的数学模型中，光伏预测出力不确定性用区间数描述。由于区间数P*PV1,t存在于目标函数式及不等式约束条件式中，引入置信水平ξ来表征区间数约束的满意程度，ξ的取值范围为[0,1]，将含区间数的表达形式转换为一般的实数表达式。

具体地，置信水平ξ表征区间数约束的满意程度更多地是从区间数约束的可能性出发，若置信水平ξ越大，则越要保证所求调度值即PPV0,t在其约束范围内，认为ξPPV1＿dn,t+(1-ξ)PPV1＿up,t更趋向于取小值；若置信水平ξ越小，则区间数约束满足的可能性越小，认为ξPPV1＿dn,t+(1-ξ)PPV1＿up,t更趋向于取大值。

本文模型被转换为确定性的非线性连续模型，采用通用代数建模系统GAMS(General Algebraic Modeling System）进行数学建模并通过调用SNOPT求解器进行求解。

3 算例分析

3.1 仿真背景

采用瑞典某包含6个用户的三相四线制LVDN进行仿真分析，系统结构见。配电线路的长度、阻抗等参数取自文献。光伏在母线4处并网，容量为10 k W，配置了换相开关，可切换至任意一相；储能系统也在母线4处并网，采取三相接入方式且三相可独立调节，额定容量为20 k W·h，充放电功率限值为额定容量的1/4，充放电效率为90%。

3.2 动态选相并网对电能质量的改善情况分析

在基础数据场景基础上，暂不考虑储能配置，分析并网光伏动态选相和逆变器无功调节对仿真结果的影响。考虑与不考虑光伏选相以及逆变器无功调节时LVDN的三相不平衡度及等值网损（优化周期内该系统注入电能与消耗电能的差值）结果对比：

可知：当不考虑光伏动态选相并网以及逆变器无功调节时，光伏分别接于a、b、c相都将造成多数时刻三相不平衡度增加（超过2%）；当考虑光伏动态选相并网以及逆变器无功调节能力时，光伏可以灵活地转移功率到不同的相序并进行无功调节，由于调控手段增加，最小化目标函数的控制变量自由度更大，使得最大三相不平衡度和综合三相不平衡度相较于最严重的情况分别下降了30%、53.8%。相较于不考虑逆变器无功调节的场景，考虑逆变器无功调节能力之后三相不平衡度得到了较大的改善，但由于调节三相不平衡时，出现大幅吸收无功的情况，等值网损有所增加。进一步地考虑换相之后，在三相不平衡得到进一步改善的情况下，由于接入的是负荷最高相，可减缓白天吸收无功的程度，进而降低等值网损。因此同时考虑换相以及无功调节有利于改善整体电能质量。

5 结论

1）只利用光伏有功换相或者只采用光伏逆变器无功调节都可以改善三相不平衡度，但有功调节只在光伏出力较大时起作用，而只进行光伏逆变器无功调节又可能引起网损增加。采用光伏选相及逆变器无功调节能力后，可进一步增加LVDN调控的灵活度，进一步改善LVDN的三相不平衡度。

2）储能的能量时空转移特性可提升LVDN的调节灵活程度，有效改善LVDN的电能质量并降低等值网损，且储能配置容量的增大有利于LVDN三相不平衡度和等值网损的进一步改善，但改善能力存在一定的限制。

3）考虑光伏换相时，光伏出力的不确定性会引起电能质量变化的不确定性，与负荷匹配程度相关，但相比于不考虑光伏换相，电能质量能得到有效提升。

参考文献

[1]张勇军，刘斯亮，江金群，等.低压智能配电网技术研究综述[J].广东电力，2019,32(1):1-12.

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[3]张明，谢珊珊，罗云峰.低压配电网三相负荷不平衡优化模型的研究[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2015,38(1):59-62.