考虑低压光储接入的医院园区三相不平衡控制策略

李 鹏，吴 湛，张诗建

（1.南方医科大学南方医院，广州 510515；2.广州南方电力集团电器有限公司，广州 510285）

0 引言

三相不平衡问题是配变台区一直以来面临的难题，配变三相不平衡运行将加剧运行损耗，影响配电网安全运行［1-2］。而习主席在2020年联合国峰会上提出“碳达峰、碳中和”的郑重承诺，国家和地方政府出台了许多政策推动绿色能源发展，其中分布式光伏及储能发展迅猛［3-4］。医院园区由于具有较好的屋顶资源，为分布式光伏接入创造了良好条件，而分布式光伏及储能接入后的本地电流倒送，更大地加剧了园区配电网三相不平衡问题。

面对台区三相不平衡问题，许多专家学者开展了研究，已产生了丰富的研究成果，钟伟［5］以电流不平衡度为评估指标，仿真分析了三相不平衡的影响因素。王春蘅［6］提出了一种低压利用负荷预测及聚类算法进行控制时段划分，采用优化算法进行换相开关相别的优化。杨成钢［7］设计了固态智能换相开关的拓扑结构、工作模式和控制方法，完成了低压配电网智能换相监控系统。范瑞祥［8］提出一种基于多指标决策的台区不平衡治理措施优选方法。通过分析适用各治理措施的台区特征进行治理策略优选。邓国豪［9］提出了一种基于负荷-电量转移评价指标的台区三相不平衡治理方法，构建用于换相用户和换相相序选择的评估指标，实现三相不平衡的治理。傅颖［10］提出兼顾通信条件差异的自决策控制，在通信良好时采用集中控制，通信缺失时才有就地控制，万玉良［11］分析了投切电容器型、换相开关型和VSC换流器型等三相不平衡治理设备，为现场实际应用提供参考。但上述方法均没有考虑分布式光伏及储能接入对配电网三相不平衡的影响，同时也未将储能作为调控资源参与三相不平衡控制。

本文基于三相不平衡问题机理分析，考虑光伏及储能系统接入对配电网三相不平衡度影响，提出一种基于监测数据的三相不平衡控制策略，运用粒子群算法进行求解，以降低含光储系统接入的医院园区配电网台区三相不平衡度。

1 医院园区三相不平衡问题机理

1.1 三相不平衡指标计算

三相电流作是负荷大小的直接反映，本文通过三相电流差值比例计算进行台区三相不平衡度的评估。三相不平衡指标为三相电流最大差值与最大电流值之比［12］，其数学表达式如下：

式中：Imax、Imin分别为A相、B相、C相电流比较的最大值和最小值。

1.2 园区三相不平衡问题成因

医院园区负荷的三相不平衡主要成因主要为负荷分布的不对称以及设备用电的时空特性差异。园区低压配电网采用三相四线制供电，由园区专变出线至医院各个大楼，并各楼层间进行单相线路引出，特别区域需要用到三相电的，引入三相主线。而园区大部分负荷为单相负荷，三相负荷较少，单相负荷由于设备排布及楼层医科属性差异，负荷分布差异较大，部分楼层负荷较重而部分楼层较轻，进而在配变端反映出负荷接入的不平衡。

另外，负荷用电特性也对园区三相不平衡问题有着重大影响。在园区用电规划之初，往往是从楼层用电容量进行三相负荷的接入设计，而不同楼层的负荷用电特性具有差异性，有的照明负荷白天不开启、有的照明负荷基本全天运行，而特别的检查设备也只在有需求时进行用电，用电特性的巨大差异给园区台区运行的平衡问题带来重大影响，表现出断面的三相不平衡指标快速波动变化。

在双碳背景下，越来越多的光伏加储能系统接入医院园区配电网。分布式光伏及储能系统方式按接入方式可以分为三相接入和单相接入两种。在分布式光储系统三相接入模式下，园区配电网由传统电流单相输送变成双向潮流配电网，首端下送的电流均有所减少，略微影响配变首端的三相不平衡度计算指标。而在分布式光储系统单相接入模式下，由于电流减少量集中在某一相上，如其接入负荷较小相，则由三相不平衡度计算公式可知，其将较大加剧配变台区的三相不平衡度。储能作为出力的调节设备，可以通过不同时段的能量充放控制，可以作为三相不平衡度的调控手段之一，通过合理控制达到降低台区三相不平衡度的目的。

2 三相不平衡指标的影响分析

2.1 负荷对三相不平衡指标的影响

采用控制变量法，在负荷接入功率因数不改变时，改变单相线路的接入负荷容量，其余相负荷与负荷初始值一致，设置三相负荷初始大小为A相最小、B相居中、C相最大。令A相负荷增加，由于A相初始电流为三相中最小值，随着负荷增加，三相不平衡度呈以下3种变化情况：

在情况1中，A相负荷增加量较小，未改变三相负荷的大小关系，三相不平衡度指标下降；在情况2中，虽然A相与B相大小关系发生改变，但改变后B相负荷大于原始的A相负荷，因此三相不平衡度指标保持不变；在情况3中，A相负荷继续增大，比C相负荷还大，此时三相不平衡度呈增加趋势。

令B相负荷增加，由于B相初始电流为三相中中间值，三相不平衡度呈以下两种变化情况：

在情况1中，虽然B相增加，但未改变三相负荷大小关系，因此三相不平衡度指标保持不变；在情况2中，B相负荷继续增大，比C相负荷还大，此时三相不平衡度呈增加趋势。

令C相负荷增加，由于C相初始电流为三相中最大值，三相不平衡度将随着负荷增加单调递增。

2.2 光储对三相不平衡指标的影响

采用同样的控制变量分析法，改变光储的接入相序，分析其对三相不平衡指标的影响。

令A相接入光储容量增加，由于A相初始电流为三相中最小值，随着光储功率倒送量增大，三相不平衡度呈单调递增趋势。

令B相接入光储容量增加，由于B相初始电流为三相中中间值，三相不平衡度呈以下两种变化情况：

在情况1中，虽然B相光储倒送功率增加，但未改变三相负荷大小关系，因此三相不平衡度指标保持不变；在情况2中，B相光储倒送功率继续增大，导致其配变首端的电流比A相小，此时三相不平衡度呈增加趋势。

令C相接入光储容量增加，由于C相初始电流为三相中最大值，三相不平衡度将呈以下3种变化趋势：

在情况1中，C相光储倒送功率增加，未改变三相负荷的大小关系，三相不平衡度指标下降；在情况2中，虽然B相与C相大小关系发生改变，但改变后B相负荷与A相负荷关系维持不变，因此三相不平衡度指标保持不变；在情况3中，相接入光储容量继续增大，此时三相不平衡度呈增加趋势。

3 基于监测数据的三相不平衡控制

考虑到园区低压光储接入对配电网运行的影响，本文提出一种基于监测数据的三相不平衡控制策略，采用粒子群算法进行优化求解，并下发指令控制负荷换相或储能出力，以下从该策略的目标函数、约束条件及求解流程进行阐述。

3.1 目标函数

本策略以监测数据断面时刻三相不平衡度最小为目标，其数学表达式为：

式中：f为三相不平衡度；Itmax为t时刻下配变首端三相电流最大值；Itmin为t时刻下配变首端三相电流最小值。

3.2 约束条件

该控制策略约束条件包括潮流等式约束以及换相负荷、储能出力的不等式约束。

（1）等式约束

式中：Piz为节点i的有功；Qiz为节点i的无功；Gij为节点i和节点j间的电导，Bij为节点i和节点j间的电纳；n为节点数。

（2）不等式约束

式中：Ptload为t时刻可供换相的单相支路负荷大小；Ptl，max为t时刻可供换相的单相支路负荷最大值；为t时刻储能装置出力值；为t时刻储能装置出力最小值；为t时刻储能装置出力最大值。

3.3 求解流程

基于上述提出的换相控制策略模型，本文采用改进粒子群算法进行换相负荷及储能出力求解，求解流程如图1所示。

图1 策略求解流程

4 算例分析

本文应用一医院台区数据，进行所提方法的仿真，验证方法在三相不平衡优化控制方面的效果，设置粒子群迭代代数为200，粒子数为50，群体学习因子为0.2，个体学习因子为0.2，惯性权重为0.8，储能电流出力限制为±15 A，单相光伏接入容量为10 kW。控制前台区三相不平衡度如图2所示。根据本文策略求解过后的三相不平衡度如图3所示。由图可知，策略应用后台区首端三相不平衡度明显降低。

图2 换相前配变首端三相不平衡度

图3 换相后配变首端三相不平衡度

如表1所示，本文优化策略可以大幅降低台区三相不平衡度，优化后，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 结果对比

5 结束语

本文基于三相不平衡问题成因及三相不平衡指标的影响分析，提出了一种基于监测数据的三相不平衡控制策略，阐述了策略模型及求解方法，以解决含光储接入配电网园区的三相不平衡治理问题。运用实际园区的配变一天96节点的运行数据，进行了本文策略的优化仿真，结果表明，本文所提策略通过获取实时的负荷及光储出力数据，以三相不平衡度最小为目标进行台区三相电流的优化换相控制，较好地降低了配变首端的三相不平衡度，对比优化前，最大三相不平衡度下降36.4%，平均三相不平衡度下降53.1%，可为园区配变三相不平衡治理提供重要的参考价值。