CN108539768A - 一种低压配电网三相负荷控制*** - Google Patents

一种低压配电网三相负荷控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压配电网三相负荷控制***，包括：公共直流母线、连接于公共直流母线上的光伏板、连接于配电网与公共直流母线之间的充电桩、连接于配电网与公共直流母线之间的光伏逆变器；白天时，光伏板发电，充电桩用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相或将轻载相光伏发电转移至重载相；夜晚时，光伏板发电为零，光伏逆变器全部容量用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相。本发明能够充分利用光伏逆变器与充电桩时间上的互补性，能够将重载相负荷转移至轻载相，具有平衡三相负荷的功能。

Description

一种低压配电网三相负荷控制***
技术领域
本发明涉及一种低压配电网三相负荷控制***，属于配电网技术领域。
背景技术
未来一二十年，世界经济、社会将面临供电安全性、环境紧迫性与能源成本可支付性的巨大挑战。部分国家已经开始推动能源行业的显著性结构改革，尤其表现在可再生能源、节能与效率上。目前，各国都加快了发展分布式电源(DG)、电动汽车的步伐。我国配电网将接入大量光伏发电与电动汽车。光伏发电、电动汽车对电网的影响及利用、配电网的优化运行、主动配电网技术等相关问题已成为研究热点。
在日间中午时，光伏发电处于高峰期，可能导致电压超出上限；在夜间负荷高峰期时，大量电动汽车开始充电，电力需求急剧上升，可能导致电压大幅跌落，超出下限。配电网电压调节的难度将大大增加，某些情况下，传统方法无法将所有节点电压调整到额定范围。另一方面，光伏发电大量采用单相、两相并网方式，电动汽车大量采用单相充电方式，大大增加低压配电网的三相不平衡，导致三相电压不平衡度越限、影响供电质量、增加配变、线路损耗，降低对光伏发电、电动汽车的接纳能力。
针对以上问题，国内外专家学者提出了多种方法与措施。下面针对现有技术中已有的主要技术方案及存在的不足做具体分析：
方案一：手动改变某些用户的接入相别减小三相不平衡，但是这种方法大大增加了运维成本，切换次数越多，运维成本越高；
方案二：自动将用户从一相切换至另一相以提高负荷均衡度，但此种方法需要每家每户安装静态负荷转换器；
方案三：采用DSTATCOM应用于低压配电网平衡三相负荷，代价较高。
方案四：将低压配电网三相光伏、充电桩逆变器增加三个桥臂，修改控制***，使之成为共直流侧电容器的三个独立的单相单元，用于平衡负荷，但是，实际低压配电网光伏逆变器、充电桩主要采用单相并网方式，因此当该方法应用于实际低压配电网时可能由于缺乏足够的三相光伏逆变器、充电桩导致负荷平衡失败；
方案五：在目标函数中增加负荷平衡的罚函数，通过协调控制电动汽车的充电功率实现负荷平衡。该方法在夜间大量电动汽车接入时能够有效平衡负荷。但是，在白天，大量电动汽车离开配电网前往工作场所，可能由于缺乏足够可调度的电动汽车导致负荷平衡失败。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低压配电网三相负荷控制***，解决现有技术中负荷平衡方法代价高、适应性低的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：低压配电网三相负荷控制***，包括：公共直流母线、连接于公共直流母线上的光伏板、连接于配电网与公共直流母线之间的充电桩、连接于配电网与公共直流母线之间的光伏逆变器；白天时，光伏板发电，充电桩用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相或将轻载相光伏发电转移至重载相；夜晚时，光伏板发电为零，光伏逆变器全部容量用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相。
所述充电桩包括单相直流充电桩、三相直流充电桩、单相交流充电桩和三相交流充电桩。
所述单相直流充电桩和或三相直流充电桩串联第一单刀双掷空开后与公共直流母线连接；
电动汽车充电时，第一单刀双掷空开切换连通直流充电桩与电动汽车间的开关触点，电动汽车经第一单刀双掷空开接入配电网进行充电；电动汽车不充电时，第一单刀双掷空开切换连通直流充电桩与公共直流母线间的开关触点，使直流充电桩参与配电网负荷平衡。
所述单相交流充电桩和或三相交流充电桩串联第二单刀双掷空开、AC/DC变流器后与公共直流母线连接；
电动汽车充电时，第二单刀双掷空开切换连通交流充电桩与电动汽车间的开关触点，电动汽车经第二单刀双掷空开接入配电网进行充电；电动汽车不充电时，第二单刀双掷空开切换连通交流充电桩与公共直流母线间的开关触点，使交流充电桩参与配电网负荷平衡。
所述单相直流充电桩和或三相直流充电桩经导线连接至公共直流母线；电动汽车经第一DC/DC变换器接入公共直流母线，通过调节第一DC/DC变换器的占空比控制电动汽车的充电功率。
所述单相交流充电桩和或三相交流充电桩串联AC/DC变流器后与公共直流母线连接；电动汽车经第一DC/DC变换器接入公共直流母线，通过调节第一DC/DC变换器的占空比控制电动汽车的充电功率。
所述公共直流母线配置有多副，所述光伏板、光伏逆变器、充电桩连接至距离最近的公共直流母线上。
所述光伏逆变器包括：单相光伏逆变器、两相光伏逆变器和三相光伏逆变器。
所述光伏板串联二极管及第二DC/DC变换器后接入公共直流母线。
所述公共直流母线上还连接有储能***。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
除能够利用配电网中的三相光伏逆变器与三相充电桩，还能够利用配电网中大量已安装的单相光伏逆变器与单相充电桩平衡三相负荷，能够避免因三相光伏逆变器与三相充电桩缺乏导致的负荷平衡失败；
将光伏逆变器与充电桩直流侧连接于共同直流母线，能够充分利用光伏逆变器与充电桩时间上的互补性，能够将重载相负荷转移至轻载相，具有平衡三相负荷的功能；
可在公共直流母线上连接储能设备、直流负荷或者直流电源，无需安装新的逆变器或者只需安装少量新的逆变器，从而节省投资，提高***的可扩展性。
附图说明
图1是本发明实施例一的电路连接关系图；
图2是本发明实施例二的电路连接关系图。
具体实施方式
本发明针对已有的负荷平衡方法代价高、适应性低的技术问题，从将重载相负荷转移至轻载相的基本原理出发，提出了在配电网中配置多副公共直流母线，将位置相近、从不同相接入的光伏逆变器、充电桩直流侧连接至共同直流母线的技术方案，具体包括：公共直流母线、连接于公共直流母线上的光伏板、连接于配电网与公共直流母线之间的充电桩、连接于配电网与公共直流母线之间的光伏逆变器；白天时，光伏板发电，充电桩用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相或将轻载相光伏发电转移至重载相；夜晚时，光伏板发电为零，光伏逆变器全部容量用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相。本发明还构建了光伏逆变器、充电桩协调优化控制的线性约束混合整数二次规划的模型，模型的目标函数能够兼顾降损与平衡负荷。
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，包括三相交流配电网、逆变器、充电桩、光伏板及与配电网对应配置的公共直流母线。光伏板串联二极管及第二DC/DC变换器后接入公共直流母线。
逆变器包括单相逆变器、两相逆变器和三相逆变器，各逆变器的直流侧均与公共直流母线电连接，单相逆变器的交流侧和两相逆变器的交流侧分别连接于配电网的轻载相上，三相逆变器的交流侧与配电网的三相分别电连接。
充电桩包括单相直流充电桩、三相直流充电桩、单相交流充电桩和三相交流充电桩。单相直流充电桩、三相直流充电桩串联第一单刀双掷空开后与公共直流母线连接。单相交流充电桩和三相交流充电桩串联第二单刀双掷空开、AC/DC变流器后与公共直流母线连接。
当电动汽车开始充电时，单刀双掷空开触点1、2闭合，触点3、4断开，电动汽车经充电桩接入配电网。当电动汽车离开配电网时，触点1、2断开，触点3、4闭合，充电桩直流侧经单刀双掷空开连接至公共直流母线。在白天，大量电动汽车离开配电网前往工作场所，充电桩全部容量可用于将重载相负荷转移至轻载相或将轻载相光伏发电转移至重载相。在夜晚，光伏发电为零，大量电动汽车接入配电网充电，光伏逆变器全部容量可用于将重载相负荷转移至轻载相。光伏逆变器与充电桩具备互补作用。图1中黑色箭头表示有功流向示意图。
实施例一的目标函数为
式中，分别为节点n、α相、t时段的常规负荷、直流侧与公共直流母线相连的单、两、三相光伏逆变器与单、三相充电桩的有功功率；分别为直流侧未与公共直流母线相连的单、两、三相光伏逆变器与单、三相充电桩的有功功率。都以从交流电网流出为正。T为协调优化控制总的时段数；N为配电网总的节点数。
所提出的目标函数(1)能够兼顾平衡三相负荷与降损，原因如下：
令目标函数(1)简化为令其中：分别为A、B、C三相对应的总功率，一般的常见的三相负荷均衡的目标函数为
可展开为
由于是优化时段内，即一天内三相总的交流负荷的是可以预测的，可视作恒定值，因此(1)等价于一般的、常见的三相负荷均衡的目标函数，因此具有平衡三相负荷的作用。显而易见，所提出的目标函数(1)亦能够降低网损，这是因为其物理意义是各时段各相总的负荷的平方和累加最小，能够削峰填谷，减小负荷方差，从而降低网损。
直流侧与公共直流母线相连的单相光伏逆变器的功率约束为
式中，为从节点n、α相接入的、直流侧与公共直流母线相连的单相光伏逆变器的最大功率。
直流侧与公共直流母线相连的两相光伏逆变器的功率约束为
式中，为从节点n、α与β相接入的、直流侧与公共直流母线相连的两相光伏逆变器的最大功率。
直流侧与公共直流母线相连的三相光伏逆变器的功率约束为
式中，为节点n接入的、直流侧与公共直流母线相连的三相光伏逆变器的最大功率。
直流侧未与公共直流母线相连的单相光伏逆变器的功率约束为
式中，为节点n、α相、t时段的、直流侧未与公共直流母线相连的单相光伏发电的有功。
直流侧未与公共直流母线相连的两相光伏逆变器的功率约束为
式中，为从节点n、α与β相接入、t时段的、直流侧未与公共直流母线相连的两相光伏发电的有功。
直流侧未与公共直流母线相连的三相光伏逆变器的功率约束为
式中，为从节点n接入、t时段的、直流侧未与公共直流母线相连的三相光伏发电的有功。
假设单、三相充电桩的空开状态分别记为其值为0表示触点3、4闭合，触点1、2断开；其值为1表示触点1、2闭合，触点3、4断开。
直流侧与公共直流母线相连的单相充电桩的功率约束为
式中，为从节点n、α相接入的、直流侧与公共直流母线相连的单相充电桩的最大功率。经此充电桩充电的电动汽车能量需求约束为
式中，ηn,α为充电效率；分别为电动汽车电池的起始能量与容量；tn,αs、tn,αe分别为充电的开始与结束时间；△t为采样与控制的时间间隔。
直流侧与公共直流母线相连的三相充电桩的功率约束为
式中，为从节点n接入的、直流侧与公共直流母线相连的三相充电桩的最大功率。经此三相充电桩充电的电动汽车能量需求约束为
式中，ηn为充电效率；分别为电动汽车的起始能量与电池容量；tns、tne分别为充电的开始与结束时间。
直流侧未与公共直流母线相连的单相充电桩的功率约束为
经此单相充电桩充电的电动汽车的能量需求同(12)。
直流侧未与公共直流母线相连的三相充电桩的功率约束为
经此三相充电桩充电的电动汽车的能量需求同(16)。
由于光伏板发出有功与电动汽车消耗有功在时间上大体是错开的，不匹配的。在实际应用中，储能***可经DC/DC变换器接入公共直流母线，用于削峰填谷，提高配电网对光伏发电与电动汽车的接纳能力。储能***存储的能量约束为
t＝1,2,L T-1
式中，分别为t时段储能***存储的能量、充、放电功率；ηcharge、ηdischarge分别为充、放电效率。
为保证在新的调度周期内具有相同的调节性能，本周期的初始值应与下周期的初始值相等，即
储能***的充电功率约束为
式中，为储能***的最大充电功率；为表示处于充电状态的0-1离散变量。
储能***的放电功率约束为
式中，为储能***的最大放电功率；为表示处于放电状态的0-1离散变量。
任意时刻，储能***只能处于充电、放电、非充非放3种状态之一，故与的约束条件为
为避免深充深放，延长储能***的寿命，将其存储电量的范围设定为
式中，为储能***的容量。
由于直流母线上的功率损耗很小，可忽略。第m个区域公共直流母线上的功率平衡方程为
式中，为第m副公共直流母线区域中的节点n、t时段光伏板发出的有功。Nm为第m副公共直流母线上连接的光伏板的数量。
实施例二：
与实施例一的不同之处在于，电动汽车不再经单刀双掷空开接入配电网，而是经第一DC/DC变换器连接至公共直流母线。单相直流充电桩和或三相直流充电桩经导线连接至公共直流母线；单相交流充电桩和或三相交流充电桩串联AC/DC变流器后与公共直流母线连接。集中控制中心通过控制第一DC/DC变换器的占空比控制电动汽车的充电功率。相比于实施例一，实施例二的优势在于即使电动汽车接入时，充电桩全部容量仍可用于平衡负荷，而且增加了第一DC/DC占空比控制变量，提高了控制的灵活性。
对于实施例二的模型，目标函数同(1)。光伏逆变器的约束同(2)～(9)。直流侧未与公共直流母线相连的充电桩的约束条件同(12)、(16)～(19)。储能***的约束条件同(20)～(25)。直流侧与公共直流母线相连的单、三相充电桩的功率约束分别为(27)、(28)(29)。
电动汽车的充电功率约束为
式中，分别为第k辆电动汽车t时段的充电功率及其最大值。
电动汽车充电需求约束为
ηk、分别为第k辆电动汽车的充电效率、电池起始能量及容量。tks、tke分别为开始、结束充电的时间。
第m副共直流母线上的功率平衡约束为
式中，Km为t时段连接于第m副公共直流母线上的电动汽车总数量。
由于取决于电动汽车的接入时间，是可预测的，故方案1、2的模型是线性约束的混合整数二次规划模型。
采用表征优化时段内配电网的三相不平衡度的最大值。定义为
式中，Umax,i,t，Umin,i,t，Uavg,i,t分别为t时段节点i三相电压的最大值、最小值与平均值。采用表征优化时段内根节点三相电流不平衡度的最大值，其表达式与式(33)类似。
在实际安装中，公共直流母线可与配电网交流线路并排布置。为了降低母线容量，节省投资，可配置多副公共直流母线，将位置相近的、从不同相接入的光伏逆变器、充电桩的直流侧、光伏板连接于其上。由于公共直流母线主要起电能的汇集与分配作用，而且长度较短，其上的电量损耗远小于交流***损耗，可忽略。目前，对于横截面为50mm2的铝导线价格约为800元/千米，可用做公共直流母线。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，包括：公共直流母线、连接于公共直流母线上的光伏板、连接于配电网与公共直流母线之间的充电桩、连接于配电网与公共直流母线之间的光伏逆变器；
白天时，光伏板发电，充电桩用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相或将轻载相光伏发电转移至重载相；夜晚时，光伏板发电为零，光伏逆变器全部容量用于将配电网的重载相负荷转移至轻载相。
2.根据权利要求1所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述充电桩包括单相直流充电桩、三相直流充电桩、单相交流充电桩和三相交流充电桩。
3.根据权利要求2所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述单相直流充电桩和或三相直流充电桩串联第一单刀双掷空开后与公共直流母线连接；
电动汽车充电时，第一单刀双掷空开切换连通直流充电桩与电动汽车间的开关触点，电动汽车经第一单刀双掷空开接入配电网进行充电；电动汽车不充电时，第一单刀双掷空开切换连通直流充电桩与公共直流母线间的开关触点，使直流充电桩参与配电网负荷平衡。
4.根据权利要求2所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述单相交流充电桩和或三相交流充电桩串联第二单刀双掷空开、AC/DC变流器后与公共直流母线连接；
电动汽车充电时，第二单刀双掷空开切换连通交流充电桩与电动汽车间的开关触点，电动汽车经第二单刀双掷空开接入配电网进行充电；电动汽车不充电时，第二单刀双掷空开切换连通交流充电桩与公共直流母线间的开关触点，使交流充电桩参与配电网负荷平衡。
5.根据权利要求2所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述单相直流充电桩和或三相直流充电桩经导线连接至公共直流母线；电动汽车经第一DC/DC变换器接入公共直流母线，通过调节第一DC/DC变换器的占空比控制电动汽车的充电功率。
6.根据权利要求2所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述单相交流充电桩和或三相交流充电桩串联AC/DC变流器后与公共直流母线连接；电动汽车经第一DC/DC变换器接入公共直流母线，通过调节第一DC/DC变换器的占空比控制电动汽车的充电功率。
7.根据权利要求1所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述公共直流母线配置有多副，所述光伏板、光伏逆变器、充电桩连接至距离最近的公共直流母线上。
8.根据权利要求1所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述光伏逆变器包括：单相光伏逆变器、两相光伏逆变器和三相光伏逆变器。
9.根据权利要求1所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述光伏板串联二极管及第二DC/DC变换器后接入公共直流母线。
10.根据权利要求1所述的低压配电网三相负荷控制***，其特征在于，所述公共直流母线上还连接有储能***。
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