CN107863778B - 一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置及方法，包括控制机构及执行机构，所述执行机构包括开关阵列和储能系统，所述储能系统包括储能设备及与之对应单相逆变器，所述控制机构包括储能充放电控制器和主控制器；主控制器对储能系统状态、开关阵列的开关量信息以及变压器低压侧的三相电流和相序的实时数据进行分析、处理，向开关阵列和储能充放电控制器发出最优控制指令。本发明可控性好，各相独立控制，可通过储能设备在三相间充电和放电的切换实现三相线路上的不平衡负荷调节。

Description

一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置及方法

技术领域

本发明涉及智能配电技术领域，特别是涉及一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置及方法。

背景技术

配电网位于电力系统的末端，承担着为用电客户提供稳定、可靠、高质量电能的重任，其特点是传输距离长，电压等级低，点多面广，且运行状态受电网运行方式和负荷变化的影响较大。我国以三相四线制为主的配电网，主要为农电系统和城镇居民供电，供电区域内用户多且分布不均匀，使得配电网中存在大量时空分布不均匀且具有较高的随机性的单相负荷，导致配电网中不可避免的存在不同程度的三相负荷不平衡问题。随着负荷种类、数量以及单相负荷、非线性负荷和冲击性负荷比例的增加，配电网三相不平衡问题将愈发严重；此外，配电网实际中存在的单相或两相线路运行方式，以及近年来越来越多的单相光伏和电动汽车接入配电系统，也在一定程度上加剧了配电网的三相不平衡程度。然而，配电网的三相不平衡运行，显著降低了配电网的电能质量和安全稳定运行能力，增大了线路损耗，影响了电网的经济效益。因而，降低配电网中三相负荷不平衡度，提高配电网的经济运行水平和供电电压质量是急需解决的问题。

三相负荷不平衡是造成配电网三相不平衡的主要原因，如果能将不平衡的负荷平均分配到各相上，则可使配电网三相达到平衡。目前主要有负荷相序平衡、配电网重构和负荷补偿三种方法来解决配电网三相不平衡问题。

负荷相序平衡是在不改变配电网原有网架结构的前提下，依靠人工或自动换相装置对不平衡负荷或馈线进行换相，使负荷平均分配到各相上以降低三相不平衡度。由于用电负荷的随机性和不确定性，很难根据实际负荷不平衡状况进行换相调整，且换相时不可避免地影响用户供电连续性，并在一定程度上存在安全隐患。

配电网重构是配电系统运行优化的一种有效手段，其通过改变配电网中的开关分合状态实现馈线和变压器间的负荷转移，但实际上仅通过配电网重构并不能有效降低系统的三相不平衡度。而且，配电网重构实际上是一个复杂的非线性多目标组合优化问题，目前大多仍停留在理论研究阶段，实际中应用较少。

负荷补偿主要是通过在配电网电源侧或负荷侧通过并联一个补偿网络，对三相不平衡负荷进行补偿，以降低三相电流不平衡度，使系统由不平衡状态被调整到平衡状态，其补偿导纳的求取是关键，该方法需要增加并联补偿网络，通常控制复杂，且造价费用较高。

上述关于解决三相负荷不平衡问题的方法各有其优缺点，在当前配电网中主要是基于负荷相序平衡原理的解决方案，配电网重构和负荷补偿大多仍停留在理论研究阶段。

当前配电网基于负荷相序平衡原理，通常采用人工手动切换负荷相序或采用自动投切的电容器组进行补偿，以缓解三相不平衡对配电网稳定运行带来的不良影响，这种方式无法做到实时调节且经济性差，不仅影响了供电的连续性，还存在一定的安全隐患；虽然目前也出现了一些基于负荷平衡原理的自动换相装置，但大多只适用于负荷支路不多的低压配电网，负荷平衡能力和使用范围有限。

综上所述，现有技术中对于配电网中三相负荷不平衡的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的之一是提供了一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，该换相储能式三相不平衡治理装置借鉴了负荷平衡和负荷补偿原理，能够在三相负荷不平衡时通过储能装置更换相序充、放电，实时、快速、无冲击的调节配电网电流不平衡度，达到整个配电网的三相负荷完全或最大限度地平衡，而不影响用户的供电可靠性，减少电能损耗并保证供电能质量。

一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，包括控制机构及执行机构，所述执行机构包括开关阵列和储能系统，所述储能系统包括储能设备及与之对应的单相逆变器，所述控制机构包括储能充放电控制器和主控制器；

所述主控制器对储能系统状态、开关阵列的开关量信息以及变压器低压侧的三相电流和相序的实时数据进行处理，向开关阵列和储能充放电控制器发出最优控制指令；

所述开关阵列用于实现对储能设备充放电相序的更换，使得储能系统能在A、B、C三相之间进行自由切换进行充、放电，所述储能充放电控制器根据主控制器指令，对储能设备充、放电电流和逆变器输出波形进行控制，使储能设备按指令进行充、放电，实现带负荷情况下的三相负荷平衡调控。

进一步的，所述主控制的信号输入端与电流传感器的信号输出端连接，主控制器的输出端通过有线通信或无线通信与换相开关控制输入端和储能设备充放电控制器相连。

进一步的，所述储能设备由蓄电池组串并联构成；单相逆变器采用PWM控制的全控型IGBT绝缘栅双极晶体管或IGCT集成门极换流晶闸管。

进一步的，所述开关阵列由复合开关单元组成，每个开关阵列包含3个复合开关单元，分别对应A、B、C三相，每个复合开关单元包括磁保持继电器和电力电子开关，通过驱动电路控制磁保持继电器的控制信号和电力电子开关的触发脉冲信号，以实现对每相磁保持继电器和电力电子开关进行独立控制，利用电力电子器件实现快速换相，利用磁保持继电器实现充放电电路的连通。

进一步的，所述主控制器与储能充放电控制器之间通过GPRS移动通信、电力载波通信、无线通信、有线485通信中的一种或几种进行通信。

进一步的，所述控制机构及执行机构可根据实际情况需要安装在变压器低压侧三相线路始端或分支线路上。

进一步的，所述开关阵列连接至配电网，具体为：A、B、C三相接线端是从低压配电网主干线路上引出三相线路，并分别与三个独立的开关阵列的A、B、C三个进线接口连接。

进一步的，每个开关阵列由电力电子开关和磁保持继电器并联而成，且正常情况下每个开关阵列中至多有一相复合开关单元保持接通状态。

进一步的，所述控制机构实时检测配电变压器低压侧出口三相电流与相序信息，储能设备运行状态和换相开关的开关量信息，并根据三相电流不平衡度和各储能设备的状态，通过设定三相电流不平衡度最小和储能设备充放电开关次数最少的优化目标，采用优化算法判定换相式储能设备的运行方式，而后向执行机构发控制指令，实时的在线平衡三相线路上的负荷。

进一步的，所述主控制器包括：

实时数据采集单元：连接配电变压器、储能设备、开关阵列，采集配电变压器低压侧电流大小、相位、相序信息、储能设备状态、换相开关状态信息，并与实时通信单元连接；

实时通信单元：通过与外部设备通信，实现外部设备与主控制器之间的实时信息互换；

三相电流不平衡度计算单元：连接实时数据采集单元，根据实时采集的配变低压侧电流数据生成实时三相电流不平衡度；

综合分析判断单元：与实时三相电流不平衡度生成单元连接，将储能设备充放电信息与实时三相电流不平衡度进行分析，并判断是否满足相关约束条件，为决策提供依据；

最优指令计算单元：根据实时采集的三相电流、储能系统状态及开关量实时信息，运用优化算法进行优化计算得到最优换相和储能设备充放电指令。

本发明的目的之二是还提供了一种换相储能式三相负荷不平衡治理方法，包括以下步骤：

采集配电变压器低压侧电流大小、相位相序信息、储能设备状态、换相开关状态信息；

根据实时采集的配变低压侧电流数据生成实时三相电流不平衡度，即电流负序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比；

将储能设备充放电信息与实时三相电流不平衡度进行分析，如果三相电流不平衡度大于规定的门槛值，则储能装置动作，通过切换相序充放电将三相电流不平衡度控制在限值范围内，并判断是否满足相关约束条件；

根据实时采集的三相电流、储能系统状态及开关量实时信息，运用以三相电流不平衡度及储能开关切换次数最小为目标函数的优化算法进行优化计算得到最优换相和储能设备充放电指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可控性好。可通过储能设备在三相间的充电和放电实现三相线路上的不平衡负荷调节。

2.本发明实时性强。储能设备响应速度快，当出现负荷不平衡时，通过开关的通断即可进行充、放电，快速调节线路负荷平衡。

3.本发明不停电调节且对电网无冲击。储能设备充、放电平稳，不会对配电网产生出现过压、过流冲击。

4.本发明经济性好。可实现模块化设计，降低成本。

5.本发明结构紧凑。安装位置灵活，适用范围广。

6.本发明安全可靠。各相独立控制，避免相间短路，且储能设备可在配电网断电时继续为负荷供电一段时间，提高供电可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

附图1换相储能式三相不平衡治理在低压配电网上的应用示意图；

附图2换相储能式三相不平衡治理装置结构图；

附图3控制机构组成结构图；

附图4主控制器功能模块图；

附图5换相储能式三相负荷不平衡治理流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

随着电力电子和储能技术的发展，电力系统的控制和调节方式有了更多的可能，若能将电力电子器件的快速通断能力与储能设备的充放电特性相结合，将其应用在配电网的三相负荷不平衡治理上，必能起到良好的效果。

三相负荷不平衡是造成低压配电网三相不平衡的主要原因，如果能通过对储能设备和电力电子器件的控制实现低压配电网三相不平衡电流最小，则可使三相不平衡系统达到动态平衡。例如当A相负荷较重，B、C相负荷较轻时，可以将储能设备等效为电源，对A相线路上的负荷供电，以减少变压器低压侧A相输出功率，使变压器三相输出功率达到平衡；或者将储能设备等效为负荷，由B、C两相向储能设备充电，从而使三相线路上的负荷达到平衡；或同时让储能设备向A相线路负荷供电，B、C相线路向其它的储能设备充电，以实现三相负荷平衡。根据该思路，设计的换相储能式三相不平衡治理装置在配电网中应用如图1所示，该装置主要由控制机构和执行机构两部分组成，且可根据实际情况需要安装在变压器低压侧三相线路始端或分支线路上。

正如背景技术所介绍的，现有技术中对配电网三相负荷不平衡的治理存在明显的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置。

换相储能式三相负荷不平衡治理装置的执行机构由换相开关和储能系统(由单相逆变器和储能设备组成)组成，换相开关主要功能是实现对储能设备充放电相序的更换，储能系统则主要通过充电和放电平衡线路上的负荷。控制机构则包括储能充放电控制器和主控制器两部分，储能充放电控制器根据主控制器指令，对储能设备充、放电电流和逆变器输出波形进行控制，从而实现对储能设备的充、放电功率和输出电能质量的控制；主控制器则主要对储能系统状态、换相开关的开关量信息以及互感器采集到的变压器低压侧的三相电流和相序的实时数据进行分析、判断，并通过优化计算，向换相开关和储能充放电控制器发出最优控制指令，使储能装置按指令进行充、放电，实现带负荷情况下的三相负荷平衡调控，达到提高配电网经济运行和供电质量的目的。

本申请的一种典型的实施方式中，如图2所示，提供了一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，该一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置包括控制机构和执行机构；其中：

控制机构至少包括一个主控制器和相应外围设备；

所述的执行机构至少包括一组储能设备及与之配套的单相逆变器和换相开关阵列；

该执行机构主要由3部分组成，储能系统、三相接线端、开关阵列。

储能系统包含三套独立的储能设备及与之对应单相逆变器，储能系统的充、放电功率和输出波形的调节，通过充、放电控制器对储能设备的充、放电电流大小和逆变器的PWM控制实现。

A、B、C三相接线端的作用是从低压配电网主干线路上引出三相线路，并分别与三个独立的开关阵列的A、B、C三个进线接口连接。

开关阵列融合了磁保持继电器和电力电子开关的优点，是实现储能设备换相充、放电的重要部件。每个开关阵列由三个单相复合开关单元构成，分别对应A、B、C三相，每个开关单元由电力电子开关和磁保持继电器并联而成，且正常情况下每个开关阵列中至多有一相开关单元保持接通状态。开关阵列通过驱动电路控制磁保持继电器和电力电子器件的通断，以实现对每相磁保持继电器和电力电子开关进行独立控制，使得储能系统能在A、B、C三相之间进行自由切换进行充、放电。储能换相充、放电时通过电力电子开关和磁保持继电器配合实现相序更换，如其中一套储能设备由A相切换到B相时，B相电力电子开关先闭合，随后B相磁保持继电器闭合，然后断开A相磁保持继电器和B相电力电子开关，即可完成换相充、放电。其它换相操作亦如此。

本发明的另一具体实施例子中，针对控制机构的具体实现方案，如图3所示，控制机构组成结构如图3所示，主要包括主控制器及相应的外围设备。它是实时在线治理三相负荷不平衡的核心部件，它可实时检测配电变压器低压侧出口三相电流与相序信息，储能设备运行状态和换相开关的开关量信息，并根据三相电流不平衡度和各储能设备的状态，通过设定三相电流不平衡度最小和储能设备充放电开关次数最少的优化目标，在相关约束条件下，采用优化算法判定换相式储能设备的运行方式，而后向执行机构发控制指令，实时的在线平衡三相线路上的负荷。

本发明的再一具体实施例子中，针对主控制器的具体实现方案，换相储能式三相负荷不平衡治理装置主控制器主要由互感器、数据采集芯片(A/D转换器)、数据存储器、数字信号处理器(digital signal processor，DSP)等几部分组成；外围设备则包括相应的电源系统、人机交互模块、数据远程通信接口等。交流采样模拟量信号经过互感器等信号处理电路后，通过DSP进行计算和分析处理，结果保存在数据存储器中，随时向外部接口提供信息和进行数据交换。其功能模块如图4所示。其各部分功能如下：

1)实时数据采集单元：连接配电变压器、储能设备，采集配电变压器低压侧电流、相序信息、储能设备状态、换相开关状态等信息，并与实时通信单元连接。

2)实时通信单元：通过与外部设备通信，实现外部设备与主控制器之间的实时信息互换。

3)三相电流不平衡度计算单元：连接实时数据采集单元，根据实时采集的配变低压侧电流数据生成实时三相电流不平衡度。电流不平衡度的计算采用《GB/T-15543-2008电能质量三相电压不平衡度》中关于三相电流不平衡度的定义：即电流负序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比。电流不平衡度的表达式为：

式中：ε_I为三相电流的不平衡度；I₁为三相电流的正序分量方均根值，单位为(A)；I₂为三相电流的负序分量方均根值，单位为(A)。

4)综合分析判断单元：与实时三相电流不平衡度生成单元连接，将储能设备充放电信息与实时三相电流不平衡度进行分析，并判断是否满足相关约束条件，为决策提供依据。通过分析判断，如果三相电流不平衡度大于规定的门槛值，则储能装置动作，通过切换相序充放电将三相电流不平衡度控制在限值范围内。考虑的约束条件有：电流不平衡度、线路载流量及储能装置的最大充放电功率、荷电状态、容量约束等。

5)最优指令计算单元：根据实时采集的三相电流、储能系统状态及开关量实时信息，运用优化算法进行模型优化计算得到最优换相和储能设备充放电指令。优化计算主要是以三相电流不平衡度及储能开关切换次数最小为目标函数，考虑4)中所述约束条件所构建的优化模型，通过一定的优化算法(如：分支定界算法、遗传算法等)求解获得最优的换相控制策略和储能充放电功率。

6)指令发送及信息记录：将生成的最优指令发生出去，并记录相关指令信息为后期分析优化提供依据。

本发明的再一种实施例子中，还公开了换相储能式三相负荷不平衡治理方法，包括以下步骤：

根据三相电流不平衡度和各储能设备的状态，通过判断相关约束条件和相关算法判定换相式储能设备的运行方式，对执行机构发送控制指令对三相线路上的负荷不平衡问题进行调节，其具体流程如图5所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，包括控制机构及执行机构，所述执行机构包括开关阵列和储能系统，所述储能系统包括三套独立的储能设备及与之对应的单相逆变器，所述控制机构包括储能充放电控制器和主控制器；

所述主控制器对储能系统状态、开关阵列的开关量信息以及变压器低压侧线路出口处的三相电流大小、相位及相序的实时数据进行处理，向开关阵列和储能充放电控制器发出最优控制指令；

所述开关阵列用于实现对储能设备充放电相序的更换，使得储能系统能在A、B、C三相之间进行自由切换进行充、放电，所述储能充放电控制器根据主控制器指令，对储能设备充、放电电流和逆变器输出波形进行控制，使储能设备按指令进行充、放电，实现带负荷情况下的三相负荷平衡调控；

所述开关阵列连接至配电网，具体为：A、B、C三相接线端是从低压配电网主干线路上引出三相线路，并分别与三个独立的开关阵列的A、B、C三个进线接口连接；且正常情况下每个开关阵列中至多有一相复合开关单元保持接通状态；

所述开关阵列由复合开关单元组成，每个开关阵列包含3个复合开关单元，分别对应A、B、C三相，每个复合开关单元由磁保持继电器和电力电子开关并联而成，通过驱动电路控制磁保持继电器的控制信号和电力电子开关的触发脉冲信号，以实现对每相磁保持继电器和电力电子开关进行独立控制，利用电力电子开关实现快速换相，利用磁保持继电器实现充放电电路的连通。

2.如权利要求1所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，所述主控制器的信号输入端与电流传感器的信号输出端连接，主控制器的输出端通过有线通信或无线通信与开关阵列控制输入端和储能设备充放电控制器相连。

3.如权利要求1或2所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，所述储能设备由蓄电池组串并联构成；单相逆变器采用PWM控制的全控型IGBT绝缘栅双极晶体管或IGCT集成门极换流晶闸管。

4.如权利要求1所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，所述主控制器与储能充放电控制器之间通过GPRS移动通信、电力载波通信、无线通信、有线485通信中的一种或几种进行通信。

5.如权利要求1所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，所述控制机构及执行机构可根据实际情况需要安装在变压器低压侧三相线路始端或分支线路上。

6.如权利要求1所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，所述控制机构实时检测配电变压器低压侧出口三相电流与相序信息，储能设备运行状态和开关阵列的开关量信息，并根据三相电流不平衡度和各储能设备的状态，通过设定三相电流不平衡度最小和储能设备充放电开关次数最少的优化目标，采用优化算法判定换相式储能设备的运行方式，而后向执行机构发控制指令，实时的在线平衡三相线路上的负荷。

7.如权利要求1所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置，其特征是，所述主控制器包括：

实时数据采集单元：连接配电变压器、储能设备、开关阵列，采集配电变压器低压侧电流大小、相位、相序信息、储能设备状态、开关阵列状态信息，并与实时通信单元连接；实时通信单元：通过与外部设备通信，实现外部设备与主控制器之间的实时信息互换；三相电流不平衡度计算单元：连接实时数据采集单元，根据实时采集的配变低压侧电流数据生成实时三相电流不平衡度；

综合分析判断单元：与实时三相电流不平衡度生成单元连接，将储能设备充放电信息与实时三相电流不平衡度进行分析，并判断是否满足相关约束条件，为决策提供依据；

最优指令计算单元：根据实时采集的三相电流、储能系统状态及开关量实时信息，运用优化算法进行优化计算得到最优换相和储能设备充放电指令。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种换相储能式三相负荷不平衡治理装置的使用方法，其特征是，包括以下步骤：

采集配电变压器低压侧电流大小、相位、相序信息、储能设备状态、开关阵列状态信息；

根据实时采集的配变低压侧电流数据生成实时三相电流不平衡度，即电流负序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比；

将储能设备充放电信息与实时三相电流不平衡度进行分析，如果三相电流不平衡度大于规定的门槛值，则储能装置动作，通过切换相序充放电将三相电流不平衡度控制在限值范围内，并判断是否满足相关约束条件；

根据实时采集的三相电流、储能系统状态及开关量实时信息，运用以三相电流不平衡度及储能开关切换次数最小为目标函数的优化算法进行优化计算得到最优换相和储能设备充放电指令。

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