CN115117901A - 应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统 - Google Patents

应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统。该方法包括如下步骤：智能融合终端周期性向智能塑壳开关和光伏并网开关下发请求指令；智能塑壳开关上送分路节点视在功率，光伏并网开关读取光伏逆变实时功率并上送；智能融合终端基于接收的分路节点视在功率和光伏逆变实时功率采用智能优化算法进行分析处理，获得可调光伏三相逆变功率的最优值并向光伏并网开关下发三相逆变调节请求指令；光伏并网开关接收所述三相逆变调节请求指令并设置相关联的光伏逆变器，光伏逆变器执行逆变输出功率调节。本发明能够确保台变侧区域，以及台变侧至用户末端之间线路的三相平衡，兼具系统性、全域性和经济性的优点。

Description

应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统
技术领域
本发明涉及智能配电技术领域，尤其涉及应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统。
背景技术
目前，低压光伏接入只在台区末端提供分布式电能，实际上光伏接入可以通过逆变器进行线路的能量调节，实现台区末端的电能质量治理，例如：功率因数、三相不平衡等。
低压台区通常经过10kV/400V变压器降压后，以三相四线制向用户供电，是三相生产用电与单相负荷混合用电的供电网络。由于台区单相负荷增长的不可预测性，新用户负荷随机相位接入，以及电力设备使用时间的差异和季节性用电的不稳定性，三相电力负载偏离早期的电力规划，导致台区三相不平衡。三相不平衡的表现是在电力系统中三相电流(或电压)幅值不一致，且幅值差超过规定范围。台区三相不平衡会造成变压器和线路损耗，增加中性线线损，也会显著降低线路中电动机效率，也会使电动机的温度上升并且产生无功损耗。电动机若长期运行在三相不平衡的状况下，会对电动机寿命和其他相关的联动设备造成不利的影响。
供电公司采取各种措施解决配电台区的三相不平衡问题，常用的办法包括变压器侧安装静态电容器或SVG装置，以及在用户负荷节点处安装三相换相开关。在变压器侧安装电容器无法应对变化单相负荷接入，加装SVG装置可以应对负荷接入的快速变化，但是二者的三相不平衡治理范围仅限于配电的台变侧区域(见图1的区域I)，范围很小，有很大的局限性。在用户末端负荷处安装换相开关，通过单相负荷快速切换相位保障用户末端至台变侧之间区域(见图1的区域II)的三相负荷平衡，该方法具有系统性、全局性的优点，但是换相开关成本较高，每个用户负荷都配套换相开关会导致台区建设成本很高，不具有经济性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统。在所述方法及系统中，通过台区变压器侧安装的SVG装置自动监测台变侧区域的实时功率，并通过IGBT电力电子器件进行该区域的功率切换转移，保证台变侧区域的三相平衡；另一方面，结合分路节点的量测视在功率和分路节点下级区域户用末端的光伏逆变器的实时发电功率，台区变压器侧的智能融合终端计算户用末端光伏需要三相逆变的功率参数，并下发光伏逆变指令给相关的并网开关，最终由光伏逆变器执行指令进行逆变输出，抵消所属区域的负荷三相不平衡功率需求，从而保证台变侧至用户末端之间的大范围线路的三相平衡。该系统和方法具有系统性和全域性的优点。另外，光伏逆变器采用三相独立可调式光伏逆变器，其他所涉及的设备都是低压台区中现存的设备，不需要额外投资，该系统和方法还具有经济性的优点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
智能融合终端周期性的向智能塑壳开关和光伏并网开关下发请求指令；
所述智能塑壳开关根据接收的请求指令上送分路节点视在功率，所述光伏并网开关根据接收的请求指令读取所关联的光伏逆变实时功率并上送；
智能融合终端基于接收的分路节点视在功率和光伏逆变实时功率采用智能优化算法进行分析处理，获得可调光伏三相逆变功率的最优值并向光伏并网开关下发三相逆变调节请求指令；
光伏并网开关接收所述三相逆变调节请求指令并设置相关联的光伏逆变器，光伏逆变器执行逆变输出功率调节，确保主电网台变侧区域至用户末端之间线路的三相平衡。
所述，所述智能优化算法，具体包括如下步骤：
设计目标函数，所述目标函数形式如下：
Figure BDA0003700267110000021
s.t.
Figure BDA0003700267110000022
Figure BDA0003700267110000023
(1-r)*spt_max/3≤sk≤(1+2r)*spt_max/3
Figure BDA0003700267110000024
1≥r＞0
其中S是户用末端光伏逆变器三相逆变调节功率参数，spt_max表示此时刻的光伏接入的总发电功率，可以从光伏逆变器中直接读取；smon_k表示来自智能塑壳开关的分路节点的视在功率；
Figure BDA0003700267110000031
表示来自光伏并网开关的光伏实时功率；sdmd_k表示该分路下级区域的负荷视在功率需求；k＝1,2,3分别表示A、B、C相接入的负荷，r代表光伏逆变器的单相调节逆变因子；
通过空间解析几何的方法将目标函数转化为三维空间中的点向平面的法向量投影，其中，三维空间中的点为A、B、C相的负荷视在功率需求，平面为无单相调节逆变因子约束的光伏逆变器的逆变调节功率参数平面；
判断法向量投影点是否满足平面的单相调节逆变因子约束条件 (1-r)*spt_max/3≤sk≤(1+2r)*spt_max/3，若满足，则当前投影点为可调光伏三相逆变功率的最优值；否则，该投影点到单相调节逆变因子约束区域Π的最小值即为可调光伏三相逆变功率的最优值。
优选地，所述周期性为8～15秒。
优选地，所述智能融合终端分别与智能塑壳开关和光伏并网开关之间通过HPLC通讯。
优选地，所述光伏并网开关和光伏逆变器之间通过RS485通讯。
优选地，还包括如下步骤：采用SVG装置自动调节主电网台变侧区域的三相平衡。
一种应用低压分布式光伏接入的三相不平衡优化系统，包括台变侧区域设置的智能融合终端、低压分路节点上设置的智能塑壳开关、以及所述低压分路节点下级区域户用末端设置的光伏并网开关和光伏逆变器，所述智能融合终端分别与智能塑壳开关和光伏并网开关之间通过HPLC通讯连接；所述光伏并网开关与光伏逆变器之间通过RS485通讯连接。
优选地，所述智能融合终端上集成有HPLC头端模块，所述光伏并网开关和智能塑壳开关上均集成有与所述HPLC头端模块相适配的HPLC尾端模块。
优选地，所述光伏逆变器采用三相独立可调式光伏逆变器。
优选地，还包括安装于台变侧区域的SVG装置，用于自动调节主电网台变侧区域的三相平衡。
基于上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过台区变压器侧的SVG装置自动监测台变侧区域的实时功率，并通过IGBT电力电子器件进行该区域的功率切换转移，保证台变侧区域(见图1的区域I)的三相平衡；另一方面，结合分路节点的量测视在功率和分路节点下级区域户用末端的光伏逆变器的实时发电功率，台区变压器侧的智能融合终端计算户用末端光伏需要三相逆变的功率参数，并下发光伏逆变指令给相关的并网开关，最终由光伏逆变器执行指令进行逆变输出，抵消所属区域的负荷三相不平衡功率需求，从而保证台变侧至用户末端之间的大范围线路(见图1的区域II)的三相平衡，具有系统性和全域性的优点；
2.本发明的光伏逆变器采用三相独立可调式光伏逆变器，其他所涉及的设备都是低压台区中现存的设备，不需要额外设备投资，具有经济性的优点。
附图说明
图1是一个实施例中应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化系统的结构框图；
图2是一个实施例中应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法流程图；
图3是一个实施例中台变侧智能融合终端的协同控制流程图；
图4是一个实施例中光伏并网开关的协同控制流程图；
图5是一个实施例中台区低压分支智能塑壳开关的协同控制流程图；
图6是一个实施例中区域负荷在光伏逆变平面投影I的示意图；
图7是一个实施例中区域负荷在光伏逆变平面投影II的示意图；
图8是一个实施例中区域最优的光伏逆变向量的选择的示意图；
图9是在光伏逆变平面中投影点至单相调节逆变因子约束三角形区域的边投影的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本实施例提供一种应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化系统，包括了SVG装置、智能融合终端、智能塑壳开关、光伏并网开关、光伏逆变器、HPLC头端模块和HPLC尾端模块等。其一方面，通过台区变压器侧的SVG装置自动监测台变侧区域的实时功率，并通过IGBT电力电子器件进行该区域的功率切换转移，保证台变侧区域的三相平衡(见图1的区域I)。另一方面，结合分路节点的量测视在功率和分路节点下级区域户用末端的光伏逆变器的实时发电功率，台区变压器侧的智能融合终端计算户用末端光伏需要三相逆变的功率参数，并下发光伏逆变指令给相关的并网开关，最终由光伏逆变器执行指令进行逆变输出，抵消所属区域的负荷三相不平衡功率需求，从而保证台变侧至用户末端之间的大范围线路(见图1的区域II)的三相平衡，参考图2。本系统中光伏逆变器是三相独立可调式光伏逆变器，其他所涉及的设备都是低压台区中现存的设备，不需要额外投资。详细说明如下：
SVG装置是一个成熟的谐波治理、无功补偿、三相不平衡优化的综合设备，其安装在台区变压器附近的台变电气柜内部，实时测量变压器的电气工况，并进行IGBT电力电子器件进行测量点附近功率转移和补偿，实现台变侧的线路的三相平衡。
HPLC头端模块安装在智能融合终端上，在一个台区的HPLC通讯网络中有且仅有一个 HPLC头端模块，实现整个台区的通讯报文汇聚、转发和通信调度。如果HPLC头端模块不工作，那么台区HPLC通讯网络将无法进行通讯。HPLC尾端模块安装在每一个智能塑壳开关和光伏并网开关上，实现它们和智能融合终端之间的通信。智能塑壳开关和光伏并网开关之间的HPLC尾终端模块无法直接通讯，需要通过HPLC头端模块进行转发。HPLC头端模块和HPLC尾端模块这两类模块协同，基于台区内部既有的电力线进行相互通讯，无需进行另外的工程施工。
智能融合终端安装在台区变压器附近的台变电气柜内部，集遥测、遥信、集抄、台区拓扑、统计、无线通信、HPLC通讯功能于一体，是以低压配电台区为自治单元的核心大脑。智能融合终端通过HPLC头端模块和台区内的智能塑壳开关、光伏并网开关进行交互。一方面广播请求上送分路节点量测功率以及光伏实时功率的指令，在接收来自智能塑壳开关的分路量测点的视在功率和来自光伏并网开关转发的光伏实时发电功率后，智能融合终端会根据台区拓扑，计算智能塑壳开关所在分路节点下级区域中负荷消耗的总视在功率。另一方面，根据三相不平衡智能优化算法，计算该下级区域户用末端最优的可调光伏三相逆变功率，通过HPLC通讯和光伏并网开关协同控制，实现相应的光伏逆变器逆变输出功率，补偿该区域的负荷不平衡。智能融合终端的工作控制流程，如图3所示：
1)智能融合终端会定时每10秒钟启动台区三相不平衡优化任务，通过HPLC头端模块在整个台区中广播上送分路节点量测视在功率以及户用末端光伏实时发电功率的指令；
2)当收到来自智能塑壳开关的分路节点实时量测视在功率smon_k和来自光伏并网开关的光伏实时发电功率
Figure BDA0003700267110000051
后，智能融合终端会根据台区拓扑计算台区每个低压分路区域负荷实时消耗的总视在功率
Figure BDA0003700267110000052
3)根据三相不平衡智能优化算法，智能融合终端计算低压分路下级区域户用末端的可调光伏三相逆变功率的最优值，然后通过HPLC头端模块发送给相应的光伏并网开关，最终由光伏并网开关所关联的光伏逆变器进行逆变输出功率调节。
其中，三相不平衡智能优化算法是通过三维空间解析几何的方法，求解基于台区三相不平衡治理的分布式光伏三相逆变调节功率向量的非线性最优化问题。最优化问题的数学函数，形式如下：
Figure BDA0003700267110000061
s.t.
Figure BDA0003700267110000062
Figure BDA0003700267110000063
(1-r)*spt_max/3≤sk≤(1+2r)*spt_max/3
Figure BDA0003700267110000064
1≥r＞0
其中S是户用末端光伏逆变器三相逆变调节功率参数，spt_max表示此时刻的光伏接入的总发电功率，可以从光伏逆变器中直接读取；smon_k表示来自智能塑壳开关的分路节点的视在功率；
Figure BDA0003700267110000066
表示来自光伏并网开关的光伏实时功率；sdmd_k表示该分路下级区域的负荷视在功率需求；k＝1,2,3分别表示A、B、C相接入的负荷。
r代表三相独立可调式光伏逆变器的单相调节逆变因子，表示在三相独立可调式光伏逆变器相间切换功率与平均发电功率的最大比例，是三相独立可调式光伏逆变器的固有属性。例如：光伏逆变器此刻的发电功率是6kW，r为0.8，那么默认每相的逆变功率为2kW，可以在相间切换的最大功率为1.6kW，因此某一相的发电功率最小为0.4kW，最大为5.2kW。
上述的非线性带约束的优化问题是很难求解的。由于涉及的向量S是3维，可以通过空间解析几何的方法把目标函数转化为三维空间中点(A、B、C相的负荷视在功率需求)向平面(无单相调节逆变因子约束的光伏逆变器的逆变调节功率参数平面)的法向量投影。
Figure BDA0003700267110000065
如果法向量投影点是满足该平面的单相调节逆变因子约束条件 (1-r)*spt_max/3≤sk≤(1+2r)*spt_max/3那么该投影点就是最优解，即可调三相逆变功率的目标参数Sopt＝S，如图6所示。
如果投影点S不满足该平面的单相调节逆变因子约束条件(参考图7)，那么该投影点到单相调节逆变因子约束区域Π的最小值就是最优解，即可调三相逆变功率目标参数(参考图8)。由于单相调节逆变因子约束区域Π是一个三角形区域，那么投影点到该区的最短距离连接点，一定在到三角形的边的垂直映射点集合{Di|i＝1,2,3}(参考图9)中。那么选取三个垂直映射点中满足该映射点在单相调节逆变因子约束区域Λ，并且距离最短 {hi|hi＝hopt,Di∈Λ}的那个映射点即为最优解，也就是可调三相逆变功率的目标参数。具体的公式为：
Figure BDA0003700267110000071
Figure BDA0003700267110000072
Figure BDA0003700267110000073
Λ＝{Di|Di∈Π，i＝1，2，3}
hopt＝min{hi|hi＝|SDi|，Di∈Λ}
Sopt＝{Di|hi＝hopt，hi＝|SDi|，Di∈Λ}
智能塑壳开关安装在台区的各个分支箱内，实现该分路节点的电气工况(电压、电流、频率、视在功率等)监测和开关控制等功能。在接收到来自智能融合终端的请求上送节点量测功率指令，智能塑壳开关会通过HPLC尾端模块向智能融合终端上送所在分路节点的实时视在功率。智能塑壳开关的工作控制流程，如图5所示。
1)智能塑壳开关的HPLC尾端模块会实时监测是否存在来自智能融合终端的指令，当收到指令时，将及时触发任务处理；
2)如果收到的指令是请求上送分路节点实时视在功率的指令，智能塑壳开关会测量该时刻的所属分路节点的视在功率，并通过HPLC尾端模块上送给台变侧的智能融合终端；
3)如果收到其他指令，智能塑壳开关将会忽略，或进行其他的业务操作流程(不属于本专利的关注范围)。
光伏并网开关安装光伏并网箱等内部，一方面通过HPLC尾端模块和智能融合终端通信，另一方面通过RS485和附近的光伏逆变器通信。光伏并网开关具有光伏并网点的电气监测、开关控制和相关光伏逆变器交互等功能。光伏并网开关的工作控制流程，如图4所示：
1)光伏并网开关的HPLC尾端模块会实时监测是否存在来自智能融合终端的指令，当收到指令时，将及时触发任务处理；
2)如果收到的指令是请求上送光伏实时功率的指令，光伏并网开关通过RS485从关联的光伏逆变器中获取该时刻的光伏实时发电功率，并通过HPLC尾端模块上送给台变侧的智能融合终端；
3)如果收到的指令是请求调节光伏进行三相逆变输出功率的指令，光伏并网开关通过RS485设置关联的光伏逆变器三相逆变发电功率，最终由该光伏逆变器进行三相逆变输出调节，补偿所在下级区域的负荷不平衡，从而保障从台变侧至其上级分路节点之间大范围线路的平衡；
4)如果收到其他指令，光伏并网开关将会忽略，或进行其他的业务操作流程(不属于本专利的关注范围)。
以上所述仅为本发明所公开的应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法及系统的优选实施方式，并非用于限定本说明书实施例的保护范围。凡在本说明书实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
智能融合终端周期性的向智能塑壳开关和光伏并网开关下发请求指令；
所述智能塑壳开关根据接收的请求指令上送分路节点视在功率，所述光伏并网开关根据接收的请求指令读取所关联的光伏逆变器的光伏实时功率并上送；
智能融合终端基于接收的分路节点视在功率和光伏逆变实时功率采用智能优化算法进行分析处理，获得可调光伏三相逆变功率的最优值，并向光伏并网开关下发三相逆变调节请求指令；
光伏并网开关接收所述三相逆变调节请求指令并设置相关联的光伏逆变器，光伏逆变器执行逆变输出功率调节，确保主电网台变侧区域至用户末端之间线路的三相平衡。
2.根据权利要求1所述的应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，所述智能优化算法，具体包括如下步骤：
设计目标函数，所述目标函数形式如下：
Figure FDA0003700267100000011
s.t.
Figure FDA0003700267100000012
Figure FDA0003700267100000013
(1-r)*spt_max/3≤sk≤(1+2r)*spt_max/3
Figure FDA0003700267100000014
1≥r＞0
其中S是户用末端光伏逆变器三相逆变调节功率参数，spt_max表示此时刻的光伏接入的总发电功率，可以从光伏逆变器中直接读取；smon_k表示来自智能塑壳开关的分路节点的视在功率；
Figure FDA0003700267100000015
表示来自光伏并网开关的光伏实时功率；sdmd_k表示该分路下级区域的负荷视在功率需求；k＝1,2,3分别表示A、B、C相接入的负荷，r代表光伏逆变器的单相调节逆变因子；
通过空间解析几何的方法将目标函数转化为三维空间中的点向平面的法向量投影，其中，三维空间中的点为A、B、C相的负荷视在功率需求，平面为无单相调节逆变因子约束的光伏逆变器的逆变调节功率参数平面；
判断法向量投影点是否满足平面的单相调节逆变因子约束条件(1-r)*spt_max/3≤sk≤(1+2r)*spt_max/3，若满足，则当前投影点为可调光伏三相逆变功率的最优值；否则，该投影点到单相调节逆变因子约束区域Π的最小值即为可调光伏三相逆变功率的最优值。
3.根据权利要求1所述的应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，所述周期性为8～15秒。
4.根据权利要求1所述的应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，所述智能融合终端分别与智能塑壳开关和光伏并网开关之间通过HPLC通讯。
5.根据权利要求1所述的应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，所述光伏并网开关和光伏逆变器之间通过RS485通讯。
6.根据权利要求1所述的应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化方法，其特征在于，还包括如下步骤：采用SVG装置自动调节主电网台变侧区域的三相平衡。
7.一种应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化系统，其特征在于，包括台变侧区域安装的智能融合终端、低压分路节点上安装的智能塑壳开关、以及所述低压分路节点下级区域户用末端安装的光伏并网开关和光伏逆变器，所述智能融合终端分别与智能塑壳开关和光伏并网开关之间通过HPLC通讯连接；所述光伏并网开关与光伏逆变器之间通过RS485通讯连接。
8.根据权利要求7所述的一种应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化系统，其特征在于，所述智能融合终端上集成有HPLC头端模块，所述光伏并网开关和智能塑壳开关上均集成有与所述HPLC头端模块相适配的HPLC尾端模块。
9.根据权利要求7所述的一种应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化系统，其特征在于，所述光伏逆变器采用三相独立可调式光伏逆变器。
10.根据权利要求7所述的一种应用分布式光伏接入的台区三相不平衡优化系统，其特征在于，还包括安装于台变侧区域的SVG装置，用于自动调节主电网台变侧区域的三相平衡。
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