摘 要 随着电子技术和信息技术的高速发展，我国电力网络的各个方面都逐步趋于自动化和智能化。与此同时，在能源问题步步紧逼和气候环境日益恶化的大背景下，光伏产业和电动汽车产业也迅速发展起来。然而，当大量的分布式光伏发电系统和电动汽车充电桩未经任何规划地接入电网之后，电力系统中原本就存在的三相不平衡问题变得更加严重了。因此，设计出合理的配电网三相不平衡治理策略是维护电网稳定性、促进智能电网全面建成的重要一步。 本文首先叙述了三相不平衡问题及其治理方法的发展现状，然后对其产生因素中的光伏发电系统和电动汽车做了深入的分析，并依据其工作原理和性质搭建出了相应的仿真模型。本文的核心内容是研究三相不平衡问题的解决策略，因而也对三相不平衡现象本身的概念、原理以及常用的治理方案进行了阐述和分析。而本文所选择的方法是利用换向开关型三相不平衡调节装置和APF/SVG型无功补偿装置相结合来降低配电网络的三相不平衡度。具体来说是通过换相开关将容量大小相近的分布式光伏和电动汽车负载投切到三相线路的同一相上，使得三相上的负荷能维持平衡。而APF/SVG型无功补偿装置则是在换相开关的基础上进一步改善系统的三相平衡程度，并带有滤波功能。 最后，通过MATLAB的Simulink仿真软件验证了该策略针对由分布式光伏和电动汽车大量并网所引起的三相不平衡问题的可行性和有效性。 关键词：三相不平衡；换相开关；无功补偿装置；分布式光伏；电动汽车

Abstract

With the rapid development of electronic technology and information technology, all aspects of China's power network have gradually become more automated and intelligent. At the same time, the photovoltaic industry and the electric vehicle industry have also developed rapidly under the backdrop of pressing energy issues and the deteriorating climate environment. However, when a large number of distributed photovoltaic power generation systems and electric vehicle charging poles are connected to the grid without any planning, the original three-phase imbalance problem in the power system becomes more serious. Therefore, designing a reasonable three-phase unbalanced control strategy for distribution network is an important step to maintain the stability of the power grid and promote the full construction of the smart grid. This paper first describes the development status of the three-phase unbalanced problem and its treatment methods. Then it makes an in-depth analysis of the photovoltaic power generation system and the electric vehicle in its generating factors, and builds a corresponding simulation model according to its working principle and nature. The core content of this paper is to study the strategy of solving the three-phase imbalance problem. Therefore, the concepts and principles of the three-phase imbalance phenomenon itself and the commonly used governance programs are also described and analyzed. The method chosen in this paper is to use a three-phase unbalanced reversing switch device and APF/SVG reactive power compensation device to reduce the three-phase unbalance of the distribution network. Specifically, the distributed photovoltaic and electric vehicle loads with similar capacity and capacity are switched to the same phase of the three-phase line through the commutation switch, so that the load on the three phases can maintain balance. The APF/SVG type reactive power compensation device is based on the phase change switch to further improve the three-phase balance of the system and has a filtering function. Finally, the MATLAB Simulink simulation software verifies the feasibility and effectiveness of this strategy for the three-phase imbalance caused by the large number of grid-connected photovoltaic and electric vehicles. Keywords: Three-phase unbalance; Phase-commutation switch; Reactive power compensation device; Distributed photovoltaic; Electric vehicle 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 智能台区三相不平衡问题的研究背景及意义 1 1.1.1 智能台区三相不平衡问题的研究背景 1 1.1.2 智能台区三相不平衡问题的研究目的及意义 2 1.2 当前解决智能台区三相不平衡问题的主要途径及其发展现状 3 1.2.1 换相开关型三相不平衡调节装置及其发展现状 3 1.2.2 无功补偿装置及其发展现状 5 1.3本文的研究内容 8 第2章 光伏发电模型的建立 10 2.1 光伏发电系统概述 10 2.2 光伏电池的数学模型 11 2.3 光伏发电系统的模型及仿真 13 2.3.1 并网型光伏的MATLAB仿真模型 13 2.3.2 仿真结果 14 第3章 电动汽车模型的建立 15 3.1 电动汽车概述 15 3.2 电动汽车充放电模型结构 16 3.3 电动汽车的电池模型 17 第4章 三相不平衡理论概述 18 4.1 三相不平衡的基本概念 18 4.1.1 三相不平衡的定义 18 4.1.2 对称分量法 19 4.2 三相不平衡度的计算 20 4.3 三相不平衡产生的原因 21 4.4三相不平衡补偿方法 22 第5章 智能台区三相不平衡治理策略 24 5.1 MATLAB及Simulink简介 24 5.2 换相开关 24 5.2.1 换相开关概述 24 5.2.2 换相开关仿真模型 25 5.3 APF/SVG型无功补偿装置 25 5.3.1 APF/SVG型无功补偿装置概述 25 5.3.2 APF/SVG型无功补偿装置仿真模型 26 5.4 智能台区三相不平衡仿真模型 27 5.5 仿真结果及分析 28 第6章 结论 30 6.1 本文总结 30 6.2 后续工作 30 参考文献 32 致谢 33

第1章 绪论

1.1 智能台区三相不平衡问题的研究背景及意义

1.1.1 智能台区三相不平衡问题的研究背景

随着电气产业的飞速发展，电能质量问题越来越受到关注。衡量电能质量的指标主要包括电压、频率和波形，如果这些指标较正常水平产生过大的偏差，就会对电网运行和电气设备产生危害。电能质量问题归纳起来主要包括以下4个方面：①电压波动(fluctuation)和闪变(flicker);②谐波(harmonics);③电压三相不平衡(unbalance);④电压降低(dip)和供电中断(outage) ^[1]。其中三相不平衡问题是本文研究的核心所在。 电力系统的发展稳步向前推进的同时，低压配电网中的三相不平衡问题也日益突出。从本质上来说，造成三相不平衡的根本原因是接入配电网的负荷不对称。低压配电网的供电模式为三相四线制，然而接入的负荷大多为单相或单相与三相混合负荷。接入负荷本身的性质、接入位置的分散性和用户用电时间的不确定性等种种因素都使得电网中的三相不平衡成为一种客观必然的存在。 表1.1 世界主要国家电动汽车保有量

年份	中国	法国	德国	印度	英国	美国	日本
2014	120,000	30,912	24,419	7,584	21,425	275,104	108，248
2020	500万	200万	100万	700万	150万	150万	200万

能源枯竭和环境恶化代表着人类生存的最大危机，因而有限的能源和日益严峻的环境问题时时限制着人类的发展。在这样的大背景下，可再生能源、清洁能源、环境友好型产业逐步成为各国关注的焦点，其中光伏产业和电动汽车产业发展得尤为突出。现阶段，太阳能光伏发电范围正在不断扩大，逐渐从补充能源变为主要能源。现今世界已有20多家大型的太阳能光伏发电站，预计2020年占国际发电总量的1%，2040年将达到20%以上^[2]。而电动汽车方面，全球各主要国家电动汽车2014年保有量及2020年预计保有量如表1.1所示^[3]。在像中国这样的地区，迅速向电动汽车转型是很重要的，因为根据“十二五规划”，到2015年，仅北京新购入的电动汽车（插入式混合动力电动汽车）应该会超过10万辆，而全国将有15万辆^[4]。一是这两者相对于其他新型产业在技术层面上更为成熟，二是众多国家都出台相应的政策进行大力扶持。然而，在有着突出的环保效益的同时，分布式光伏和电动汽车充电桩的大量接入也给低压配电网带来了巨大的挑战，这就包括电网中原本就存在的三相不平衡问题可能会进一步加剧。 分布式光伏发电系统和电动汽车分别作为供电环节和用电环节接入电网，均会对电网的电压电流三相平衡产生影响。由光伏电池发电原理可知，光伏发电系统的输出受太阳辐射强度和环境温度的影响，也就是说，其输出是时刻变化且不可控的。而电动汽车也存在相似的性质，电动汽车通过充电桩间接地接入配电网，而每个电动汽车车主给汽车充电的时间和地点都是不确定的，这就使得充电桩成为了时时变化且不可控的负荷。除此之外，分布式光伏和电动汽车充电桩的接入容量和接入位置也会对三相平衡产生极大的影响。简而言之，若将分布式光伏发电系统和电动汽车充电桩无序地接入配电网，必然会加剧电网中电压电流三相不平衡的程度。

1.1.2 智能台区三相不平衡问题的研究目的及意义

当前，我国智能电网进入全面建设阶段，电网的智能化发展备受瞩目，然而确保电网的安全性和稳定性依然处于首要位置。而三相不平衡问题一直都对智能台区的安全可靠性存在着巨大的威胁，具体来说主要有以下这些方面的危害： （1）增加线路的电能损耗。由于低压配电网采用三相四线制的供电模式，在三相平衡状态时，电流仅从相线中流过，仅在相线中产生损耗。而当运行负荷处于三相不平衡状态时，中性线中就会有电流流过，因而产生了额外的线路损耗。并且，三相不平衡程度越高，所带来的额外损耗就越大。还有数据显示，三相负载不平衡可引起线损率升高约2％～10％，而当三相负荷不平衡度超过10％时，线损率上升就会更加显著。 （2）降低配变出力并对设备造成损伤。配电变压器原本就是按照三相负荷平衡运行状态来设计和制造的，三相的额定功率是相等的，因而配变的最大允许输出功率就要受到各相额定容量的限制。但当配电变压器处于三相不平衡运行状态时，负载较轻的两相必然存在容量富余，也就是说配变的出力无法达到额定值。另一方面，三相不平衡状态下若保持出力不减小，则必然会导致过载，进而极易引起配电变压器发热甚至烧损。除此之外，三相不平衡还会使配变内部产生零序电流，并在铁芯中产生磁滞和涡流损耗，加速配变的绝缘老化，对设备造成损害。 （3）对用电设备产生不良影响。负荷的三相不平衡会导致中性线电流的产生，进而产生中性线阻抗压降，使得中性点偏移，最终造成三相电压不平衡。轻载的一相电压升高，重载的一相电压降低，这种供电状态下，电压高的一相所接的用电设备容易被烧坏，而电压低的一相的设备则无法正常运行，这是非常不安全且不经济的。而针对电动机这一主要的用电设备而言，三相不平衡电压中的正序分量和负序分量产生相反的旋转磁场，负序电压所产生磁场的制动作用会减小电动机的输出功率、降低电机的工作效率。 综上所述，配电网三相不平衡问题对于输电线路、变压器、用电设备乃至国民经济生活都有着直接或潜在的危害，它所带来的影响与我国乃至全世界建设安全可靠、经济高效、环境友好的智能电网的构想是相悖的。为保证用户的电能质量、确保用电安全、提高效益、降低损耗，研究并解决智能台区三相不平衡问题十分的必要。此外，三相不平衡问题的形成原因多种多样并且十分复杂，为更好地预防三相不平衡的产生以及加剧，就必须加强这方面的研究并不断提出更好的解决方法。