[论文解读] Towards Phase Balancing using Energy Storage

Md Umar Hashmi, José Horta+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2020

Electric Vehicles and Infrastructure参考文献 28被引用 8

一句话总结

本文提出在馈线末端安装小型储能装置，以缓解由单相分布式发电（DG）和电动汽车（EV）充电引起的三相配电网不平衡问题。基于马德拉和帕萨迪纳两地实际案例的OpenDSS仿真结果表明，即使仅使用3kW的储能装置，也能显著降低中性线损耗和相线损耗、电压不平衡因子（VUF）以及电压偏差，尤其在馈线末端安装时效果更佳，远优于变电站级储能方案。

ABSTRACT

Ad-hoc growth of single-phase-connected distributed energy resources, such as solar generation and electric vehicles, can lead to network unbalance with negative consequences on the quality and efficiency of electricity supply. Case-studies are presented for a substation in Madeira, Portugal and an EV charging facility in Pasadena, California. These case studies show that phase imbalance can happen due to a large amount of distributed generation (DG) and electric vehicle (EV) integration. We conducted stylized load-flow analysis on a radial distribution network using an openDSS-based simulator to understand such negative effects of phase imbalance on neutral and phase conductor losses, and in voltage drop/rise. We evaluate the integration of storage in the distribution network as a possible solution for mitigating effects caused by imbalance. We present control architectures of storage operation for phase balancing. Numerically we show that relatively small-sized storage (compared to unbalance magnitude) can significantly reduce network imbalance. We identify the end node of the feeder as the best location to install storage.

研究动机与目标

• 应对由于缺乏协调的单相分布式能源（DG）和电动汽车（EV）导致的三相配电网不平衡问题日益严重的情况。
• 研究不平衡负荷与发电对辐射状配电网中关键电能质量与效率指标的影响。
• 评估储能作为相位平衡控制手段的潜力，重点在于最小化损耗与电压偏差。
• 识别最优储能安装位置与控制架构，以在最小储能容量下实现最大不平衡缓解效果。
• 证明即使储能容量远小于不平衡程度，小型储能仍可显著提升网络性能指标。

提出的方法

• 使用OpenDSS仿真器对辐射状配电网进行简化的潮流分析，以模拟含单相DG和EV负荷的不平衡三相系统。
• 对两个实际案例进行仿真：葡萄牙马德拉的一座变电站和美国帕萨迪纳的一处电动汽车充电设施，以评估真实世界中的不平衡影响。
• 定义并计算关键指标：电压不平衡因子（VUF）、中性线与相线损耗，以及网络中的电压降/电压升。
• 提出并评估三种储能控制架构：变电站级、馈线末端级，以及结合负荷转移的灵活相位切换。
• 在仿真中使用3kW电池储能装置，评估其对不平衡指标的影响，并比较不同位置与控制策略下的性能表现。
• 分析相位平衡与负荷转移在时间维度上的敏感性，结果表明相位控制在有效性上远超时间上的负荷转移。

实验结果

研究问题

• RQ1 单相DG和电动汽车充电的安装位置如何影响辐射状配电网中的相位不平衡？
• RQ2 相对于不平衡程度，小型储能（容量较小）能在多大程度上减少中性线与相线损耗、电压不平衡及电压偏差？
• RQ3 在变电站级、馈线末端级或灵活相位切换三种控制架构中，哪种能最有效地缓解网络不平衡？
• RQ4 相位平衡与时间上的负荷转移在不平衡指标敏感性方面有何差异？
• RQ5 网络拓扑结构（如辐射状、长馈线）对基于储能的相位平衡效果有何影响？

主要发现

• 安装在馈线末端（N5）的储能装置，将最大电压不平衡因子（VUF）从无储能状态下的1.30%（不平衡）降低至架构1下的0.87%，降幅达33%。
• 中性线损耗从无储能时的3.29 kWh降至馈线末端3kW储能装置在架构1下的1.78 kWh，降幅达45.3%。
• 最大电压降/电压升从无储能时的8.30%降低至馈线末端储能装置在架构1下的5.98%，改善幅度达27.7%。
• 架构1（仅相位平衡）在所有指标上均优于架构2（含负荷转移的相位切换），表明相位控制比负荷转移更有效。
• 变电站级储能（N0）对VUF和损耗影响极小，仅将VUF降至1.26%——较无储能状态仅改善4.6%，表明效果极差。
• 即使不采用负荷转移，仅通过3kW储能进行相位平衡，也可使VUF降至1.01%（由1.30%降低），证明相位控制在性能上显著优于时间维度上的负荷管理。