富含 DER 的网络中的电压不平衡 — 太阳能光伏何时有帮助，何时无帮助
| 网络 | IEEE 欧洲低压测试馈线 — 55 负载总线, 0.416 额定电压 |
| 分布式能源集成 | 40 单相光伏板, 2.5 每千瓦 — 100 总功率, 并网逆变器 |
| 三种负载场景 | 低的, 中等的, 和高相位不平衡——相同的总负载, 不同的相位分布 |
| 关键悖论 | 光伏并网在中度不平衡场景下减少了不平衡，但在低度不平衡场景下恶化了不平衡 |
| 测量问题 | IEEE PVUR1 和 PVUR2 指数可能会高估 VUF 10 倍——这使得它们对于富含 DER 的网络来说不可靠 |
| 最准确的指数 | CIGRE 不平衡系数 = 真实 IEC VUF 的精确重新表述 — 仅使用线路电压幅度 |
| 使用的工具 | IEEE 欧洲低压测试馈线的 OpenDSS 潮流分析 |
| 源 | 扎比希, 巴德萨 & 埃尔南德斯, arXiv:2505.23435, 马德里理工大学, 五月 2025 |
01 背景——两个问题合而为一
随着分布式能源在低压配电网上的激增, 电能质量工程师面临两个相关但截然不同的挑战. 首先是身体问题: 单相光伏板, 电动车充电器, 和电池存储系统在配电馈线的三相之间的连接不均匀, 以传统网络分析不需要预见的方式创建或修改电压不平衡. 第二是测量问题: 现有的电压不平衡指数组合 — 由 IEEE 定义, 符合IEC, NO, 和 CIGRE 经过数十年的标准制定 - 对于 DER 引入的相位角偏差，并非都以相同的方式做出反应, 有些可能会根据网络条件给出误导性的大或小读数.
本案例研究展示了一项研究结果 2025 扎比希的研究, 巴德萨, 和马德里理工大学的埃尔南德斯 (芬欧汇川), 在 IEEE 欧洲低压测试馈线（55 总线）上同时研究了这两个问题, 0.416 代表实际欧洲低压配电配置的 kV 网络. 该研究的两个主要发现是: 第一的, 光伏发电集成可能会恶化或改善电压不平衡，具体取决于基线负载分布; 第二个, 常用的 IEEE PVUR1 和 PVUR2 指数可能高估真实 VUF 10 倍或更多, 使得它们作为富含 DER 的网络的规划工具变得不可靠.[1]
规划低压馈线 DER 集成的公用事业公司通常使用简化的电压不平衡指数来评估是否符合 2% VUF限值. 如果所使用的指数可能高估真实 VUF 10 倍, 实际合规的馈线可能看起来不合规——触发不必要的昂贵缓解措施. 反过来, 如果指数低估了 VUF (正如 LVUR 在某些情况下所做的那样), 不合规的供料器可能看似通过. 测量指标的选择不是一个技术细节——它直接影响投资决策，每个支线的投资决策可能高达数百万美元.
02 测量指标问题
不同标准组织目前使用五种电压不平衡指标. 它们在衡量的内容上有根本的不同, 他们如何衡量, 以及它们在真实网络条件下逼近真实电压不平衡系数的准确程度:[1]
| 指数 | 标准 | 需要输入 | 准确度对比. 真空超滤 (1–2% 范围) | 包括相位角? |
|---|---|---|---|---|
| 真空超滤 (真的) | 符合IEC / IEEE 1159 | 相电压幅值 + 角度 | 参考 (1.000) | 是的 |
| 国际大电网会议 | 国际大电网会议 | 仅线电压幅值 | 精确的 (1.000) | 是的 (隐含地) |
| 左心室尿毒症 | NO | 仅线电压幅值 | 0.866 - 1.005 | 部分 |
| PVUR1 | IEEE StD里 141 | 仅相电压幅值 | 0 – 10.7× | 不 |
| PVUR2 | IEEE StD里 112 / 936 | 仅相电压幅值 | 0 – 16.1× | 不 |
PVUR1 和 PVUR2 都仅使用相电压幅度 - 它们完全忽略相角偏差. 在具有对称负载的传统平衡网络中, 相位角偏差很小，这种简化仅引入很小的误差. 但单相光伏板, 单相电动汽车充电器, 不均匀分布的单相负载都会产生与电压幅度偏差大小相当的相角偏差. 在这个政权下, PVUR1 和 PVUR2 可以在任一方向返回与真实 VUF 不同数量级的值. 使用这些指标来评估 DER 集成合规性属于工程不当行为.
03 三种不平衡场景 - 相同负载, 不同的相位分布
该研究在 IEEE 欧洲低压测试馈线上使用了三种负载场景 — 每个场景的总负载大致相同 (~160–170 千瓦) 但三个阶段的分布不同, 创造低点, 中等的, 和高初始电压不平衡:[1]
| 设想 | A相负载分配 | B相负载分配 | C相负载分配 | 最大VUF (光伏发电前) | VUF平均值 (光伏发电前) |
|---|---|---|---|---|---|
| I——低不平衡 | 31.7% | 39.5% | 28.8% | 0.982% | 0.787% |
| II — 中等不平衡 | 22.2% | 31.5% | 45.3% | 1.625% | 1.255% |
| III — 高不平衡度 | 22.1% | 59.3% | 18.6% | 2.081% | 1.558% |
场景 III，VUF 最大值为 2.081% 已经超过EN了 50160 规划限制 2% 添加任何 DER 之前. 情景一和情景二都在限制范围内. 该研究解决的问题是: 当这些不平衡水平发生什么时 40 单相光伏板被添加到网络中?
04 光伏并网——一个违反直觉的结果
40 单相光伏电池板 2.5 每千瓦 — 100 总功率, 网格跟随型 — 被添加到 IEEE 欧洲低压测试馈线，并且针对所有三种情况重新计算电压不平衡. 结果是违反直觉的:[1]
| 设想 | PV 之前的 VUF 平均值 | PV 后的 VUF 平均值 | 改变 | 影响 |
|---|---|---|---|---|
| I——低不平衡 | 0.787% | 0.963% | +22% | 恶化 |
| II — 中等不平衡 | 1.255% | 0.702% | −44% | 改进 |
| III — 高不平衡度 | 1.558% | 1.484% | −5% | 边缘 |
场景 I 中出现违反直觉的结果是因为 40 单相光伏板分布在三相上，与负载分布无关. 在场景一中, 负载已经合理平衡 (31.7/39.5/28.8%). 添加 100 发电千瓦数本身在各相之间分布不均匀，引入了新的不对称源——发电相分布——这会增加而不是消除现有的负载不平衡. 在场景二中, 负载明显偏斜 (22.2/31.5/45.3%), 并且光伏相位分配恰好将更多的发电量注入到过载阶段, 部分补偿现有的不平衡. 净效应完全取决于光伏相位分布与负载相位分布的倒数的匹配程度——公用事业公司在住宅连接审批流程中很少控制的参数.
05 电能质量视角
这项研究得出了两项研究结果，应该会直接改变公用事业公司进行 DER 集成规划的方式. 第一个——光伏发电会恶化已经平衡的馈线中的电压不平衡——推翻了分布式发电是中性的或有利于不平衡的常见假设. 第二个——IEEE PVUR1 和 PVUR2 指数在富含 DER 的网络中不可靠——对任何仍在使用这些指数进行低压馈线合规性评估的公用事业公司具有直接影响.
测量指标的发现是更立即可采取行动的指标. PVUR1 和 PVUR2 在北美公用事业实践中广泛使用，因为它们只需要电压幅度测量 - 可从现有计量中轻松获得. CIGRE 指数和真正的 IEC VUF 需要相量测量 (用于VUF) 或线间电压计算 (为CIGRE), 现代电能质量仪器可以提供这两种功能，但标准电能表无法提供这两种功能. 实际后果是，使用 PVUR 指数评估 DER 集成合规性的公用事业公司可能会基于测量假象而不是真实的物理条件做出错误的决定 - 要么阻止合规连接，要么批准不合规连接.
这项研究将经验丰富的 PQ 工程师多年来非正式了解的知识正式化: 电压不平衡指标的选择很重要, 在富含 DER 的环境中比在传统网络中更重要. 从公用事业 PQ 工程角度来看, 在高 DER 场景中进行低压馈线不平衡评估的正确方法是使用 CIGRE 指数 - 它可以通过计算来访问 (仅需要线电压大小, 可从任何 A 类 PQ 仪器获取), 数学上精确的 (与真实 VUF 相同的结果), 并避免了相角测量要求，该要求使 IEC 定义难以在标准监控部署中实施. CIGRE没有被北美标准采用是一个历史意外, 不反映其技术优点.
参考文献
- 扎比希A, L村, 埃尔南德斯A. “具有高 DER 渗透率的配电网中电压不平衡指标的评估。” arXiv:2505.23435, 马德里理工大学 (芬欧汇川), 五月 2025. 可用的: arxiv.org/abs/2505.23435
- IN 50160:2010+A3:2019. 公共电网供电的电压特性. CENELEC的, 布鲁塞尔.
- IEEE StD里 1159-2019. IEEE 监测电力质量的推荐做法. IEEE, 纽约, 纽约, 2019.
- 符合IEC 61000-4-30:2015+AMD1:2021. 电磁兼容性 - 部分 4-30: 电能质量测量方法. 符合IEC, 日内瓦.
- 否 MG-1-2021. 电机和发电机. 全国电气制造商协会, 罗斯林, VA.
扎比希A, L村, 埃尔南德斯A. “具有高 DER 渗透率的配电网中电压不平衡指标的评估。” arXiv:2505.23435, 马德里理工大学, 五月 2025.
在 arXiv 上查看 → — 开放获取, 学术用途无许可限制.
本案例研究以总结和评论的形式呈现，用于教育目的. PQ 视角部分 (部分 5) 和 SVG 图表是 Denis Ruest 的原创 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.