考慮網(wǎng)絡(luò)損耗的光伏接入位置與準(zhǔn)入容量仿真研究

張芳 金宏民 吳楊梅

摘 要：分布式光伏電源合理接入配電網(wǎng)可以有效減少網(wǎng)絡(luò)損耗。針對(duì)某地區(qū)實(shí)際配電網(wǎng)，運(yùn)用加拿大電力系統(tǒng)仿真分析軟件CYME，通過改變光伏接入位置以及光伏接入容量對(duì)該配電網(wǎng)進(jìn)行仿真分析，給出了網(wǎng)絡(luò)損耗在最小值時(shí)的最佳光伏安裝位置以及安裝容量，并將損耗直接以經(jīng)濟(jì)損失的形式展現(xiàn)出來。結(jié)果表明，光伏安裝靠近輸電線末端時(shí)，損耗較?。还夥惭b容量需要適度，安裝容量過大反而會(huì)使損耗增加；降低網(wǎng)損可以為供電企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。該研究可為地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行提供建設(shè)性建議。

關(guān)鍵詞：分布式光伏電源；配電網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)損耗；CYME；經(jīng)濟(jì)損失

隨著化石能源的日益枯竭以及環(huán)境污染的日益加重，可再生能源發(fā)電正在扮演著日益重要的角色。近年來，光伏發(fā)電發(fā)展迅速，成為主要的可再生能源利用形式。在政府一系列的財(cái)政補(bǔ)助和提倡優(yōu)先并網(wǎng)的政策鼓勵(lì)下，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，并網(wǎng)安裝容量呈現(xiàn)出不斷增加的勢(shì)頭。將光伏發(fā)電系統(tǒng)引入到配電網(wǎng)系統(tǒng)，是今后光伏發(fā)電的一大趨勢(shì)，然而把大量的光伏發(fā)電系統(tǒng)引入配電網(wǎng)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行產(chǎn)生很大影響。因此有必要對(duì)光伏接入配電系統(tǒng)展開研究。

由于受天氣因素影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的隨機(jī)性、間歇性與波動(dòng)性[ 1 ]，對(duì)其控制起來有困難，屬于不可調(diào)度的發(fā)電機(jī)組[ 2 ]。光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生一系列影響，包括供電可靠性、電能質(zhì)量、保護(hù)配置、電力平衡等方面[ 3，4 ]。

現(xiàn)有的研究主要集中在光伏接入配電網(wǎng)后對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響。文獻(xiàn)[5]研究了分布式光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響并提出了電壓越限的解決方案；文獻(xiàn)[6]詳細(xì)探討了配電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)饋線阻抗比以及負(fù)荷對(duì)光伏電源接入點(diǎn)電壓的影響，并根據(jù)之前觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，粗略計(jì)算出分布式光伏電源允許接入的峰值容量；文獻(xiàn)[7]從容量滲透率角度分析了并網(wǎng)光伏電源對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)的影響，研究了在傳統(tǒng)配電網(wǎng)最小負(fù)荷限制下光伏并網(wǎng)的容量滲透率極限；文獻(xiàn)[8]根據(jù) ANSI C84.1-2006 穩(wěn)態(tài)電壓標(biāo)準(zhǔn)以及 IEEE519-1992 諧波標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓偏差和諧波電壓畸變率進(jìn)行約束，得出不同位置下分布式光伏的最大滲透率在穩(wěn)態(tài)電壓偏差以及諧波約束下的值。

針對(duì)已有的研究成果，本文從光伏安裝對(duì)配電網(wǎng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)出發(fā)，即適當(dāng)容量的光伏在適當(dāng)位置接入配電網(wǎng)可以有效減少網(wǎng)絡(luò)損耗[ 9 ]，著重考慮在電壓滿足要求的情況下使得整個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗最小時(shí)的光伏配置。

1 研究網(wǎng)絡(luò)損耗的意義

電力系統(tǒng)中線損率是電力工業(yè)企業(yè)的一項(xiàng)重要的綜合性技術(shù)指標(biāo)，也是對(duì)一流電力公司進(jìn)行考核的主要指標(biāo)，它可以反映出一個(gè)電力網(wǎng)的生產(chǎn)技術(shù)、規(guī)劃建設(shè)和運(yùn)營管理水平。根據(jù)國家“資源開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在首位”的方針政策，各級(jí)電力公司為降低線損率，使得電力使用效率和經(jīng)濟(jì)效益最大化，投入了大量的人力、物力和財(cái)力，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)與改造。

調(diào)查研究顯示，一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電企業(yè)，在完成相同合同發(fā)電量的前提下，網(wǎng)絡(luò)損耗每降低一個(gè)百分點(diǎn)，收益相當(dāng)于節(jié)省 5 萬噸煤炭?？梢?，對(duì)于發(fā)電權(quán)交易過程中的網(wǎng)絡(luò)損耗的計(jì)算是有著相當(dāng)重要的意義的[ 10 ]。

鑒于電力網(wǎng)線損率對(duì)國家電網(wǎng)公司以及人民生活的重要影響，必須對(duì)降低配電網(wǎng)網(wǎng)損展開研究。分布式發(fā)電作為一種有效的解決能源需求的發(fā)電方式，具有降低網(wǎng)絡(luò)損耗的作用[ 11 ]。因此研究分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響成為一大突破點(diǎn)。

2 網(wǎng)絡(luò)損耗的數(shù)學(xué)模型

負(fù)荷接入系統(tǒng)難免會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)損耗。流過支路的電流和該支路的電阻大小決定了該支路上的損耗，因此要減小損耗可以從兩方面入手，即：減小支路的電阻和流過的電流[ 12 ]。在負(fù)荷側(cè)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以一定程度上減少系統(tǒng)支路上的電流，從而可以減小該支路上的損耗。

當(dāng)ΔLoss>0時(shí)，引入的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)網(wǎng)損；反之，當(dāng)ΔLoss<0時(shí)，引入的光伏發(fā)電系統(tǒng)反而會(huì)使系統(tǒng)網(wǎng)損增加。

3 CYME仿真軟件介紹

CYME是加拿大電力系統(tǒng)仿真分析軟件，其模塊眾多，包括：配電系統(tǒng)分析模塊（CYMDIST）、輸電/工業(yè)用電系統(tǒng)分析模塊（CYMEDIT）、輸/配電附加模塊（Addition）、電纜安培容量計(jì)算模塊（CYMCAP）、保護(hù)設(shè)備分析模塊（CYMTCC）、變電站接地分析模塊（CYMGRD）以及電磁暫態(tài)分析模塊（EMTP-RV）等。其中使用比較多的是配電系統(tǒng)分析模塊，該模塊功能強(qiáng)大，可以進(jìn)行相電壓降、潮流分析、故障計(jì)算、保護(hù)設(shè)備協(xié)調(diào)驗(yàn)證、最佳電容器安裝和容量選擇、負(fù)載平衡和負(fù)載分配/估算；平衡或不平衡的輻射型、環(huán)型、網(wǎng)格型的三相、單相和兩相等各種類型系統(tǒng)的分析?？梢詫?duì)不同操作條件和環(huán)境下的配電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃研究和仿真。

本文主要選用CYMDIST（distribution system analysis）模塊對(duì)某地區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃建模，并以潮流分析功能進(jìn)行仿真分析。該模塊可對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)進(jìn)行全面的建模以及優(yōu)化，提高配網(wǎng)規(guī)劃的效率、節(jié)省操作和投資支出、降低網(wǎng)損、延長設(shè)備資產(chǎn)壽命的同時(shí)，還為配電網(wǎng)故障提供了快速的解決方案，提高了規(guī)劃人員的協(xié)作性和規(guī)劃能力[ 13 ]。

4 算例分析

本節(jié)將從光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入位置、接入容量2個(gè)影響因素出發(fā)，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后的網(wǎng)損變化進(jìn)行仿真和分析，找出使得配電網(wǎng)網(wǎng)損達(dá)到最小值時(shí)的最佳光伏安裝位置以及最佳安裝容量，并將網(wǎng)損所造成的經(jīng)濟(jì)損失直觀地展現(xiàn)出來，為實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行提供指導(dǎo)建議。

本文考慮的27節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)簡化模型如圖1所示。

圖1相關(guān)參數(shù)如下：1）線路采用架空線路，額定電流為500A，每千米架空線路正序阻抗為（0.297+j0.288）Ω，線路阻抗如表1所示。2）10kV/0.4kV變壓器額定功率為100kVA，空載損耗為0.26kW。3）負(fù)荷有功功率最大值約為180kW，功率因數(shù)為0.9。

4.1 光伏系統(tǒng)接入位置對(duì)網(wǎng)損的影響

此仿真模型由于是實(shí)際電網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)并非均勻分布，無法用實(shí)際距離來定量描述光伏接入位置，只能定性的將節(jié)點(diǎn)的編號(hào)從電源端開始遞增，距離電源越遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)編號(hào)越大。分布式電源接入配電網(wǎng)以前，潮流從變電站流向用戶側(cè)[ 14 ]；分布式電源接入后，配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的無源網(wǎng)絡(luò)變成有源網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)電壓和潮流分布都將發(fā)生變化[ 15 ]。從圖2可以看出，將光伏發(fā)電系統(tǒng)盡可能配置在輸電線路末端靠近負(fù)荷可以較大幅度的減小輸電線路有功損耗[ 16 ]。

4.2 光伏系統(tǒng)接入容量對(duì)網(wǎng)損的影響

光伏的接入容量并不是越大越好[ 17 ]，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出小于負(fù)荷容量時(shí)，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出可以減小有功損耗，但隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)有功輸出的增加，減少程度是趨向于飽和的[ 18 ]。隨著光伏接入容量的逐漸增大，系統(tǒng)網(wǎng)損先減小再增大。

當(dāng)光伏接入容量較小時(shí)，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)有功出力增大，配電網(wǎng)線路傳輸?shù)膬粲泄β手饾u下降，系統(tǒng)網(wǎng)損也隨之降低；當(dāng)光伏接入容量持續(xù)增大并且超過接入饋線的負(fù)載時(shí)，光伏系統(tǒng)開始向外部電網(wǎng)或者配電網(wǎng)中其他饋線的負(fù)荷提供有功功率，此時(shí)隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)接入容量增大，系統(tǒng)中線路傳輸?shù)膬粲泄β手饾u增大，系統(tǒng)網(wǎng)損也隨之逐漸升高[ 19 ]。

以此仿真算例為例，當(dāng)接入光伏容量為1200kW時(shí)，負(fù)荷消耗的總的有功功率為1640.25kW，當(dāng)不接入光伏系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)有功損耗為33.23kW；光伏系統(tǒng)接入容量為1300kW時(shí)，系統(tǒng)有功損耗最低，為23.07kW；當(dāng)繼續(xù)增加光伏系統(tǒng)接入容量時(shí)，有功損耗繼續(xù)增加，光伏接入容量為2700kW時(shí)有功損耗與不接入光伏系統(tǒng)時(shí)接近；當(dāng)超過2700kW時(shí)，有功損耗比不接入光伏系統(tǒng)時(shí)還高。按照光伏滲透率的定義：當(dāng)前光伏容量與負(fù)荷容量之比[ 20 ]。此時(shí)得出使得網(wǎng)損達(dá)到最小值時(shí)的最佳光伏安裝容量為1300kW，滲透率為79.26%。

4.3 光伏系統(tǒng)接入容量與經(jīng)濟(jì)損失的關(guān)系

通過CYME仿真軟件可以精確地計(jì)算出系統(tǒng)的線路損耗、變壓器損耗等，通過默認(rèn)的電價(jià)可以計(jì)算出各種類型的網(wǎng)損所造成的年度經(jīng)濟(jì)損失。如圖4所示，此時(shí)縱坐標(biāo)的單位是k$/year。

可以看出降低線損能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。國家電網(wǎng)公司為實(shí)現(xiàn)建設(shè)“一強(qiáng)三優(yōu)”現(xiàn)代公司的戰(zhàn)略目標(biāo)，提出了強(qiáng)化細(xì)化電網(wǎng)節(jié)能降損管理，加強(qiáng)配電網(wǎng)損耗的準(zhǔn)確計(jì)算和節(jié)能降損措施的執(zhí)行，具體提出了代表日負(fù)荷實(shí)測(cè)及線損理論計(jì)算與分析工作大綱。從大綱可以看出降低的線損率絕對(duì)值雖然不大，但是長久以來所產(chǎn)生的絕對(duì)值卻是值得重視的，給供電企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

由以上仿真算例可以看出合理配置光伏接入位置與光伏接入容量對(duì)減少因網(wǎng)損而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失的重要意義。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)內(nèi)是以不含光伏電源設(shè)計(jì)的，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的引入使得配電網(wǎng)從無源變?yōu)橛性?，改變配電網(wǎng)內(nèi)的潮流，從而影響系統(tǒng)網(wǎng)損。

經(jīng)過以上的仿真，分析了引入光伏發(fā)電系統(tǒng)以后對(duì)配電網(wǎng)有功損耗的變化情況，其中主要考慮了光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入位置、接入容量這2個(gè)因素對(duì)網(wǎng)損變化的影響，以及網(wǎng)損變化所造成的經(jīng)濟(jì)損失做了一定預(yù)算，有以下結(jié)論：

1）為減少輸電線的有功損耗，應(yīng)盡可能將光伏發(fā)電系統(tǒng)配置在輸電線末端、靠近負(fù)荷；

2）適當(dāng)引入光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)減少輸電線的有功損耗，但當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)總的接入容量與負(fù)荷容量的比值大于某一數(shù)值時(shí)（此算例為1.65倍），引入光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)增加輸電線的有功損耗；

3）合理布置光伏系統(tǒng)的接入位置、接入容量能夠?yàn)殡娏╇娖髽I(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李升，衛(wèi)志農(nóng)，孫國強(qiáng)，等.大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分岔研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2016，36（1）：17-23.

[2] OJPM De，ED Castronuovo， dLMT Ponce.Reactive Power Response of Wind Generator Under an Incremental Network-Loss Allocation Approach. IEEE Transactions on Energy Convertion.2008，23（2）：612-621.

[3] ENSLIN J H R. Network impacts of high penetration of photovoltaic solar power systems[C]//2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting， Detroit，Michigan，USA：[s.n.]，2010：1-5.

[4] WHITAKER C，NEWMILLER J，ROPP R，et al.Distributed photo-voltaic systems design and technology requirements[R].Albu-querque，New Mexico，USA：Sandia National Laboratory，2008.

[5] 許曉艷，黃越輝，劉純，等.分布式光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)電壓的影響及電壓越限的解決方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（10）：140-146.

[6] 范元亮，趙波，江全元，等.過電壓限制下分布式光伏電源最大允許接入峰值容量的計(jì)算[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（17）：40-44.

[7] 趙波，張雪松，洪博文.大量分布式光伏電源接入智能配電網(wǎng)后的能量滲透率研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32（8）：95-100.

[8] 黃巍，吳俊勇，魯思棋，等.電壓偏差和諧波約束下配網(wǎng)光伏最大滲透率評(píng)估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2016，44（6）：49-55.

[9] 謝麗美.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建模及對(duì)配電網(wǎng)電壓- 網(wǎng)損的影響[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.

[10] 李春剛，宗偉.考慮網(wǎng)絡(luò)損耗和煤耗量的新型低碳發(fā)電權(quán)交易模型[J].華北電力技術(shù)，2014，5：48-53.

[11] 李文琦.含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)網(wǎng)損分析[D].北京：華北電力大學(xué)，2012.

[12] 薛松，王致杰，曾鳴.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)的節(jié)能減排效果評(píng)估模型[J].華東電力，2013，41（4）.0694-0698.

[13] 劉煌煌，劉前進(jìn)，陳柔伊，等.基于 CYME 軟件的城市配電網(wǎng)規(guī)劃仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2014，26（10）：13-19.

[14] BoHu，YutoNONAKA， RyuichiYOKOYAMA. Influence of Large-scale Grid-connected Photovoltaic System on Distribution Networks[J]. Automation of Electric Power Systems（in Chinese），2012，36（3）：34-38.

[15] 寇鳳海.分布式光伏電源對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（11）：62-68.

[16] J Sardi，N Mithulananthan， DQ Hung， K Bhumkittipich.Load levelling and loss reduction by ES in a primary distribution system with PV units.Isgt-asia，2015.

[17] 張瑜，孟曉麗，方恒福.分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損的影響分析[J].電力建設(shè)，2011，32（5）：67-71.

[18] 劉琳，陶順，肖湘寧，等.分布式發(fā)電及其對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響分析[J].電工電能新技術(shù)，2012，31（3）：16-24.

[19] 蔣愈勇，雷金勇，董旭柱，等.基于DIgSILENT的配電網(wǎng)大規(guī)模光伏接入影響分析[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2015，27（7）：35-41.

[20] 劉健，同向前，潘忠美，等.考慮過電壓因素時(shí)分布式光伏電源的準(zhǔn)入容量[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42（6）：45-51.