高比例新能源接入的新型電力系統(tǒng)線損機(jī)理及計(jì)算影響研究

國網(wǎng)甘肅省電力公司 羅世剛 丁 坤 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院 吳建軍 梁 琛 李亞昕 徐 瑞

雙碳背景下，風(fēng)、光等可再生能源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)，不僅增加了線損管理難度，還提高了線損機(jī)理及計(jì)算的復(fù)雜性，且分布式能源滲透率的提升及不確定性使傳統(tǒng)線損機(jī)制不再適應(yīng)于現(xiàn)代電力系統(tǒng)建設(shè)線損標(biāo)準(zhǔn)。為滿足遠(yuǎn)距離、跨區(qū)域資源優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)線損精細(xì)化管理，推動電力能效穩(wěn)步運(yùn)行，亟需開展高比例新能源接入的新型電力系統(tǒng)線損管理的進(jìn)一步深入研究。為此，本文在電網(wǎng)線損現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析國內(nèi)外相關(guān)研究動態(tài)和成果，總結(jié)高比例新能源接入電網(wǎng)對線損機(jī)理及理論線損計(jì)算的影響，歸納和梳理適用于新能源接入的新型電力系統(tǒng)降損措施和有效理論線損計(jì)算方法，以期為完善新型電力系統(tǒng)線損精細(xì)化管理奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

近年來，我國大力開發(fā)利用分布式新能源，緩解了能源枯竭和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重及用電量日益增多的難題，但其給線損管理帶來了巨大的沖擊和挑戰(zhàn)。反映經(jīng)營管理水平的線損是電力企業(yè)降本增效的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，降低線損率尤為重要。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國線損率逐年降低，截止到2021年線損率由6.52%降低到了5.24%，但與美國、日本在2019年、2014年達(dá)到的5%、4.3%左右相比，我國電網(wǎng)線損率還需進(jìn)一步降低。且分布式新能源的高比例并網(wǎng)增加了裝機(jī)容量，提高了線損率。

1 高比例新能源并網(wǎng)對線損機(jī)理影響及降損措施

1.1 新能源接入電網(wǎng)線損機(jī)理

1.1.1 主網(wǎng)網(wǎng)損影響機(jī)理

我國資源與需求存在的逆向性導(dǎo)致我國電力資源配置主要以特高壓交直流混聯(lián)為主，新能源接入主網(wǎng)通過特高電壓等級送出通道進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域新能源消納。由于高比例新能源的接入使電子元件及設(shè)備亦高比例增加，輸送過程中經(jīng)較多數(shù)目的輸電設(shè)備元件，成倍增加網(wǎng)損率。風(fēng)光等再生能源的隨機(jī)性、間歇性和波動性增加了出力及負(fù)荷的不確定性，造成等效負(fù)荷峰谷差較大和潮流波動，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需要進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，增加了網(wǎng)損。復(fù)雜的電壓耦合關(guān)系也使系統(tǒng)運(yùn)行方式頻繁變化，增大了無功損耗。

網(wǎng)損會隨著新能源輸送距離和設(shè)備元件的增加而提高，文獻(xiàn)[1]研究了交直流通道和直流潮流對電力系統(tǒng)網(wǎng)損機(jī)理的影響，并搭建了最優(yōu)潮流網(wǎng)損模型，針對設(shè)備本體及運(yùn)行特性對送出通道損耗進(jìn)行了研究，但未設(shè)計(jì)新能源出力特性對網(wǎng)損的影響；文獻(xiàn)[2]提出新型電力系為調(diào)節(jié)新能源出力、平衡潮流波動和等效負(fù)荷峰谷差、保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行將增加電網(wǎng)損耗；文獻(xiàn)[3]分析了新能源并網(wǎng)后潮流分布特性引起的功率波動對系統(tǒng)網(wǎng)損的影響。

文獻(xiàn)[2～3]基于新能源接入負(fù)荷和出力平衡調(diào)節(jié)對網(wǎng)損機(jī)理的影響，但沒有實(shí)現(xiàn)量化及實(shí)踐應(yīng)用；文獻(xiàn)[4]總結(jié)了新能源設(shè)備接入使無功功率頻繁變化，增大了無功電壓耦合關(guān)系復(fù)雜性，導(dǎo)致通道無功損耗提高，影響了網(wǎng)損率；文獻(xiàn)[5]揭示了無功及有功耦合關(guān)系對網(wǎng)損的影響因素；文獻(xiàn)[4～5]僅考慮了電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行情況下無功及有功對線損的影響，但未考慮最優(yōu)網(wǎng)損的無功協(xié)調(diào)控制情況。

綜上，新能源接入主網(wǎng)主要有通道損耗、平衡等效負(fù)荷和電源出力損耗以及無功電壓耦合復(fù)雜化損耗。目前相關(guān)學(xué)者針對新能源接入主網(wǎng)對網(wǎng)損產(chǎn)生的影響進(jìn)行了不同層次的研究，并取得了豐碩的成果。但新能源運(yùn)行特性和交直流功率耦合對通道網(wǎng)損影響、多類型多電壓等級的無功資源特性分層分區(qū)優(yōu)化控制以及量化分析研究還有待進(jìn)一步分析。1.1.2 配網(wǎng)線損影響機(jī)理

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率的逐步提高，高效消納和利用新能源迎來了新挑戰(zhàn)。分布式電源的并網(wǎng)容量、接入位置和出力特性都有可能影響線損，分布式電源接入配網(wǎng)后使負(fù)荷具有非線性、可轉(zhuǎn)移性，差異性的負(fù)荷影響了線損運(yùn)行特性，且接入的分布式電源若與負(fù)荷不匹配將會使電壓越限，提高線路損耗。相關(guān)文獻(xiàn)還研究了分布式電源在配網(wǎng)低壓、中壓和高壓中接入位置及容量對線損的影響狀況，分析了負(fù)荷分布對線損的影響，并提出了指導(dǎo)意見，對基于高比例新能源接入引起的諧波、三相不平衡和電壓偏差問題對系統(tǒng)線損的影響性進(jìn)行了探討，研究了不同運(yùn)行方式和控制策略的分布式電源輸出特性對電能質(zhì)量的影響。

分析現(xiàn)有研究，得出新能源接入配電網(wǎng)通常由接入容量、位置及輸出特性等方面影響配網(wǎng)線損機(jī)理，上述文獻(xiàn)為解決新能源并網(wǎng)配電網(wǎng)線損問題提供了理論依據(jù)。但分布式電源接入輕負(fù)荷區(qū)域電網(wǎng)發(fā)電無法實(shí)現(xiàn)就地消納，配網(wǎng)出現(xiàn)送出型電網(wǎng)特征。因此還需進(jìn)一步挖掘逆變型分布式電源運(yùn)行特性、降壓電網(wǎng)以升壓形式外送新能源影響配電網(wǎng)線損的機(jī)理。

1.2 高比例新能源并網(wǎng)降損措施

針對大容量跨區(qū)域主網(wǎng)降損，相關(guān)文獻(xiàn)提出了基于網(wǎng)損產(chǎn)生機(jī)理及系統(tǒng)有功、無功四象限運(yùn)行特性，提出了利用分布式儲能降低網(wǎng)損的方法，研究了通過優(yōu)化控制無功資源實(shí)現(xiàn)降損目標(biāo)的方法。文獻(xiàn)[6]針對大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)網(wǎng)損激增問題進(jìn)行了研究，提出了荷源協(xié)調(diào)降損控制模式和策略，并通過仿真驗(yàn)證了模型降損的有效性；文獻(xiàn)[7]通過調(diào)整直流功率降低了電網(wǎng)網(wǎng)損，并將其應(yīng)用在了南方電網(wǎng)中。以傳統(tǒng)電網(wǎng)降損措施實(shí)現(xiàn)降損的主網(wǎng)還需進(jìn)一步考慮設(shè)備本體損耗和送受端電網(wǎng)協(xié)調(diào)降損以及無功資源協(xié)調(diào)優(yōu)化的降損方法。

分布式電源、充電樁和儲能設(shè)備的高比例接入使配電網(wǎng)呈現(xiàn)元件高電子化和結(jié)構(gòu)及潮流波動復(fù)雜化，加之技術(shù)和設(shè)備的參差不齊，提高了其降損潛能。目前配電網(wǎng)主要依靠優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改造高耗能設(shè)備和供電線徑及治理三相不平衡治理及無功補(bǔ)償?shù)冉祿p措施。相關(guān)文獻(xiàn)為改變原有負(fù)荷分布、降低峰谷差，構(gòu)建了柔性負(fù)荷響應(yīng)模型對儲能和光伏電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了協(xié)調(diào)優(yōu)化；考慮分布式電源有功控制、無功控制和有載調(diào)壓分接頭控制，設(shè)計(jì)了基于支路潮流模型的配電網(wǎng)調(diào)度降損模型；針對當(dāng)前配電網(wǎng)設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗存在的問題進(jìn)行了綜述，提出了優(yōu)化組合多項(xiàng)降損措施建議；考慮配電網(wǎng)DG位置選取和容量，采用粒子群優(yōu)化和非支配遺傳排序協(xié)同進(jìn)化算法，構(gòu)建了運(yùn)行線損最優(yōu)目標(biāo)的配網(wǎng)降損方法。調(diào)整運(yùn)行方式是現(xiàn)階段配網(wǎng)線損的主要降損技術(shù)，基于精細(xì)化無功補(bǔ)償和負(fù)荷聚合的配電網(wǎng)降損技術(shù)還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 高比例新能源并網(wǎng)理論線損計(jì)算影響

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)及其元件以及相關(guān)軟件和理論線損等計(jì)算都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，其理論線損計(jì)算邊界是基于發(fā)輸供用電理想狀態(tài)下。新型電力系統(tǒng)建設(shè)不斷推進(jìn)的背景下，新能源高比例接入電網(wǎng)，電力市場機(jī)制及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性不斷變化，傳統(tǒng)理論線損計(jì)算方式已無法適應(yīng)新能源高比例接入的新型電力系統(tǒng)。

基于此，相關(guān)學(xué)者對其進(jìn)行了研究：針對風(fēng)電出力不確定性和波動性導(dǎo)致配電網(wǎng)理論線損計(jì)算誤差增大問題，提出了計(jì)及風(fēng)電-負(fù)荷特性的理論線損計(jì)算方法；研究了考慮影響通道阻抗特性的電能質(zhì)量、電磁暫態(tài)、非正弦波負(fù)載電流、集膚效應(yīng)等多因素的理論線損計(jì)算方法；基于雙邊交易功率指向圖提出了一種分配輸電網(wǎng)損耗方法；提出了考慮分布式電源并網(wǎng)引起的潮流分布和電能質(zhì)量問題的改進(jìn)線損計(jì)算方法。為理論線損計(jì)算提供了借鑒。考慮新型電力系統(tǒng)涉及源網(wǎng)荷儲多種問題，且特高壓交直流功率耦合、高比例電力電子設(shè)備和電力市場改革等多重因素，還需進(jìn)一步精細(xì)化理論線損計(jì)算及開發(fā)相關(guān)計(jì)算軟件研究。

3 結(jié)語

本文基于現(xiàn)有文獻(xiàn)，以高比例新能源接入新型電力系統(tǒng)對線損的影響為研究對象進(jìn)行了梳理?？偨Y(jié)出新能源接入電網(wǎng)主要有主網(wǎng)側(cè)新能源送出通道損耗、平衡調(diào)節(jié)等效負(fù)荷和電源出力及無功電壓耦合復(fù)雜化對網(wǎng)損和配網(wǎng)側(cè)分布式電源接入容量、位置和輸出特性對線損影響的研究?；诖?，提出進(jìn)一步加強(qiáng)新能源運(yùn)行特性和交直流功率耦合對通道網(wǎng)損影響、多類型、多電壓等級的無功資源特性分層分區(qū)優(yōu)化控制及量化分析，以及逆變型分布式電源運(yùn)行特性、降壓電網(wǎng)以升壓形式外送新能源的線損影響機(jī)理研究。并針對主網(wǎng)和配網(wǎng)降損措施和理論線損影響計(jì)算進(jìn)行了分析，提出了加強(qiáng)精細(xì)化無功補(bǔ)償和負(fù)荷聚合降損技術(shù)的研究，以及進(jìn)一步精細(xì)化理論線損計(jì)算及開發(fā)計(jì)算軟件研究的方向。