光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損動(dòng)態(tài)的影響研究

顏中秋

（徐州三新供電服務(wù)有限公司邳州分公司， 江蘇 徐州 221300）

0 引言

隨著全球?qū)η鍧嵞茉春涂沙掷m(xù)發(fā)展的需求不斷增長(zhǎng)，光伏發(fā)電正迅速成為重要的能源供應(yīng)形式[1]。其自然、清潔和高效的特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注和積極推廣。隨著技術(shù)的進(jìn)步和政策的支持，光伏電源接入配電網(wǎng)成為了必然趨勢(shì)。然而，隨著接入規(guī)模的擴(kuò)大，其對(duì)配電網(wǎng)線損的影響也日益明顯[2]。本研究旨在深入探討光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損動(dòng)態(tài)的影響，并為實(shí)際操作提供策略和建議。

1 光伏電源接入的基本原理及其與配電網(wǎng)的關(guān)系

1.1 光伏電源的工作原理及特點(diǎn)

光伏發(fā)電，是將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。當(dāng)太陽光照射到太陽能電池時(shí)，該電池中的半導(dǎo)體材料，通常為硅或其他先進(jìn)材料，會(huì)吸收光子并激發(fā)電子，使其從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶[3]。這一過程導(dǎo)致形成電子- 空穴對(duì)，從而在外部電路中產(chǎn)生電流，即實(shí)現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。光伏發(fā)電的顯著特點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電的特點(diǎn)

綠色與可再生：光伏發(fā)電不產(chǎn)生溫室氣體排放，是一種真正的綠色能源。

分布式特性：不同于傳統(tǒng)大型火電或水電站，光伏可以在各種尺度上，從家用到工業(yè)規(guī)模，進(jìn)行部署。

靈活配置：光伏系統(tǒng)可以根據(jù)需求和地理?xiàng)l件進(jìn)行定制和配置。

1.2 光伏發(fā)電與配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)互動(dòng)

光伏發(fā)電的波動(dòng)性主要來源于其對(duì)氣象條件的依賴性。例如，日照的變化、溫度的升高或降低、云層的遮擋都會(huì)對(duì)光伏輸出產(chǎn)生影響。這種波動(dòng)性在一天之內(nèi)，甚至在短時(shí)間內(nèi)都可能發(fā)生顯著變化。這為配電網(wǎng)帶來了一系列的挑戰(zhàn)，如圖2 所示。

圖2 光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)帶來的挑戰(zhàn)

電網(wǎng)過載風(fēng)險(xiǎn)：在陽光充足的中午，光伏輸出可能會(huì)突然增加，這有可能導(dǎo)致電網(wǎng)過載，尤其是在高光伏滲透的地區(qū)。

電網(wǎng)負(fù)載波動(dòng)：突如其來的云層或其他遮擋物可能會(huì)導(dǎo)致光伏輸出的驟減，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的頻率和電壓波動(dòng)。

1.3 逆變器：光伏與配電網(wǎng)的橋梁

為了將光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)有效連接，逆變器扮演著關(guān)鍵角色。它的主要任務(wù)是將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為與配電網(wǎng)匹配的交流電?，F(xiàn)代逆變器還具有一些高級(jí)功能，如最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和電網(wǎng)支持功能，以確保光伏輸出與電網(wǎng)需求的最佳匹配。

然而，與此同時(shí)，逆變器也需要應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電的不確定性和波動(dòng)性。這需要配電網(wǎng)的高級(jí)管理策略和先進(jìn)的調(diào)度系統(tǒng)，確保光伏接入時(shí)電網(wǎng)的穩(wěn)定性不會(huì)受到威脅。

總之，光伏電源接入與配電網(wǎng)的關(guān)系是復(fù)雜的，需要細(xì)致的策略和技術(shù)來確保兩者的和諧共存。隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，有望在保證電網(wǎng)穩(wěn)定的同時(shí)，更好地利用這一綠色能源。

2 配電網(wǎng)線損動(dòng)態(tài)分析

作為電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能指標(biāo)，配電網(wǎng)線損直接關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)的效率和可靠性。在配電階段，線損的存在凸顯了能量傳輸中不可避免的能量損耗[4]。其本質(zhì)原因在于電力設(shè)備如導(dǎo)線、變壓器等存在的電阻和電抗導(dǎo)致的電能損失。為了深入探討其內(nèi)部機(jī)制，將線損進(jìn)行分類并詳細(xì)分析其與光伏電源接入的關(guān)系。

2.1 固定線損與變量線損的區(qū)別與聯(lián)系

1）固定線損主要源于設(shè)備的固有屬性，如變壓器的鐵損和固定的銅損。這部分的線損與電流的幅值無關(guān)，而是由設(shè)備本身的材料和設(shè)計(jì)決定的。因此，即使在無負(fù)載或低負(fù)載的情況下，固定線損也會(huì)存在。

2）變量線損與電流的大小和方向緊密相關(guān)。它是因?yàn)樵O(shè)備電阻造成的I^2R 損失，這意味著當(dāng)電流增加時(shí)，變量線損會(huì)呈平方增長(zhǎng)。與負(fù)載的波動(dòng)是息息相關(guān)的。

2.2 光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損的影響

當(dāng)光伏電源接入時(shí)，它與配電網(wǎng)的線損有直接的因果關(guān)系。一方面，光伏電源作為一個(gè)分布式能源，可以在一定程度上減輕中心負(fù)載，從而影響變量線損的形成。例如，當(dāng)陽光充足，光伏發(fā)電量大，直接供給臨近負(fù)載，配電網(wǎng)的遠(yuǎn)程負(fù)載相應(yīng)減少，導(dǎo)致變量線損減少。另一方面，光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性和不確定性可能對(duì)線損帶來負(fù)面影響。當(dāng)天氣發(fā)生突變，如云層遮擋導(dǎo)致光伏輸出驟降，電網(wǎng)需求突然增加，可能導(dǎo)致線損瞬時(shí)增大。這種情況下，電網(wǎng)的響應(yīng)能力和調(diào)度策略將對(duì)線損的管理起到關(guān)鍵作用。

2.3 光伏電源接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的潛在影響

雖然光伏電源帶來了綠色、可再生的能源，但其不確定性也給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來了一定的壓力。突發(fā)的光伏輸出波動(dòng)可能導(dǎo)致頻率、電壓等關(guān)鍵參數(shù)的變化，進(jìn)一步影響到線損和設(shè)備的壽命。因此，在高滲透的光伏系統(tǒng)中，如何優(yōu)化線損，確保電網(wǎng)穩(wěn)定性，是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

式中，DOECDit：OECD國家來源國的多樣性指標(biāo)；DIOECDit：非OECD國家來源國的多樣性指標(biāo)。

光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損有正負(fù)兩面的影響。為了確保電網(wǎng)的穩(wěn)定和高效運(yùn)行，需要深入研究線損的動(dòng)態(tài)特性，并采用合適的技術(shù)和策略進(jìn)行管理。

3 實(shí)際案例分析與優(yōu)化策略

3.1 實(shí)際案例分析

文章選擇了某大型都市地區(qū)為研究對(duì)象，命名為“陽光都市”。“陽光都市”近年來大力推廣光伏發(fā)電，并在5 個(gè)主要城區(qū)進(jìn)行了大規(guī)模的光伏電源接入。配電網(wǎng)覆蓋面廣，連接了約2.5 百萬用戶，因此其對(duì)光伏電源接入的響應(yīng)和線損影響代表性較強(qiáng)。

1）數(shù)據(jù)收集和處理：從該地區(qū)的電力公司獲取了過去一個(gè)月的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)和配電網(wǎng)的線損數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括每日的光伏發(fā)電量、電網(wǎng)的最大、最小和平均負(fù)載、固定線損和變量線損等。見表1。在數(shù)據(jù)處理階段，使用Python 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了清洗、篩選和歸類，去除了明顯的異常值，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。同時(shí)，對(duì)于連續(xù)多天的數(shù)據(jù)，計(jì)算了發(fā)電量和線損的月平均值。

表1 “陽光都市“2023 年6 月光伏發(fā)電與配電網(wǎng)負(fù)載數(shù)據(jù)

2）實(shí)驗(yàn)或模擬的方法與步驟：為了更加直觀地展示光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損的影響，構(gòu)建了一個(gè)配電網(wǎng)模型，并在MATLAB/Simulink 環(huán)境中進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)主要分為以下步驟：

步驟1：基于實(shí)際數(shù)據(jù)設(shè)置模擬實(shí)驗(yàn)的初始條件，如光伏發(fā)電量、電網(wǎng)負(fù)載、風(fēng)力發(fā)電量等。

步驟2：分別模擬在有光伏接入、有風(fēng)力發(fā)電接入和無任何新能源接入的情況下，配電網(wǎng)的線損變化。

步驟3：通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析新能源電源接入對(duì)線損的影響。

表2 新能源接入對(duì)配電網(wǎng)變量線損的影響

結(jié)果顯示，在有光伏接入的情況下，配電網(wǎng)的平均變量線損為36.2 MW，有風(fēng)力發(fā)電接入時(shí)平均變量線損為37.8 MW，而在沒有任何新能源接入的情況下，平均變量線損為40.3 MW。從而可以看出，新能源接入有助于減少配電網(wǎng)的變量線損。

此外，通過相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)日照時(shí)長(zhǎng)和光伏發(fā)電量呈強(qiáng)正相關(guān)，而溫度與線損之間的關(guān)系較為復(fù)雜，可能需要進(jìn)一步的深入研究。

結(jié)論：新能源，特別是光伏電源的接入，對(duì)“陽光都市“的配電網(wǎng)帶來了明顯的好處，減少了線損，推動(dòng)了清潔能源的使用。

3.2 基于光伏電源接入的線損優(yōu)化策略推薦

面對(duì)光伏電源的大規(guī)模接入，首先需要認(rèn)識(shí)到，這不僅是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，而且是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制、策略選擇和設(shè)備性能的全面考驗(yàn)。

首先，考慮到光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，需要依賴高頻、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠提供實(shí)時(shí)的光伏發(fā)電數(shù)據(jù)，還能對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)?；谶@些數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用先進(jìn)的算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，例如基于深度學(xué)習(xí)的負(fù)載預(yù)測(cè)模型，確保負(fù)載的實(shí)時(shí)調(diào)整與光伏發(fā)電的波動(dòng)相適應(yīng)，從而減少由于出力不穩(wěn)定導(dǎo)致的線損。

然而，僅僅依靠調(diào)度策略是不足夠的。在這里，儲(chǔ)能技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵。尤其是鋰離子電池等高效儲(chǔ)能設(shè)備，它們可以在短時(shí)間內(nèi)提供大量的儲(chǔ)能和釋放能量的能力，形成一個(gè)緩沖區(qū)，抵消光伏發(fā)電的波動(dòng)，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過結(jié)合先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)（BMS），可以對(duì)這些儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行高效、安全的管理，進(jìn)一步提高其對(duì)抗光伏發(fā)電波動(dòng)的能力。

最后，對(duì)于電網(wǎng)的硬件設(shè)施，采用高效、低損耗的配電設(shè)備也是至關(guān)重要的。新一代的高導(dǎo)電率導(dǎo)線、高效率的配電變壓器等，都采用了先進(jìn)的材料和設(shè)計(jì)，大大降低了固定線損和變量線損。而且，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，它們更能適應(yīng)高滲透率的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

總的來說，為了應(yīng)對(duì)光伏電源接入所帶來的挑戰(zhàn)，需要從多個(gè)維度進(jìn)行考慮，結(jié)合最新的技術(shù)和策略，確保電網(wǎng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。只有這樣，才能真正發(fā)揮光伏發(fā)電的潛力，為未來的可持續(xù)能源系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論與未來展望

本研究深入探討了光伏電源接入對(duì)配電網(wǎng)線損動(dòng)態(tài)的影響。從理論到實(shí)際案例分析，發(fā)現(xiàn)光伏電源的接入確實(shí)對(duì)配電網(wǎng)的線損產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)光伏發(fā)電量大時(shí)，變量線損明顯減少，但在光伏發(fā)電量小或存在大幅度波動(dòng)時(shí)，線損可能出現(xiàn)短暫的增加。通過采用儲(chǔ)能技術(shù)、動(dòng)態(tài)調(diào)度策略和升級(jí)配電設(shè)備等方法，可以有效地降低光伏電源接入帶來的線損問題。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及，光伏電源接入配電網(wǎng)將成為普遍現(xiàn)象。未來的研究應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注大規(guī)模光伏電源接入對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，以及如何更好地集成各種可再生能源。同時(shí)，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如何利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化，也將成為研究的重要方向。