電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)臺區(qū)線損精確計算研究

靳凱倫

（國網(wǎng)河北省電力有限公司滄縣供電分公司，河北 滄州 061000）

0 引言

作為配電網(wǎng)線損的關(guān)鍵構(gòu)成之一，分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)臺區(qū)線損會直接影響供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及其降損節(jié)能等多個方面，由此也就能夠看出，對其進(jìn)行精準(zhǔn)計算的關(guān)鍵作用。

1 電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)概述

1.1 概念

自2021 年以來，我國分布式光伏發(fā)展迅猛，已成全國光電工程建設(shè)的主體，徹底改變了以往聚集式為主的格局。為此，國家能源局出臺了《關(guān)于報送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，確定了黨委國家機關(guān)、公用房屋、工業(yè)廠區(qū)、農(nóng)村等單位裝設(shè)光電的最低標(biāo)準(zhǔn)，為推動全國光電建設(shè)做出了積極貢獻(xiàn)。2021 年9 月，676 個縣（市、區(qū)）被列入整縣分布式光伏電網(wǎng)發(fā)展試驗，這些臺區(qū)的光伏發(fā)電裝置以客戶側(cè)自發(fā)自用、剩余電能網(wǎng)絡(luò)、配電系統(tǒng)平衡協(xié)調(diào)為特點，能夠有效地改善現(xiàn)場的能源利用效率，同時也能夠節(jié)省資金，提升環(huán)境保護(hù)能力。采用分布式光伏發(fā)電技術(shù)，能夠根據(jù)臺區(qū)的特點，實現(xiàn)清潔高效的運行，而且能夠分散布局，以便更好地利用現(xiàn)場的太陽能資源，從而取代和降低化石能源的耗費。分布式光伏水力發(fā)電是一項新興的、可持續(xù)發(fā)展的再生能源方法，它依靠運用光伏組件將太陽光轉(zhuǎn)化為能量，進(jìn)行就近水力發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)化和就近運用，不但有助于大大提高相同規(guī)模光伏電站的發(fā)電量，而且還可能有效減少能量在升壓和長途運送中的損失[1]。分布式光伏管理系統(tǒng)是一項廣泛應(yīng)用的技術(shù)，它可以在都市大廈房頂上安裝，并與公共電網(wǎng)相連接，為附近的客戶提供電力。這種技術(shù)通常被稱為分散式發(fā)電或分布式供能，它可以在客戶場地或臨近供電現(xiàn)場安裝較小的光伏發(fā)電系統(tǒng)，以適應(yīng)特殊客戶的需要，同時也可以支撐現(xiàn)有輸配電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)運行。分布式光電控制系統(tǒng)由多種設(shè)備組成，包含光伏太陽能池模組、光電方陣模板、直流匯流箱、配電柜、逆變器和交流配電柜等，它們的運行可以實時監(jiān)測用電系統(tǒng)狀況，并且還可以對環(huán)境進(jìn)行有效的控制。在陽光射線的照耀下，光伏發(fā)電管理系統(tǒng)內(nèi)部的太陽能電池組件陣列將太陽光轉(zhuǎn)換成可用的電量，并經(jīng)由直流匯流箱將其匯聚輸送至直流配電柜，然后由并網(wǎng)逆變器將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡詽M足建筑物的負(fù)載需求，若電力不足，則可以透過與電網(wǎng)的連接來調(diào)節(jié)。

1.2 優(yōu)勢

分布式光伏發(fā)電方案的優(yōu)勢如下：①其產(chǎn)出能力較小，通常來講，它們的電容不會超過數(shù)千伏。與聚集式電廠有所不同，分布式光伏發(fā)電方案的大小對開發(fā)效果的作用很小，因而它們的經(jīng)濟(jì)性也更加優(yōu)越，投資收益率也比大型電廠更高。②分布式光伏發(fā)電方案具有顯著的環(huán)境效果，因為它在運行進(jìn)程中不會發(fā)生噪聲污染，也不會對室內(nèi)空氣和水形成環(huán)境污染[2]。③它可以在適當(dāng)限度上緩和局部供電緊張狀況，但是由于能量密度較低，每平方米光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率僅為100W，再加之適于安置光伏組件的建筑屋頂范圍受限，因而無法從根本上化解供電緊張問題。

1.3 技術(shù)特點

首先，分布式光伏發(fā)電技術(shù)環(huán)境友好、噪聲污染小，分布式光伏開發(fā)建設(shè)項目在開發(fā)進(jìn)程中，不僅毫無噪音，也不會對室內(nèi)空氣和水造成環(huán)境污染。其次，該技術(shù)能夠同步開發(fā)和使用，大規(guī)模地面電站開發(fā)需要升壓接通輸供電系統(tǒng)，僅用作開發(fā)電站運營；而分布式光伏開發(fā)則能夠接通配電網(wǎng)，能夠同步開發(fā)和使用，且應(yīng)該盡量地實現(xiàn)就地消納。再次，分布式光伏開發(fā)建設(shè)項目的產(chǎn)出能力一般在數(shù)千伏以內(nèi)，這與聚集式電站項目有很大差別，因為它們的開發(fā)效益受到很小的負(fù)面影響，從而使得它們的經(jīng)濟(jì)性也得到了極大的提升，而且投資收益率也比大規(guī)模電站項目要高得多[3]。最后，分布式光伏開發(fā)能夠在相當(dāng)限度上緩和部分供電緊迫情況，但是由于能源密集程度較低，每平方米的輸出功率僅有一百瓦，而且適于安置光伏組件的建筑屋頂規(guī)模受限，因此無法從根本上化解供電緊張問題。

2 分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)及諧波影響

隨著分布式光伏發(fā)電的普及，其諧波危害也日益顯現(xiàn)。電網(wǎng)電力平衡變得更加困難。由于多數(shù)臺區(qū)缺乏分布式光伏發(fā)電的監(jiān)測和出力預(yù)測能力，傳統(tǒng)的負(fù)荷預(yù)測方法無法準(zhǔn)確反映分布式發(fā)電的危害，尤其是在分布式光伏發(fā)電接入比例較高的臺區(qū)，這種危害更加突出，因此，國家電網(wǎng)在多數(shù)時期必須增加后備供電容量以適應(yīng)分布式光伏發(fā)電出力的變化趨勢。隨著分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電、聚集式光伏系統(tǒng)發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的重疊，調(diào)峰在白天負(fù)荷低點時間變得更為困難，特別是在假日時間。此外，隨著無源網(wǎng)向有源網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，配電網(wǎng)的運維管理也變得越來越繁雜。由于局部高比重布局式光伏開發(fā)的直接接入，電網(wǎng)下網(wǎng)趨勢變得越來越輕，甚至?xí)a(chǎn)生倒送現(xiàn)象，重大時會引起這些區(qū)域網(wǎng)供負(fù)載特征變化。此外，由于大規(guī)模接入電網(wǎng)，分布式光伏發(fā)電也會對電力質(zhì)影響，如諧波、電流閃變、三相不均衡等，從而使得電力質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)[4]。浙江省嘉興有些分布式光伏開發(fā)集中式并站點發(fā)生了壓力閃變、諧波失真率等指數(shù)超標(biāo)的情況，這是由于原有的配電網(wǎng)電壓波動深受有功和無功負(fù)載的干擾，而且隨著距離網(wǎng)路終點越近，壓力變化也會越強烈。此外，光伏電源是一種非線性的直流電源，受氣候和溫度因素的影響，其輸出功率變化最為顯著，尤其是光照強度的變化。由于光伏電站的產(chǎn)出能量有著較強的隨機性，使得控制和運行變得極其困難。當(dāng)配電網(wǎng)負(fù)載容量與光伏電源輸出功率不相匹配時，光伏供電的產(chǎn)出效率會受到環(huán)境的影響而發(fā)生波動，而且光伏并網(wǎng)后，由于的改變，或許會導(dǎo)致系統(tǒng)潮流強弱、角度和電壓分布改變。

3 電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)及諧波影響

首先，電樁諧波分布式光伏管理系統(tǒng)并網(wǎng)后，會對壓力、噪聲和孤島效應(yīng)等問題產(chǎn)生重大影響，其中壓力變化與負(fù)載能力密切相關(guān)，而且隨著時間的推移而發(fā)生變化。隨著分布式光伏開發(fā)并網(wǎng)的推廣，電網(wǎng)的變化也會隨之發(fā)生變化，尤其是在電網(wǎng)末梢，這種變化更加強烈。其次，光伏發(fā)電是一種非線形直流供電，自然條件是直接限制其發(fā)電效率的主要，因此，應(yīng)采取有效的應(yīng)對措施來改善光伏發(fā)電的效果?？刂乒夥娬镜妮敵龉β示哂休^高的不確定性，并且隨著環(huán)境因素的變化，電壓也會發(fā)生變化。此外，利用高頻開關(guān)的逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交換電時，也會形成高頻諧波電壓，這會對電站的穩(wěn)定性造成不利影響，因此，在選用光伏發(fā)電系統(tǒng)時，應(yīng)該特別注意諧波電壓的控制，以確保電站的安全運行[5]。諧波污染是一種嚴(yán)重的電網(wǎng)問題，當(dāng)逆變器超負(fù)荷時，它會對電網(wǎng)造成更大的危害。最后，分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的逆變器互相干涉，造成電壓沖擊作用。在這種情況下，發(fā)電功率與負(fù)荷能力不匹配，造成供電系統(tǒng)故障發(fā)生，無法準(zhǔn)確監(jiān)測到控制系統(tǒng)脫網(wǎng)，造成供電系統(tǒng)孤島。

4 并網(wǎng)臺區(qū)線損的精確計算

4.1 精確計算

在實際進(jìn)行計算的過程中，首先要進(jìn)行線路接入電壓恒定的設(shè)置，這就意味著第n-1 個負(fù)荷點與第n個負(fù)荷點間的線路阻抗計算，需要用到式（1）。

式中：R′——線路的阻抗；ln——線路的長度；R——AP線路的阻抗；K——AP 線路的電抗；i——負(fù)載均方根電流。

由于并網(wǎng)壓力較低，沒有及時充分考慮線路的接地電容，因此，將全線的阻抗集中起來，就能構(gòu)成等值電路。線路的無功損耗可以通過式（2）來計算。

線路本身的有功損耗如式（3）所示。

根據(jù)上述兩個公式表示方法，可以計算出相等線路的阻力，這些公式表示方法依次由ΔQ（i）和ΔW（i）表示無功損失和有功損耗，Si和Ri表示相等線路電抗，Ui表示電路電壓，Wi和Qi依次表示有功功率和無功功率。根據(jù)這些公式表示方法，我們可以及時有效地確定等值線路的阻力大小[6]。將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與電樁諧波相結(jié)合，并網(wǎng)運營。

當(dāng)臺區(qū)電路的負(fù)荷不均衡時，零線會產(chǎn)生電流，這種電壓會影響零線的輸出功率，導(dǎo)致線損的產(chǎn)生，從而使得臺區(qū)電路的總功率損失超過了均衡用電管線的承受能力。當(dāng)電壓等于零時，我們用Ii來表示，其中I1>I2>i3…>In。當(dāng)電流不平衡時，我們用λi來表示，其中λ1=I2/I1，λ2=I3/I2，…，λn=In/In-1。此時，可以通過計算損失系數(shù)α來確定線損值與均衡用電情況之間的關(guān)系。電壓失衡會導(dǎo)致?lián)p失系數(shù)的變化，其計算如式（4）所示。

通過應(yīng)用式（4），可以迅速估算出分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中電樁諧波的線損情況。

4.2 實例分析

本文通過實例分析來證明電樁諧波的分布式光伏開發(fā)并網(wǎng)平臺線損計算方式的正確性。為了進(jìn)行這項研究，選擇了6 層的臺區(qū)，共有32 個節(jié)點和50 個用戶。圖1 為一個詳細(xì)的分層結(jié)構(gòu)。

根據(jù)該分層示意圖，能夠進(jìn)行以下6 個層次之下，線損區(qū)域的劃分，A1 為0；A2 為1-20；A3 為2-3-4-17-18-19-21-22-23-26；A4 為5-24-25-27；A5 為6-7-8-9-28-29-30-31；A6 為10-11-12-13-14-15-16。①在A1 和A2 臺區(qū)，我們對比分析了前推回代算法和本文研究算法的統(tǒng)計精度。結(jié)果表明，前推回代算法的統(tǒng)計精度最大可達(dá)到74%，最低點也在71%之上；而我們研究算法的統(tǒng)計精度最大可達(dá)到95%，最低點也為93%。在A1 臺區(qū)，我們研發(fā)的算法比前推回代算法的統(tǒng)計精度要高出70%之上，這表明兩者的應(yīng)用效果都很好。②A4 臺區(qū)為5-24-25-27，在A4 臺區(qū)，我們比較解析了兩個算法的統(tǒng)計精度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用前推回代算法統(tǒng)計精度在三次試驗中最大可達(dá)58%，而在5 次試驗中最低只有52%；而利用本文研究算法統(tǒng)計精確度，在三次和四次試驗中最高點可達(dá)92%，而在5 次試驗中最低只有2。經(jīng)過5 次試驗，最高點達(dá)到93%，而最低則降至90%。因此，在A4 區(qū)域，本文提出的算法比傳統(tǒng)的回歸算法更加精確，具有顯著的優(yōu)勢，在并網(wǎng)臺區(qū)線損中的計算是十分適用的。

5 結(jié)語

綜上所述，對于電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)臺區(qū)線損精確計算，是保證相關(guān)行業(yè)、企業(yè)發(fā)展速度、發(fā)展水平的關(guān)鍵所在。本文站在電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)概述、分布式光伏發(fā)電的并網(wǎng)及諧波影響、電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)及諧波影響以及并網(wǎng)臺區(qū)線損的精確計算研究與分析4 個角度出發(fā)，著重闡述并分析了具體的計算方式與實證，并對其中所涉及的相關(guān)概念做出了詳細(xì)闡明，希望能夠為電樁諧波的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)臺區(qū)線損精確計算提供堅實助力與有效支持。