含光伏發電系統配電網降損研究

江蘇科技大學電氣與信息工程學院 ■ 楊志豪 鄭艷芳

含光伏發電系統配電網降損研究

江蘇科技大學電氣與信息工程學院 ■ 楊志豪 鄭艷芳*

綜述近10年來傳統配電網降損方法及含有分布式電源的配電網優化配置研究成果，通過建模分析配電網中光伏電源容量、位置、運行方式對配電網網損的影響；最后結合光伏發電實際特點，提出將支持向量機和禁忌算法相結合的混合算法應用到配電網降損中的思想。

光伏發電；分布式電源；配電網；降損

0 引言

人類生存與發展離不開能源，隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的大量開采與消耗，化石燃料儲量急劇下降，其燃燒導致的環境污染問題日益嚴重。為抓住能源引領的能源革命[1]，我國“十三五”規劃綱要提出：1)加快各級電網建設，重點加快特高壓骨干網架和配電網建設；2)大規模開發清潔能源；3)嚴格控制中東部煤電；4)推動構建全球能源互聯網。光伏發電(PV)是主要的分布式電源之一，它與配電網相連可為大電網提供備用，增強了電網的可靠性；同時由于PV啟停方便等優點，可在電網中起到良好的調峰作用。其中，含PV的配電網建設及其對配電網損耗的影響和降損方法研究是實現“十三五”規劃的一項重要工作。

近年來，國內外在配電網降損方法的研究上取得豐碩的研究成果。本文綜述了近10年來傳統配電網降損方法研究新成果，尋求對未來配電網建設具有指導意義的降損方法，以實現節能環保的目標。此外，PV在配電系統中的應用研究是未來實現清潔能源有效利用、降低中東部煤電份額的核心研究方向之一；結合PV的實際特點，通過建立網損模型，說明引入PV并合理配置PV對配電網網損的影響。

1 傳統配電網降損方法研究

電網降損方法研究包含損耗分析研究和降損措施研究，其中，損耗分析研究是制定出有效降損措施的前提和根本保證。配電網的損耗分析是以電網參數為基礎，通過計算理論損耗與統計損耗并進行比較，對配電網損耗中的技術損耗和管理損耗進行分析研究[2]。

在配電網技術降損方法上，張愷凱等[3]從線路電阻、配電變壓器、電網功率因數低、線路日負荷不均衡、三相負荷不平衡、設備老化、接觸不良、諧波等方面闡述技術損耗的降損措施，但并未考慮規劃中的其他費用。楊文鋒等[4]在城市中低壓配電網降損方面分析常用配電網降損方法，并考慮了規劃方案中的費用和運行約束的條件，構建出配電降損規劃的優化決策模型，實現了最優的綜合效益。郭秀欽等[5]根據配電網供電半徑的長短、供電負荷的輕重及負荷的功率因數

等情況配置無功補償裝置，從而對中低壓配電網絡進行無功優化改造，使投資、運行和降損效果達到最佳，但未考慮到無功優化可能會增加變壓器自身的損耗問題。史昌明等[6]將變壓器損耗引入配電網無功優化模型，并考慮了不同負荷水平的影響，認為在無功優化方案中考慮變壓器損耗適用于各種負荷水平。姚遙等[7]從提高供電可靠性和平滑負荷的角度出發，利用儲能電池“既可在放電時作為儲能節點，又可在充電時作為負荷節點”的特點，提出將儲能技術引入配電網的思想，使負荷高峰和負荷低谷時的綜合線損率降低。

在管理損耗方面，陳洪波[8]從管理損耗的角度分析了計量裝置管理的問題，并從計量裝置的選擇、安裝和防竊電措施角度提出了配電網的降損措施。

近年來，研究人員對PV并網的研究逐步深入，隨著PV引入配電網，其對配電網網損的影響也十分顯著。研究表明，在傳統配電網中引入PV也可有效減少網損，進而結合目前流行的細菌菌落算法、禁忌搜索算法、自適應變異的粒子群優化算法等智能算法，可帶來可觀的經濟效益。

2 引入PV對配電網網損的影響

2.1 引入PV后網損變化模型

簡單潮流計算中，負載是由電網電源單方面供電，而接入PV后，負載通過電網電源和PV共同供電。本文采用文獻[9,10]中的模型，并在此基礎上通過求導分析，推導出PV引入配電網對網損的具體影響因素。假設兩種情況下負荷大小均相同，不考慮線路首端到線路末端的壓降，設全線路電壓為U0，也不考慮負荷的三相不平衡。建立的理想模型見圖1和圖2。其中，Ps、Qs分別表示電網電源的有功功率、無功功率；PL、QL分別表示負荷的有功功率、無功功率；PG、QG分別表示光伏電源有功、無功功率；L表示電網電源與負荷之間的距離；LG表示電網電源與光伏電源之間的距離。

圖1 未接入PV的模型

圖2 接入PV的模型

引入PV可有效減少電網損耗，這是由于PV改變了系統的潮流分布。以往的電力系統中，電網電流在線路中大量流動，造成線路損耗增加；而加入PV后，一部分電源仍由電網電源供給，另一部分則由靠近負荷側的PV供給。

1)系統流入負荷側的單相電流為：

假設線路單相電阻率為r0(Ω/km)，則未接入PV電源時，Is=IL，系統線路損耗為：

2)對于接入PV的電網來說，由于PV輸出的單相電流IG：

所以，電網電源流入的電流Is：

系統線路損耗分成電網到PV的損耗和PV到負荷的損耗，則在此情況下系統線路損耗為：

3)可見，接入PV與未接入PV，其功率損耗不同，其差值為：

由式(6)可知，PV接入的位置(LG)，PV電源有功功率(PG)、無功功率(QG)各自出力的大小，都將影響接入PV后配電網網損。

2.2 引入PV的配電網損耗影響因素分析

2.2.1 PV相對負荷的位置

由式(6)可知，當PV接入的容量及功率因數不變時，ΔS的大小僅與LG的大小線性相關。而LG是電網電源與PV之間的距離，當LG越大，也就是在輻射型配電網網絡中，PV越接近負荷中心，則ΔS越大；即相比于未接入PV，接入PV會有效減少網絡損耗。

2.2.2 PV相對負荷的容量

由式(6)可知，當考慮PV相對負荷容量對網損影響時，需控制PV的位置及功率因數為一定值，即設LG為常數；設PV相對于負荷的比值為K，即則式(6)可變為：

可見，當K=1時，ΔS最大，即此時引入PV能最大限度減少網損；當K=2時，ΔS=0，表明此時引入PV與未引入PV對網損的影響相同；當K＞2時，引入PV不僅不會減少網損，甚至會比不接入PV的網損還要大。

以上分析表明，在考慮PV接入配電網時，并非容量越大越好，當PV容量與負荷的容量相當時，可使配電網損耗最小。

2.2.3 PV運行時功率因數

由式(6)可知，要研究PV運行方式對ΔS的影響，需要控制PV的位置和容量不變，即LG和SG為定值。設PG=SGcosφ，QG=SGsinφ (φ為PV系統功率因數角)，則：

ΔS對φ求導，可得：

綜上所述，在配電網中合理引入PV可顯著減少網損，但與一般分布式電源不同，PV發出的直流電只能通過逆變器并網，需考慮負荷無功需求，合理配置無功補償裝置和容量，從而在不增加額外損耗的前提下，有效降低線損。

3 PV優化配置

在PV配置時，可結合智能算法進行優化。Vukobratovic 等[15]利用人工神經網絡和遺傳算法在DIgSILENT PowerFactory上對配電網功率損耗進行仿真，確定配電網中分布式電源的最優位置，但這種算法的參數設置較為復雜，運行速度慢。葉德意等[16]考慮了遺傳算法及粒子群算法易早熟的特點，提出了自適應變異的粒子群優化算法，增強了粒子群優化算法跳出局部最優解的能力，具有良好的收斂精度和速度。Hussain等[17]利用微分進化的方法優化了在輻射式配電網中分布式電源的位置，具有處理不可微復雜優化問題的功能。陳海東[18]提出利用細菌菌落算法對分布式電源進行優化配置的方法，相比于螢火蟲算

法收斂精度更高，也避免了粒子群算法計算時間長、運行復雜的缺點。

由于禁忌算法(TS)具有較強的局部搜索能力和“爬山”能力[19]，支持向量機(SVM)[20]可有效解決有限樣本、非線性及高維模式識別問題，TS和SVM結合可有效預測負荷，進而為PV的配置提供參考樣本，最終降低配電網損耗，帶來經濟效益。

4 總結與展望

本文結合基本國情和基本國策，研究了近十年來在傳統的配電降損方面取得的成果，并在此基礎上，研究引入PV對整個配電網網損的影響。研究結果表明：1)含PV的配電網網損明顯降低；2)含PV的配電網中，PV容量與負荷容量匹配時方可達到有效降損的目的；3)PV產生的無功功率可有效實現系統降損。此外，針對含PV的分布式電源系統分支繁多、結構復雜、節點不固定等特點，本文提出采用支持向量機和禁忌算法相結合的混合算法，該研究可直接指導引入PV的配電網建設及降損研究的仿真和實驗。然而，對含分布式電源系統配電降損的研究工作任重而道遠，尤其是線損計算和降損措施方面，需要積累更多的實驗和實踐數據，用來驗證算法的精確性和方法的可行性，這也將是下一步研究的方向和目標。

研究表明，引入PV可有效降低配電網損耗，然而，也發現更多亟待解決的問題，如如何結合實際交直流混合電網的基本情況來選擇PV容量、接入位置和功率因數等參數是有效實現配電網降損的一個關鍵技術問題。

下一步研究將集中在以下方面：1)結合實際交直流混合電網的基本情況，研究選擇PV容量、接入位置和功率因數等參數的有效方法；2)研究含太陽能、風能、潮汐能等多種分布式發電系統的配電網降損方法；3)混合動力的車載、船載微電網的配電降損研究等。

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2016-05-11

鄭艷芳(1986—)，女，博士、講師，主要從事電容式傳感器、微電網電能評估方面的研究。zhengyf@ynao.ac.cn