考慮網(wǎng)絡損耗的光伏接入位置與準入容量仿真研究

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)絡損耗。針對某地區(qū)實際配電網(wǎng)，運用加拿大電力系統(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該配電網(wǎng)進行仿真分析，給出了網(wǎng)絡損耗在最小值時的最佳光伏安裝位置以及安裝容量，并將損耗直接以經(jīng)濟損失的形式展現(xiàn)出來。結果表明，光伏安裝靠近輸電線末端時，損耗較小；光伏安裝容量需要適度，安裝容量過大反而會使損耗增加；降低網(wǎng)損可以為供電企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。該研究可為地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃和運行提供建設性建議。

關鍵詞：分布式光伏電源；配電網(wǎng)；網(wǎng)絡損耗；CYME；經(jīng)濟損失

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。在政府一系列的財政補助和提倡優(yōu)先并網(wǎng)的政策鼓勵下，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，然而把大量的光伏發(fā)電系統(tǒng)引入配電網(wǎng)會對配電網(wǎng)的結構和運行產(chǎn)生很大影響。因此有必要對光伏接入配電系統(tǒng)展開研究。

由于受天氣因素影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)的隨機性、間歇性與波動性[ 1 ]，對其控制起來有困難，屬于不可調(diào)度的發(fā)電機組[ 2 ]。光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)會對配電網(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)后對配電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響。文獻[5]研究了分布式光伏發(fā)電對配電網(wǎng)電壓的影響并提出了電壓越限的解決方案；文獻[6]詳細探討了配電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)饋線阻抗比以及負荷對光伏電源接入點電壓的影響，并根據(jù)之前觀測到的數(shù)據(jù)，粗略計算出分布式光伏電源允許接入的峰值容量；文獻[7]從容量滲透率角度分析了并網(wǎng)光伏電源對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的影響，研究了在傳統(tǒng)配電網(wǎng)最小負荷限制下光伏并網(wǎng)的容量滲透率極限；文獻[8]根據(jù) ANSI C84.1-2006 穩(wěn)態(tài)電壓標準以及 IEEE519-1992 諧波標準對電壓偏差和諧波電壓畸變率進行約束，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。

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

1 研究網(wǎng)絡損耗的意義

電力系統(tǒng)中線損率是電力工業(yè)企業(yè)的一項重要的綜合性技術指標，也是對一流電力公司進行考核的主要指標，它可以反映出一個電力網(wǎng)的生產(chǎn)技術、規(guī)劃建設和運營管理水平。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，各級電力公司為降低線損率，使得電力使用效率和經(jīng)濟效益最大化，投入了大量的人力、物力和財力，對電網(wǎng)進行建設與改造。

調(diào)查研究顯示，一個獨立的發(fā)電企業(yè)，在完成相同合同發(fā)電量的前提下，網(wǎng)絡損耗每降低一個百分點，收益相當于節(jié)省 5 萬噸煤炭。可見，對于發(fā)電權交易過程中的網(wǎng)絡損耗的計算是有著相當重要的意義的[ 10 ]。

鑒于電力網(wǎng)線損率對國家電網(wǎng)公司以及人民生活的重要影響，必須對降低配電網(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)絡損耗的作用[ 11 ]。因此研究分布式電源接入對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響成為一大突破點。

2 網(wǎng)絡損耗的數(shù)學模型

負荷接入系統(tǒng)難免會產(chǎn)生網(wǎng)絡損耗。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 ]。在負荷側接入光伏發(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ΔLoss>0時，引入的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以減少系統(tǒng)網(wǎng)損；反之，當ΔLoss<0時，引入的光伏發(fā)電系統(tǒng)反而會使系統(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）、電纜安培容量計算模塊（CYMCAP）、保護設備分析模塊（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，該模塊功能強大，可以進行相電壓降、潮流分析、故障計算、保護設備協(xié)調(diào)驗證、最佳電容器安裝和容量選擇、負載平衡和負載分配/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。可以對不同操作條件和環(huán)境下的配電系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行規(guī)劃研究和仿真。

本文主要選用CYMDIST（distribution system analysis）模塊對某地區(qū)的配電網(wǎng)絡拓撲結構進行規(guī)劃建模，并以潮流分析功能進行仿真分析。該模塊可對整個配電網(wǎng)進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、延長設備資產(chǎn)壽命的同時，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個影響因素出發(fā)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后的網(wǎng)損變化進行仿真和分析，找出使得配電網(wǎng)網(wǎng)損達到最小值時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)濟損失直觀地展現(xiàn)出來，為實際電網(wǎng)規(guī)劃與運行提供指導建議。

本文考慮的27節(jié)點配電網(wǎng)簡化模型如圖1所示。

圖1相關參數(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)接入位置對網(wǎng)損的影響

此仿真模型由于是實際電網(wǎng)，各節(jié)點并非均勻分布，無法用實際距離來定量描述光伏接入位置，只能定性的將節(jié)點的編號從電源端開始遞增，距離電源越遠節(jié)點編號越大。分布式電源接入配電網(wǎng)以前，潮流從變電站流向用戶側[ 14 ]；分布式電源接入后，配電網(wǎng)從傳統(tǒng)的無源網(wǎng)絡變成有源網(wǎng)絡，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)接入容量對網(wǎng)損的影響

光伏的接入容量并不是越大越好[ 17 ]，當光伏發(fā)電系統(tǒng)的有功輸出小于負荷容量時，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。

當光伏接入容量較小時，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；當光伏接入容量持續(xù)增大并且超過接入饋線的負載時，光伏系統(tǒng)開始向外部電網(wǎng)或者配電網(wǎng)中其他饋線的負荷提供有功功率，此時隨著光伏發(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，當接入光伏容量為1200kW時，負荷消耗的總的有功功率為1640.25kW，當不接入光伏系統(tǒng)時，系統(tǒng)有功損耗為33.23kW；光伏系統(tǒng)接入容量為1300kW時，系統(tǒng)有功損耗最低，為23.07kW；當繼續(xù)增加光伏系統(tǒng)接入容量時，有功損耗繼續(xù)增加，光伏接入容量為2700kW時有功損耗與不接入光伏系統(tǒng)時接近；當超過2700kW時，有功損耗比不接入光伏系統(tǒng)時還高。按照光伏滲透率的定義：當前光伏容量與負荷容量之比[ 20 ]。此時得出使得網(wǎng)損達到最小值時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)濟損失的關系

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

可以看出降低線損能帶來巨大的經(jīng)濟效益。國家電網(wǎng)公司為實現(xiàn)建設“一強三優(yōu)”現(xiàn)代公司的戰(zhàn)略目標，提出了強化細化電網(wǎng)節(jié)能降損管理，加強配電網(wǎng)損耗的準確計算和節(jié)能降損措施的執(zhí)行，具體提出了代表日負荷實測及線損理論計算與分析工作大綱。從大綱可以看出降低的線損率絕對值雖然不大，但是長久以來所產(chǎn)生的絕對值卻是值得重視的，給供電企業(yè)帶來的經(jīng)濟效益是巨大的。

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減少因網(wǎng)損而導致的經(jīng)濟損失的重要意義。

5 結論

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)內(nèi)是以不含光伏電源設計的，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)的引入使得配電網(wǎng)從無源變?yōu)橛性矗淖兣潆娋W(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個因素對網(wǎng)損變化的影響，以及網(wǎng)損變化所造成的經(jīng)濟損失做了一定預算，有以下結論：

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

2）適當引入光伏發(fā)電系統(tǒng)會減少輸電線的有功損耗，但當光伏發(fā)電系統(tǒng)總的接入容量與負荷容量的比值大于某一數(shù)值時（此算例為1.65倍），引入光伏發(fā)電系統(tǒng)會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、接入容量能夠為電力供電企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

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