基于網損的分布式光伏并網容量匹配策略的研究*

曾 惜，王元峰，劉 暢，董飛軍，蔡廣林

（1.貴陽供電局，貴州貴陽 550004；2.廣州思泰信息技術有限公司，廣東廣州 511493）

0 引言

近年來，隨著國家一系列光伏支持政策的出臺以及新能源技術發展的驅動，我國分布式光伏發電得到了快速發展[1-3]。分布式光伏并網后配電網由單電源放射狀結構變為多電源結構，配電網的潮流大小及方向將發生改變，從而改變配電網的網損。同時，由于分布式光伏發電受天氣影響較大，其出力具有隨機性和波動性，且同一地區的分布式光伏出力特性具有強相關性，導致分布式光伏大量并網時會對配電網的運行造成一定的影響[4-5]。因此，研究分布式光伏的并網容量匹配策略對配電網的規劃及運行具有重要意義。

目前，國內外專家學者在分布式光伏并網容量規劃方面做了很多研究，文獻[6?8]研究了分布式電源的接入位置及容量對配電網網損的影響；文獻[9-11]在光伏輸出功率恒定的前提下，建立滿足電能質量限值的光伏發電并網極限容量計算模型，利用確定性潮流計算其準入容量；文獻[12-14]以網損為目標，應用粒子群算法，實現了光伏電源的最優接入，但并沒有對光伏并網給配電網網損帶來的影響做定量分析；文獻[15-16]分析了分布式光伏滲透率對配電網網損的影響，但沒有分析其影響的規律性。

本文作者在分析分布式光伏出力特性的基礎上，從配電網潮流方程出發，分析分布式光伏并網容量對網損的影響，推導出了分布式光伏并網的最優容量計算公式，并提出了分布式光伏并網的容量匹配策略，并在仿真平臺上進行實際算例仿真驗證。提出的分布式光伏容量匹配策略簡單易行，對供電部門批復分布式光伏的接入容量具有工程實用價值。

1 分布式光伏出力特性

分布式光伏為一種典型的間歇性電源，其出力具有波動性和間歇性，由于其受日照規律的制約，其日出力曲線又具有明顯的規律性。對于規劃而言，關注的是長期運行效益，因此可以忽略云層運動等造成的光伏出力短時間歇或波動，得出平滑后的典型光伏日出力特性，如圖1所示。

監測表明，光伏的小時平均功率在日出后至日落前具有相當的平穩性，晴天和陰雨天的差別主要表現在出力峰值不同。顯然，夜間光伏出力為0的時段，其接入對配電網運行指標沒有影響。日出和日落的2個小時為光伏功率的上升和下降期，此時光伏功率的上升或下降幅度較大。

此外，因為不同用戶負荷同樣有其日曲線規律，規劃時宜優先選擇接入點負荷曲線與光伏日出力曲線變化規律接近的饋線作為光伏接入饋線。因為當負荷和電源功率變化規律相近時，光伏全天候運行對配電網線損和電壓的影響有穩定和一致的規律。

通常與光伏出力曲線規律較為一致的負荷類型為行政辦公用戶、商業用戶和一班制工業用戶。而居民負荷的峰谷分布則與光伏出力相反，故不建議選擇以純居民負荷為主的饋線作為光伏接入饋線。

圖1 簡化的光伏日出力曲線

2 分布式光伏并網的最優容量計算

中壓配電網一般開環運行，呈輻射式結構，可簡化為具有n個主干節點的放射式饋線結構，其簡化模型如圖2所示。

圖2 輻射式饋線等值接線圖

從變電站出線端開始對主干節點進行編號。記第i段干線（連接節點i-1和節點i）的阻抗為ri+jxi，典型運行方式（概率最大的運行方式）下，節點i的負荷功率為si=pi+jqi。采用標幺值計算，為簡化計算設沿線節點電壓為1p.u.；忽略下游線路損耗對上游支路電流的影響，并忽略恒定功率負荷時沿線節點電壓變化對電流大小的影響，可得出沿線功率損耗的近似計算公式為：

設分布式光伏運行功率因數恒定為1，有功功率記為PV，如在節點M接入分布式光伏，那么分布式光伏接入前、后的線損可用P0loss、P1loss表示，由式（1）可得分布式光伏接入前和接入后的線路線損變化量為：

由式（2）可得出以下幾點結論：

另外，當分布式光伏容量較大時，其接入則一定會增加線損；當其容量很小時，則其接入則會減少線損，但減少的幅度亦非常小。由式（2）進一步推導可知，當點M接入發電功率PV的分布式光伏后，網損的減少量是關于PV的二次函數。記A={a1a2???aM}表示分布式光伏接入前不計網損時流經各段干線的負荷有功功率，其中：。顯然，A為單調遞減的正定序列。求式(2)對PV的一階導數可得出ΔPloss最大值及其對應的PV值為：

式（3）的物理含義為：對接入點M之前各段線路，以每段線路電阻在M段線路總電阻中所占比例為加權系數，對M段線路流經的有功功率求取加權平均值，所得到的平均有功功率即為最優分布式光伏接入功率。以該功率運行時分布式光伏，接入后能最大限度的降低所接入配電線路的功率損耗。

一般的，在進行簡化模型分析中，可在電源到分布式光伏接入點間選取電阻值較大（如線路較長且或線路截面較小），進而可求得有功功率也較大的幾段干線段的功率加權平均值作為最優的分布式光伏的接入的匹配容量。

3 分布式光伏并網的容量匹配策略

當分布式光伏并網位置確定時的容量匹配方法如下：

（1）對接入點饋線采集相關信息，包括：正常運行時最大有功負荷，干線長度，接入點編號M的典型負荷曲線PM(t)；

（2）計算沿線總有功負荷及線路末端有功負荷；

（3）計算接入點最優容量匹配功率閥值

（4）分析分布式光伏出力與兩倍沿線總有功負荷及兩倍線路末端有功負荷之間的數值關系，確定分布式光伏的最優接入功率P1，并以此確定此接入點的分布式光伏最優匹配容量。

4 算例分析

4.1 仿真建模

算例采用IEEE提出的配電網可靠性測試系統RBTS96的一條饋線，具體饋線參數和負荷數據如圖3所示，干線線型選用LGJ-150，沿線負荷線用戶均為辦公和居民混合負荷，其歸一化的典型日負荷曲線如圖4所示。均采用確定性分布式光伏進行仿真計算，算例對接入容量的評價采用年運行線路網損作為評價指標。

圖3 算例等值系統示意圖

圖4 典型日負荷曲線

考慮如下兩種光伏接入情況：

（1）光伏接入節點#1，確定最優光伏接入容量范圍；

（2）光伏接入節點#5，確定最優光伏接入容量范圍；

4.2 仿真分析

將每天光伏出力穩定時段（5:00-18:00）的運行指標作為主要考慮依據，通過晴雨天概率計算可得出光伏出力的年概率均值為其額定容量的0.66。另外，圖4日負荷曲線，每天5:00-18:00時段內負荷也較為穩定，數值在日最大負荷的90%～100%。而根據年負荷曲線，每年83%的月份日最大負荷為年最大負荷的60%以上。

那么考慮上述兩個因素情況下，可得出光伏接入規劃中需考慮的負荷功率范圍為0.7～1.0倍的最大負荷。

對上述負荷范圍，由式(4)計算分布式光伏接入不同節點時的容量匹配功率閥值。不同負荷水平下分布式光伏接入節點1-6時對應的網損最優的容量匹配功率閥值P1計算結果如表1所示。

表1 網損最優的的容量匹配功率閥值P1 MW

根據表1可以得出接入點#1和#5的分布式光伏最優匹配容量結果如下：

（1）若光伏接入節點#1，最優光伏功率在區間4.83～6.9 MW之間，此時沿線網損最低。根據該地區日輻照度，這一光伏出力范圍對應的光伏電池容量為7.3～10.45 MW。

（2）若光伏接入節點#5，最優光伏功率在區間3.12～4.45 MW之間，對應的光伏電池容量為4.73～6.74 MW。此時沿線網損最低。

采用運行模擬方法檢驗上節基于規劃原則得出的選址定容結果。采用的運行模擬方式為：根據算例給出的光伏出力曲線和負荷曲線，以小時為單位進行全年8 760 h對應的不同運行方式的潮流計算，統計出全年的網損合格率。通過枚舉不同的光伏接入節點位置和容量，重復上述模擬并比較計算結果，可以得出算例容量匹配的最優方案。圖5列出了典型光伏容量和接入位置對應的饋線網損變化曲線。

圖5 不同光伏接入位置和容量下的網損變化

運行模擬得出規劃算例的選址定容結果為：

（1）若光伏接入節點#1，最優光伏電池容量為10 MW。該容量光伏接入后線路全年的網損下降了33%。

（2）若光伏接入節點#5，最優光伏電池容量為4.2 MW。該容量光伏接入后線路全年的網損下降了38.6%。

由上分析可見，運行模擬因為更精細的考慮了網絡模型、負荷和光伏出力變化的影響，其獲得的光伏接入容量優化結果與本文作者提出的容量匹配策略和簡單公式得出的容量結果略有差異，但數值仍然比較接近。因此，本文作者提出的容量匹配計算公式和容量匹配策略是簡便而有效的。

5 結語

本文作者在分析分布式光伏并網容量對配電網網損的影響的基礎上，對考慮光伏并網后線路網損的光伏并網的容量匹配策略進行了詳細闡述。并以實際仿真算例進行仿真驗證，得出結論如下：

（1）分布式光伏出力不大于2倍的沿線總有功負荷時，光伏接入后線路總損耗降低；

（2）分布式光伏出力大于2倍的沿線總有功負荷，光伏接入后線路總損耗增加；

（3）根據分布式光伏接入點最優容量匹配功率閥值計算得出的最優匹配容量可使接入后網損最小，容量匹配計算公式及匹配策略簡便有效。