分布式光伏電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

寇鳳海

（河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031）

分布式光伏電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

寇鳳海

（河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031）

分布式光伏電源功率輸出具有隨機性、波動性和間歇性，其有功出力受自然天氣條件的影響很大[1-3]。因此，當(dāng)配電系統(tǒng)中接入大量的分布式光伏電源之后，使配電系統(tǒng)運行控制更加復(fù)雜化，將很大程度地影響配電網(wǎng)潮流的大小、方向，以及線路、電氣設(shè)備和用戶端的電壓等[4-5]。這些影響帶來的正面效果或負面效果主要取決于電力系統(tǒng)的運行工況以及分布式光伏電源本身的特點等[6-8]。目前，研究分布式電源（DG）對配電網(wǎng)網(wǎng)損方面的文獻較少，文獻[9-10]改變分布式電源的接入位置和接入容量研究了DG對配電網(wǎng)網(wǎng)損的研究；文獻[11-12]除考慮了分布式電源的接入位置、接入容量外，還考慮了DG的運行方式對網(wǎng)損的影響；文獻[13]對比分析了不同負荷模型對含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響。至于針對分布式光伏電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響的文獻幾乎沒有，因此，本文將分布式光伏電源集中接入21節(jié)點的放射狀鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)[14]的末端，研究了在不同的配電網(wǎng)的R/X、負荷水平、負荷功率因數(shù)下，分布式光伏電源的有功出力和功率因數(shù)對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響，全面總結(jié)了接入分布式光伏電源后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化規(guī)律。

1 配電網(wǎng)和負荷的穩(wěn)態(tài)模型

在我國，配電網(wǎng)的拓撲結(jié)果較多，但城鄉(xiāng)配電網(wǎng)大多仍以放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)為主，故本文選擇一條10kV鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)作為研究對象。由于配電線路長度較短，電壓等級較低，所以將配電線路表示成電阻和電抗的等效電路，并且所有線路阻抗均折合到系統(tǒng)電壓等級。配電網(wǎng)中的負荷種類繁多，隨機性大，通常分為工業(yè)負荷、商業(yè)負荷和民用負荷。負荷的靜態(tài)模型可以表示成依賴電壓和頻率的冪函數(shù)的形式，但當(dāng)容量較小的分布式光伏電源接入配電網(wǎng)時，配電網(wǎng)的頻率基本上不受影響，故假設(shè)頻率為常數(shù)。則可將配電網(wǎng)中節(jié)點i的總負荷表示為

式中，Pik0和Qik0分別為節(jié)點i母線額定電壓下的有功和無功；α和β為常數(shù)，取決于負荷的類型，當(dāng)α=β=1時表示恒功率負荷；當(dāng)α=β=2時表示恒電流負荷；當(dāng)時表示恒阻抗負荷。為便于研究，本文采用恒功率靜態(tài)負荷模型來表示饋線上各個節(jié)點的負荷。

2 含分布式光伏電源的配電網(wǎng)網(wǎng)損計算

考慮到配電網(wǎng)中無功的傳輸量與有功傳的輸量相比很小，因而線路損耗主要由有功潮流決定。在分布式光伏電源接入配電網(wǎng)前，配電網(wǎng)的潮流是從變電站流向用戶的，或從送端流向受端。分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，配電線路的電壓分布和潮流分布都將發(fā)生變化，以第段線路為例，負荷模型采用恒功率模型，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)第k線路節(jié)點i接入分布式光伏電源Fig.1 The DPVG are connected into the i-th bus of the k-th line of distribution system

節(jié)點i未接入分布式光伏電源之前第k段線路的損耗為

節(jié)點i接入分布式光伏電源之后的凈注入功率為

式（4）中，Si為接入分布式光伏電源后節(jié)點i的注入功率；Ppv和Qpv分別為分布式光伏電源的有功和無功；Pik和Qik分別為節(jié)點Qik的負荷的有功和無功；Ui為節(jié)點i的電壓。

則分布式光伏電源接入前后配電網(wǎng)網(wǎng)損分別為Ploss和P′loss，計算式如下

為量化同一節(jié)點在分布式光伏電源接入前后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化程度，本文采用下式作為衡量配電網(wǎng)網(wǎng)損變化率的指標(biāo)。

節(jié)點ε的絕對值越大，說明配電網(wǎng)網(wǎng)損受分布式光伏電源的影響越大。當(dāng)ε＜0時，表明配電網(wǎng)網(wǎng)損減小；當(dāng)ε＞0時，表明配電網(wǎng)網(wǎng)損增加。

3 仿真分析

對于接入配電網(wǎng)的分布式電源（DG）來說，越接近系統(tǒng)母線則所能接入的容量越大，越接近線路末端所能接受的容量越小；同樣滲透率的分布式發(fā)電，分散接入比集中接入對電壓的支撐更大[14-15]。針對DG對配電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，本文將分布式光伏電源集中接入21節(jié)點的放射狀鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)[14]的末端，改變配電網(wǎng)的R/X、負荷水平、負荷功率因數(shù)，研究分布式光伏電源出力和功率因數(shù)對配電網(wǎng)總損耗的影響。配電網(wǎng)的基準(zhǔn)功率取10MVA，基準(zhǔn)電壓取10kV，系統(tǒng)母線取1.05pu。經(jīng)測試，當(dāng)此網(wǎng)絡(luò)未接入分布式光伏電源時其總負荷增大到2.37倍時出現(xiàn)節(jié)點電壓越界，故本文將配電網(wǎng)的最大輸送容量取為總負荷有功的2.37倍。負荷水平定義為當(dāng)前負荷與配電網(wǎng)最大輸送容量之比；分布式光伏電源的出力水平定義為分布式光伏電源有功出力與當(dāng)配電網(wǎng)前總負荷有功之比。

3.1 分布式光伏電源對不同R/X的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

負荷水平為0.42，負荷功率因數(shù)0.95，分布式光伏電源的出力水平的步長為0.01,功率因數(shù)分別取0.95、1.00、-0.95，線路R/X為0.1：0.1：5。

從圖2到圖4可以看出，分布式光伏電源有功注入水平小于等于60%時，隨著配電網(wǎng)R/X的增加，網(wǎng)損的變化率負向增加，即分布式光伏電源接入使網(wǎng)損減小。配電網(wǎng)的R/X值越大，同樣的分布式光伏電源電源的有功注入使網(wǎng)損減小的越多；當(dāng)配電網(wǎng)的R/X一定時，以超前功率因數(shù)運行的分布式光伏電源有功注入水平為40%時網(wǎng)損減小的最多，其次為20%和60%；當(dāng)分布式光伏電源以滯后功率因數(shù)運行時，仍然是在有功注入水平為40%時使網(wǎng)損減小的最多，當(dāng)R/X小于一個臨界值時，20%的有功注入水平減小的網(wǎng)損大于60%的有功注入水平減小的網(wǎng)損；當(dāng)R/X大于這個臨界值時相反。分布式光伏電源的功率因數(shù)越高，這個臨界值越小。分布式光伏電源有功注入水平為80%時，分布式光伏電源以滯后功率因數(shù)運行，當(dāng)R/X小于一個臨界值時網(wǎng)損增加，大于臨界值時減小；分布式光伏電源以超前功率因數(shù)運行時網(wǎng)損變化率都大于零，即導(dǎo)致網(wǎng)損增加。

3.2 分布式光伏電源對不同負荷水平的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

負荷水平從0.042增長到0.97，即接近配電網(wǎng)的最大輸送容量，保持負荷功率因數(shù)始終為0.95。分布式光伏電源的出力水平的步長為0.01，功率因數(shù)分別取0.95、1.00、-0.95，線路R/X為0.3。

從圖5到圖7可以看出，隨著負荷水平的增加，較小的分布式光伏電源有功注入水平時，即20%，使網(wǎng)損的變化率略微增加，即說明網(wǎng)損增加，其余的有功注入水平時均使網(wǎng)損減小。分布式光伏電源有功注入水平為80%時，網(wǎng)損變化率大于零，這說明使網(wǎng)損有所增加，且在相同的有功注入情況下，分布式光伏電源以超前功率因數(shù)運行時的網(wǎng)損變化率大于以滯后功率因數(shù)運行時的網(wǎng)損變化率；在分布式光伏電源有功注入水平小于等于60%時，分布式光伏電源以滯后功率因數(shù)運行時的網(wǎng)損變化率大于以超前功率因數(shù)運行時的網(wǎng)損變化率。另外，網(wǎng)損最小時為40%的分布式光伏電源有功注入水平。

圖2 功率因數(shù)為0.95的分布式光伏電源對不同R/X配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.2 Impact on the loss of the distribution net-work with different R/X caused by the DPVGs with power factor 0.95

圖3 功率因數(shù)為1的分布式光伏電源對不同R/X配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.3 Impact on the loss of the distribution network with different R/X caused by the DPVGs with power factor 1

圖4 功率因數(shù)為-0.95的分布式光伏電源對不同R/X配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.4 Impact on the loss of the distribution network with different R/X caused by the DPVGs with power factor-0.95

3.3 分布式光伏電源對不同負荷功率因數(shù)的配電網(wǎng)總損耗的影響

負荷水平為0.42，負荷功率因數(shù)分別為0.98、0.95：0.05：0.5，分布式光伏電源的出力水平的步長為0.01，功率因數(shù)分別取0.95、1.00、-0.95，線路R/X為0.3。

圖5 功率因數(shù)為0.95的分布式光伏電源對不同負荷水平的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.5 Impact on the loss of the distribution network with different load level caused by the DPVGs with power factor 0.95

圖6 功率因數(shù)為1的分布式光伏電源對不同負荷水平的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.6 Impact on the loss of the distribution network with different load level caused by the DPVGs with power factor 1

圖7 功率因數(shù)為-0.95的分布式光伏電源對不同負荷水平的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.7 Impact on the loss of the distribution network with different load level caused by the DPVGs with power factor-0.95

從圖8中可以看出，當(dāng)分布式光伏電源以較低的滯后功率因數(shù)運行且有功注入水平較小時，即20%，隨著負荷功率因數(shù)的提高，網(wǎng)絡(luò)損耗的變化率負向增加，說明網(wǎng)損逐漸減小；當(dāng)分布式光伏電源有功注入水平較大時，即40%和60%，隨著負荷功率因數(shù)的提高，網(wǎng)損變化率先是負向增加，然后正向增加，說明負荷功率因數(shù)較高時不利于網(wǎng)損的降低；當(dāng)分布式光伏電源的水平很大時，即80%，隨著負荷功率因數(shù)的提高，網(wǎng)絡(luò)損耗的變化率一直正向增加，由負變正，說明由減小網(wǎng)損變?yōu)樵黾泳W(wǎng)損，且當(dāng)功率因數(shù)高時網(wǎng)損增加的較大。

圖8 功率因數(shù)為0.95的分布式光伏電源對不同負荷功率因數(shù)的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.8 Impact on the loss of the distribution network with different load power factor caused by the DPVGs with power factor 0.95

當(dāng)分布式光伏電源的功率因數(shù)提高為1后，其有功注入水平小于等于60%時網(wǎng)損變化率均為負向增加，說明較高的負荷功率因數(shù)時有利于網(wǎng)絡(luò)損耗的減小；當(dāng)分布式光伏電源的有功注入水平很大時，為80%，隨著負荷功率因數(shù)的提高網(wǎng)損變化率正向增加，由負變正，說明分布式光伏電源接入后使網(wǎng)損耗先減小后增加。

從圖9和圖10中可以看出，當(dāng)分布式光伏電源以較低的超前功率因數(shù)運行且有功注入水平較小時，即20%，隨著負荷功率因數(shù)的提高，網(wǎng)損變化率負向增加，說明網(wǎng)損逐漸減小；當(dāng)分布式光伏電源有功注入水平較大時，即40%和60%，隨著負荷功率因數(shù)的提高，網(wǎng)損變化率負向增加直至小于零，這說明接入分布式光伏電源后網(wǎng)損先增加后減小；當(dāng)分布式光伏電源水平很大時，即80%，隨著負荷功率因數(shù)的提高，網(wǎng)損變化率先增加后降低，但仍大于零，說明分布式光伏電源接入后導(dǎo)致了網(wǎng)損的增加。

圖9 功率因數(shù)為1的分布式光伏電源對不同負荷功率因數(shù)的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.9 Impact on the loss of the distribution network with different load power factor caused by the DPVGs with power factor 1

圖10 功率因數(shù)為-0.95的分布式光伏電源對不同負荷功率因數(shù)的配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響Fig.10 Impact on the loss of the distribution network with different load power factor caused by the DPVGs with power factor-0.95

3.4 分布式光伏電源出力變化對配電網(wǎng)有功損耗的影響

負荷水平為0.42，負荷功率因數(shù)分別為0.95，分布式光伏電源的出力水平的步長為0.01，功率因數(shù)分別取0.95、0.98、1.00、-0.98、-0.95，線路R/X為0.3。

從圖11中很容易看出，當(dāng)光伏電源出力水平在0到100%之間變化時，無論光伏電源的功率因數(shù)是超前還是滯后，配電網(wǎng)網(wǎng)損變化呈向上開口的拋物線型；當(dāng)光伏電源出力水平小于62%時，由于光伏電源的接入而降低了配電網(wǎng)的網(wǎng)損，并且光伏電源的功率因數(shù)在0.95到-0.95之間變化時，總存在一個使配電網(wǎng)網(wǎng)損最小的光伏電源出力水平。當(dāng)光伏電源出力水平大于某個限值時非但不能使網(wǎng)損降低，而且將增加網(wǎng)損，這使使得光伏電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損產(chǎn)生負面影響。這個限值與光伏電源的功率因數(shù)有關(guān)，限值從小到達對應(yīng)的功率因數(shù)依次為-0.95、-0.98、0.95、1.00、0.98。可見，當(dāng)光伏電源使配電網(wǎng)網(wǎng)損增加時，可以在保證光伏電源出力水平不變的條件下調(diào)節(jié)其功率因數(shù)使網(wǎng)損由增加變?yōu)闇p少。很明顯，這種調(diào)節(jié)是有限的，當(dāng)無法通過調(diào)節(jié)光伏電源的功率因數(shù)時只能限制光伏電源的出力水平了。

圖11 分布式光伏電源出力變化對配電網(wǎng)有功損耗的影響Fig.11 Impact on the active power loss of the distribution network caused by the power output variation of the DPVGs

4 結(jié)論

本文首先給出了含分布式光伏電源的配電網(wǎng)網(wǎng)損的的計算公式，然后提出了網(wǎng)損變化率指標(biāo)用來衡量分布式光伏電源對配電網(wǎng)網(wǎng)損影響的程度。并通過改變配電網(wǎng)參數(shù)，即R/X、負荷水平、負荷功率因數(shù)，和分布式光伏電源參數(shù)，即分布式光伏電源出力和功率因數(shù)進行仿真，得出了以下結(jié)論：

1）分布式光伏電源接入配電網(wǎng)后，網(wǎng)損變化與分布式光伏電源的出力水平、功率因數(shù)和配電網(wǎng)的R/X有關(guān)，在不同的分布式光伏電源有功注入水平下，隨著配電網(wǎng)的R/X的增加，網(wǎng)損降低。

2）隨著配電網(wǎng)負荷水平的增加，較小的分布式光伏電源有功注入水平導(dǎo)致網(wǎng)損略微增加；當(dāng)分布式光伏電源的有功注入水平很大時，導(dǎo)致網(wǎng)損增加很大。但隨著負荷水平的增加，變化率減小。以超前功率因數(shù)運行的分布式光伏電源出力水平較大時，網(wǎng)損變化率對配電網(wǎng)負荷水平的變化更敏感。

3）配電網(wǎng)的負荷功率因數(shù)不同時，分布式光伏電源接入后對網(wǎng)損是降低還是增加取決于分布式光伏電源的功率因數(shù)和有功注入水平。

4）當(dāng)分布式光伏電源出力水平和功率因數(shù)發(fā)生變化時，配電網(wǎng)的網(wǎng)損也將發(fā)生變化。隨著光伏電源出力水平的增加，配電網(wǎng)的網(wǎng)損變化率呈開口向上的拋物線型。

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Impacts of Distributed Photovoltaic Power Sources on Distribution Network Loss

KOU Feng-hai
（Hebei Electric Power Design&Research Institute,Shijiazhuang 050031,Hebei Province,China）

When a large number of distributed photovoltaic power sources (DPVs)of random and intermittent volatility caused by weather conditions are connected into the distribution network,the distribution network loss will be inevitably affected.In this paper,DPVs are connected to the end terminal of the distribution network in a centralized manner,then simulation of the impacts of the active power output and power factor of the DPVs under the R/X,load level,load power factor of different distribution networks,and the loss rate index is used to quantify the impact of the loss on the distribution network,and the variation law of the loss of the distribution network integrated with DPVs is comprehensively summarized.

distributed photovoltaic power sources;distribution network;network loss;rate index

當(dāng)配電網(wǎng)中接入大量的受天氣條件影響而出力具有隨機性、波動性和間歇性的分布式光伏電源時，必然會對配電網(wǎng)網(wǎng)損產(chǎn)生影響。將分布式光伏電源集中接入配電網(wǎng)的末端，通過仿真研究了在不同的配電網(wǎng)的R/X、負荷水平、負荷功率因數(shù)下，分布式光伏電源的有功出力和功率因數(shù)對配電網(wǎng)網(wǎng)損產(chǎn)生的影響，并提出了利用網(wǎng)損變化率指標(biāo)來量化對配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響程度，全面總結(jié)了含分布式光伏電源的配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化規(guī)律。

分布式光伏電源；配電網(wǎng)；網(wǎng)損；變化率指標(biāo)

1674-3814（2011）11-0062-07

TM615

A

2010-10-21。

寇鳳海（1983—），男，碩士，主要從事風(fēng)力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電工程電氣一次設(shè)計工作。

（編輯 徐花榮）