考慮網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可以有效減少網絡損耗。針對某地區實際配電網，運用加拿大電力系統仿真分析軟件CYME，通過改變光伏接入位置以及光伏接入容量對該配電網進行仿真分析，給出了網絡損耗在最小值時的最佳光伏安裝位置以及安裝容量，并將損耗直接以經濟損失的形式展現出來。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；降低網損可以為供電企業帶來巨大的經濟效益。該研究可為地區配電網規劃和運行提供建設性建議。

關鍵詞：分布式光伏電源；配電網；網絡損耗；CYME；經濟損失

隨著化石能源的日益枯竭以及環境污染的日益加重，可再生能源發電正在扮演著日益重要的角色。近年來，光伏發電發展迅速，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先并網的政策鼓勵下，光伏發電產業迅猛發展，并網安裝容量呈現出不斷增加的勢頭。將光伏發電系統引入到配電網系統，是今后光伏發電的一大趨勢，然而把大量的光伏發電系統引入配電網會對配電網的結構和運行產生很大影響。因此有必要對光伏接入配電系統展開研究。

由于受天氣因素影響，光伏發電系統的隨機性、間歇性與波動性[ 1 ]，對其控制起來有困難，屬于不可調度的發電機組[ 2 ]。光伏系統接入配電網會對配電網產生一系列影響，包括供電可靠性、電能質量、保護配置、電力平衡等方面[ 3，4 ]。

現有的研究主要集中在光伏接入配電網后對配電網產生的不利影響。文獻[5]研究了分布式光伏發電對配電網電壓的影響并提出了電壓越限的解決方案；文獻[6]詳細探討了配電網電壓、電網饋線阻抗比以及負荷對光伏電源接入點電壓的影響，并根據之前觀測到的數據，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光伏電源對傳統配電網的影響，研究了在傳統配電網最小負荷限制下光伏并網的容量滲透率極限；文獻[8]根據 ANSI C84.1-2006 穩態電壓標準以及 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態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的一個顯著優點出發，即適當容量的光伏在適當位置接入配電網可以有效減少網絡損耗[ 9 ]，著重考慮在電壓滿足要求的情況下使得整個配電網網絡損耗最小時的光伏配置。

1 研究網絡損耗的意義

電力系統中線損率是電力工業企業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的生產技術、規劃建設和運營管理水平。根據國家“資源開發與節約并重，把節約放在首位”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濟效益最大化，投入了大量的人力、物力和財力，對電網進行建設與改造。

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

鑒于電力網線損率對國家電網公司以及人民生活的重要影響，必須對降低配電網網損展開研究。分布式發電作為一種有效的解決能源需求的發電方式，具有降低網絡損耗的作用[ 11 ]。因此研究分布式電源接入對配電網網損的影響成為一大突破點。

2 網絡損耗的數學模型

負荷接入系統難免會產生網絡損耗。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電系統，可以一定程度上減少系統支路上的電流，從而可以減小該支路上的損耗。

當ΔLoss>0時，引入的光伏發電系統可以減少系統網損；反之，當ΔLoss<0時，引入的光伏發電系統反而會使系統網損增加。

3 CYME仿真軟件介紹

CYME是加拿大電力系統仿真分析軟件，其模塊眾多，包括：配電系統分析模塊（CYMDIST）、輸電/工業用電系統分析模塊（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）以及電磁暫態分析模塊（EMTP-RV）等。其中使用比較多的是配電系統分析模塊，該模塊功能強大，可以進行相電壓降、潮流分析、故障計算、保護設備協調驗證、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、環型、網格型的三相、單相和兩相等各種類型系統的分析。可以對不同操作條件和環境下的配電系統的運行狀態進行規劃研究和仿真。

本文主要選用CYMDIST（distribution system analysis）模塊對某地區的配電網絡拓撲結構進行規劃建模，并以潮流分析功能進行仿真分析。該模塊可對整個配電網進行全面的建模以及優化，提高配網規劃的效率、節省操作和投資支出、降低網損、延長設備資產壽命的同時，還為配電網故障提供了快速的解決方案，提高了規劃人員的協作性和規劃能力[ 13 ]。

4 算例分析

本節將從光伏發電系統的接入位置、接入容量2個影響因素出發，對光伏發電系統接入配電網后的網損變化進行仿真和分析，找出使得配電網網損達到最小值時的最佳光伏安裝位置以及最佳安裝容量，并將網損所造成的經濟損失直觀地展現出來，為實際電網規劃與運行提供指導建議。

本文考慮的27節點配電網簡化模型如圖1所示。

圖1相關參數如下：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，功率因數為0.9。

4.1 光伏系統接入位置對網損的影響

此仿真模型由于是實際電網，各節點并非均勻分布，無法用實際距離來定量描述光伏接入位置，只能定性的將節點的編號從電源端開始遞增，距離電源越遠節點編號越大。分布式電源接入配電網以前，潮流從變電站流向用戶側[ 14 ]；分布式電源接入后，配電網從傳統的無源網絡變成有源網絡，系統電壓和潮流分布都將發生變化[ 15 ]。從圖2可以看出，將光伏發電系統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 光伏系統接入容量對網損的影響

光伏的接入容量并不是越大越好[ 17 ]，當光伏發電系統的有功輸出小于負荷容量時，增加光伏發電系統的有功輸出可以減小有功損耗，但隨著光伏發電系統有功輸出的增加，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，系統網損先減小再增大。

當光伏接入容量較小時，隨著光伏發電系統有功出力增大，配電網線路傳輸的凈有功功率逐漸下降，系統網損也隨之降低；當光伏接入容量持續增大并且超過接入饋線的負載時，光伏系統開始向外部電網或者配電網中其他饋線的負荷提供有功功率，此時隨著光伏發電系統接入容量增大，系統中線路傳輸的凈有功功率逐漸增大，系統網損也隨之逐漸升高[ 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，當不接入光伏系統時，系統有功損耗為33.23kW；光伏系統接入容量為1300kW時，系統有功損耗最低，為23.07kW；當繼續增加光伏系統接入容量時，有功損耗繼續增加，光伏接入容量為2700kW時有功損耗與不接入光伏系統時接近；當超過2700kW時，有功損耗比不接入光伏系統時還高。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 光伏系統接入容量與經濟損失的關系

通過CYME仿真軟件可以精確地計算出系統的線路損耗、變壓器損耗等，通過默認的電價可以計算出各種類型的網損所造成的年度經濟損失。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濟效益。國家電網公司為實現建設“一強三優”現代公司的戰略目標，提出了強化細化電網節能降損管理，加強配電網損耗的準確計算和節能降損措施的執行，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，但是長久以來所產生的絕對值卻是值得重視的，給供電企業帶來的經濟效益是巨大的。

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損而導致的經濟損失的重要意義。

5 結論

傳統的配電網內是以不含光伏電源設計的，因此光伏發電系統的引入使得配電網從無源變為有源，改變配電網內的潮流，從而影響系統網損。

經過以上的仿真，分析了引入光伏發電系統以后對配電網有功損耗的變化情況，其中主要考慮了光伏發電系統的接入位置、接入容量這2個因素對網損變化的影響，以及網損變化所造成的經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，應盡可能將光伏發電系統配置在輸電線末端、靠近負荷；

2）適當引入光伏發電系統會減少輸電線的有功損耗，但當光伏發電系統總的接入容量與負荷容量的比值大于某一數值時（此算例為1.65倍），引入光伏發電系統會增加輸電線的有功損耗；

3）合理布置光伏系統的接入位置、接入容量能夠為電力供電企業帶來巨大的經濟效益。

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