高占比分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損影響機(jī)理模型研究

摘 要：分布式光伏并網(wǎng)會(huì)改變電網(wǎng)潮流方向和大小，從而影響配電網(wǎng)網(wǎng)損，為減少分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損帶來的不利影響，以光伏出力季節(jié)—天氣耦合曲線為基礎(chǔ)，提出計(jì)及光伏接入位置及容量的網(wǎng)損計(jì)算模型，該模型分析了網(wǎng)損率與光伏容量以及接入點(diǎn)位置之間的關(guān)系函數(shù)，確定了網(wǎng)損最優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：分布式光伏；配電網(wǎng)；并網(wǎng)；網(wǎng)損

中圖分類號(hào)：TM714.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）06-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.001

0" " 引言

隨著全球能源轉(zhuǎn)型加速，我國(guó)新型電力系統(tǒng)建設(shè)加快推進(jìn)，更具清潔性、靈活性的分布式光伏在電網(wǎng)中的滲透率越來越高，大規(guī)模分布式光伏的并網(wǎng)，一方面使得能源利用更具可持續(xù)性及環(huán)境友好性，可以實(shí)現(xiàn)就地能量平衡，電力資源配置更加靈活[1]；另一方面，配電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)在分布式光伏高滲透之后，發(fā)生了巨大改變。與傳統(tǒng)火電相比，光伏出力的不確定性，會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的潮流及其大小產(chǎn)生影響，勢(shì)必會(huì)影響到供電質(zhì)量，影響電網(wǎng)的運(yùn)行效率[2]。

近年來，隨著分布式光伏在配電網(wǎng)中的占比越來越高，關(guān)于其并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)損影響的研究也越來越多。文獻(xiàn)[3]驗(yàn)證了光伏并網(wǎng)對(duì)網(wǎng)損的影響，明確了分布式光伏發(fā)電功率、光伏接入點(diǎn)位置、光伏數(shù)量、變壓器型號(hào)以及三相負(fù)荷是否平衡對(duì)降低配電網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)損耗具有重要意義。文獻(xiàn)[4]研究了變壓器運(yùn)行臺(tái)數(shù)、變壓器電阻、DG接入位置及DG運(yùn)行方式對(duì)網(wǎng)損的影響。但大多研究均基于傳統(tǒng)網(wǎng)損計(jì)算方法測(cè)算，未考慮分布式光伏影響下的網(wǎng)損測(cè)算模型，因此本文在其他學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，考慮高占比分布式光伏的影響，提出網(wǎng)損計(jì)算優(yōu)化模型。

1" " 分布式光伏出力特性模型

1.1" " 光伏出力模型

光伏發(fā)電通常包括多塊光伏電池板，并利用光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，其輸出的有功功率與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系如下：

式中：Ppv為光伏輸出有功功率；r為光照強(qiáng)度；A為光伏陣列總面積；ηpv為光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率。

由式（1）可知，光伏發(fā)電輸出的有功功率與光照強(qiáng)度密切相關(guān)，而光照強(qiáng)度具有一定的不確定性，其概率密度函數(shù)為：

式中：Г為Gamma函數(shù)；rmax為光照強(qiáng)度的最大值；α和β為Beta分布的形狀參數(shù)；μpv為Beta分布的均值，σpv為Beta分布的標(biāo)準(zhǔn)差，由光照強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到。

結(jié)合分布式光伏發(fā)電的功率輸出公式（1）和光照強(qiáng)度的概率分布公式（2）可得到分布式光伏發(fā)電功率的概率密度函數(shù)公式：

式中：Pmax為光伏陣列的最大輸出功率。

1.2" " 光伏出力特性分析

光照條件是光伏發(fā)電的基礎(chǔ)，影響太陽(yáng)光照的最主要的自然因素就是季節(jié)和天氣。依據(jù)光伏出力概率模型，將四季極端天氣設(shè)定為光伏出力典型場(chǎng)景。

1）典型場(chǎng)景1：四季典型晴天日。

四季典型晴天日光伏發(fā)電曲線如圖1所示。由于冬季白天時(shí)間短，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度弱，因此光伏在冬季晴天的出力時(shí)間較短，同時(shí)最大出力值較低；夏季晴天雖然光伏出力時(shí)間長(zhǎng)，但光伏發(fā)電的適宜溫度一般在20～30 ℃，夏季高溫天氣會(huì)降低光伏發(fā)電效率，因此光伏在春季最大發(fā)電功率略高于夏季。

2）典型場(chǎng)景2：夏季不同天氣日。

針對(duì)夏季不同的天氣，光伏發(fā)電曲線如圖2所示。與場(chǎng)景1光伏出力曲線圖相對(duì)比，季節(jié)變化對(duì)光伏發(fā)電影響的波動(dòng)較小，而天氣變化下光伏發(fā)電曲線波動(dòng)較大。因此，分析光伏對(duì)電網(wǎng)的影響，一般均考慮較極端天氣下的光伏出力曲線，即晴天和連續(xù)陰雨天。晴天光伏發(fā)電曲線在白天近似于余弦曲線，因此晴天典型日曲線作平滑處理，形成理想的晴天典型日發(fā)電曲線；連續(xù)陰雨天光伏發(fā)電波動(dòng)性強(qiáng)，但依然遵循光照影響規(guī)律，總體上呈現(xiàn)白天出力高、早晨傍晚出力低、夜晚不出力的特點(diǎn)，因此對(duì)陰雨天典型日曲線也按余弦曲線作平滑處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理后形成廣泛適用的陰雨天典型日發(fā)電曲線。

3）四季與天氣耦合。

將光伏出力四季和晴雨天氣曲線進(jìn)行耦合，得出四季晴雨天氣的光伏出力系數(shù)曲線圖，如圖3所示。四季典型日光伏最大出力系數(shù)如表1所示。

2" " 分布式光伏對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)損的影響機(jī)理模型

2.1" " 分布式光伏接入電流對(duì)網(wǎng)損的影響機(jī)理

本文將電量損耗表示為網(wǎng)損，以功率損耗為研究對(duì)象，以時(shí)間序列的功率損耗積分求取電量損耗。其中，功率損耗由兩部分組成：一是變壓器損耗，二是線路損耗。變壓器損耗主要是鐵損和銅損兩種，鐵損由變壓器容量與空載損耗系數(shù)決定，銅損與變壓器電流有關(guān)，將變壓器參數(shù)統(tǒng)一歸算至10 kV側(cè)進(jìn)行計(jì)算；線路損耗與線路上的負(fù)荷分布有關(guān)，需累加每段線路的功率損耗得出該線路的總損耗。變壓器損耗ΔPT和線路損耗ΔPL的計(jì)算公式如下：

式中：α為變壓器空載損耗系數(shù)；ST為變壓器額定容量；IT為變壓器10 kV側(cè)電流；RT為歸算至10 kV側(cè)的變壓器總電阻。

式中：IL（l）表示線路的電流隨主干線長(zhǎng)度變化的分布函數(shù)；rL為線路的單位長(zhǎng)度電阻；L為線路的主干線總長(zhǎng)度；l為從變電站出口至測(cè)量點(diǎn)的長(zhǎng)度。

分布式光伏對(duì)線損的影響主要體現(xiàn)在分布式光伏對(duì)變壓器電流IT及線路電流IL的影響上。分布式光伏發(fā)電將降低低壓負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)供電的需求，從而降低變壓器電流IT，IT在線路上匯總，會(huì)導(dǎo)致線路電流IL也同步降低。若發(fā)生功率倒送現(xiàn)象，IT和IL方向?qū)l(fā)生變化，隨著分布式光伏接入容量增大，反向電流將不斷提高，從而導(dǎo)致線路損耗提高。分布式光伏并網(wǎng)后，變壓器電流IT計(jì)算公式如下：

式中：Iload和Isolar分別表示負(fù)荷電流和光伏電流；Pload和Psolar分別表示負(fù)荷功率和光伏出力；Uload和Usolar分別表示負(fù)荷和光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓；UTL和UTH表示變壓器低壓側(cè)電壓和高壓側(cè)電壓；η為光伏換流器交直流轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)損耗模型可知，分布式光伏的接入位置和接入容量對(duì)網(wǎng)損的影響較大。

2.3" " 網(wǎng)損影響綜合機(jī)理計(jì)算流程及分析

依據(jù)上文式（9）與（10），ΔP%（t）為總功率損耗率與時(shí)間的函數(shù)，P（t）為總功率與時(shí)間的函數(shù)，即計(jì)算線損率ΔW%只需要明確總功率損耗率ΔP%（t）即可。由此可見，進(jìn)行網(wǎng)損計(jì)算需要的數(shù)據(jù)包括中低壓負(fù)荷、分布式光伏出力、用戶及光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓、換流器工作效率、變壓器型號(hào)參數(shù)及線路型號(hào)參數(shù)、各配變間的線路長(zhǎng)度。其中，中低壓負(fù)荷和分布式光伏出力以時(shí)序函數(shù)形式體現(xiàn)[5]，即典型日曲線，中低壓負(fù)荷曲線可由調(diào)度系統(tǒng)導(dǎo)出，分布式光伏出力曲線可根據(jù)上文圖3分布式光伏標(biāo)準(zhǔn)化出力曲線與分布式光伏接入容量相乘得出，分布式光伏接入容量可由營(yíng)銷系統(tǒng)導(dǎo)出；用戶及光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓均可由營(yíng)銷系統(tǒng)導(dǎo)出；換流器工作效率可取0.9；變壓器型號(hào)參數(shù)及線路型號(hào)參數(shù)可由運(yùn)維系統(tǒng)導(dǎo)出；各配變間的線路長(zhǎng)度結(jié)合地理接線圖和運(yùn)維系統(tǒng)參數(shù)得出。流程圖如圖4所示。

3" " 分布式光伏接入對(duì)網(wǎng)損影響量化分析

根據(jù)上述網(wǎng)絡(luò)損耗模型，量化分析分布式光伏接入位置與接入容量動(dòng)態(tài)變化過程中的網(wǎng)損變化趨勢(shì)。

3.1" " 分布式光伏接入位置移動(dòng)態(tài)下網(wǎng)損變化趨勢(shì)分析

不考慮無功損耗，在饋線上總的有功負(fù)荷P=1（標(biāo)幺值）的情況下，如圖5所示，當(dāng)分布式光伏的接入點(diǎn)從母線到饋線末端移動(dòng)的過程中，即k從0到1變化，配電網(wǎng)的網(wǎng)損率變化曲線是有一個(gè)最低點(diǎn)的，呈拋物線狀。因此，如果選擇合適的分布式光伏接入點(diǎn)，理論上是可以達(dá)到網(wǎng)損率最低的，當(dāng)然也可以調(diào)節(jié)接入點(diǎn)位置，來達(dá)到降損的目的。

3.2" " 分布式光伏接入容量動(dòng)態(tài)變化下網(wǎng)損變化趨勢(shì)分析

取分布式光伏的接入位置為饋線中部（k=0.5），則按以上網(wǎng)損變化模型，由圖6可知，光伏接入容量在0.6～0.8比較合適，此時(shí)配電網(wǎng)的網(wǎng)損降低最為明顯。隨著分布式光伏的接入容量不斷增加，增大到一定程度時(shí)，配電網(wǎng)網(wǎng)損變化率逐漸增大且大于零，說明此時(shí)光伏的接入反而對(duì)網(wǎng)損的降低起到了負(fù)面作用，可以看出，依據(jù)當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷水平，選擇適當(dāng)?shù)墓夥尤肴萘繉?duì)降低配電網(wǎng)網(wǎng)損十分重要。

綜上所述，隨著線路負(fù)荷逐步增大，較小的光伏接入容量將使網(wǎng)損變化率略微增加，但始終小于零，說明此時(shí)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗因分布式光伏接入而降低。當(dāng)分布式光伏的接入容量比較大時(shí)（Psolar＞1），配電網(wǎng)的網(wǎng)損變化率減小，且數(shù)值由大于零降低到小于零，說明隨著負(fù)荷的增加，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗由增加向降低的方向轉(zhuǎn)變。

由此可以看出，分布式光伏并網(wǎng)對(duì)網(wǎng)損的影響除了考慮光伏側(cè)的相關(guān)因素，還需要考慮線路的負(fù)荷水平，二者達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡，才能真正實(shí)現(xiàn)降低網(wǎng)損的目標(biāo)。若線路負(fù)荷較低，則不適宜接入大容量的分布式光伏。

4" " 結(jié)論

1）分布式光伏電源接入配電網(wǎng)之后，在某個(gè)容量閾值之下，能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)起到降低網(wǎng)損的積極影響。但是超過閾值，網(wǎng)損率反而會(huì)增加。當(dāng)光伏發(fā)電電源容量比電網(wǎng)承載負(fù)荷小時(shí)，線損率降低；當(dāng)光伏發(fā)電電源容量比電網(wǎng)承載負(fù)荷大時(shí)，會(huì)使線損率大幅度增加。

2）隨著分布式光伏接入位置從配電網(wǎng)母線處到饋線的末端變化，配電網(wǎng)網(wǎng)損變化率呈現(xiàn)一個(gè)拋物線的變化趨勢(shì)，因此，理論上可以找到一個(gè)接入點(diǎn)的位置，達(dá)到網(wǎng)損最優(yōu)值，也可通過調(diào)節(jié)接入點(diǎn)的位置，達(dá)到降低網(wǎng)損的目的。

3）光伏接入容量是相對(duì)于當(dāng)?shù)刎?fù)荷水平來說的，光伏接入容量相對(duì)線路負(fù)荷較小時(shí)，配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗因分布式光伏的接入而降低，隨著分布式光伏的接入容量不斷增加，增大到一定程度時(shí)，光伏的接入反而對(duì)網(wǎng)損的降低起到了負(fù)面作用。因此，依據(jù)當(dāng)?shù)氐呢?fù)荷水平、線路的負(fù)荷水平選擇合適的光伏接入容量，是降低配電網(wǎng)網(wǎng)損的關(guān)鍵，需要二者實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 吳健.分布式光伏并網(wǎng)對(duì)10 kV城市配電網(wǎng)線損的影響分析[J].電工技術(shù)，2022（12）：33-35.

[2] 吳俊鵬，田亞瓊，韓興啟，等.考慮配電網(wǎng)網(wǎng)損最小化的分布式光伏優(yōu)化配置研究[J].寧夏電力，2023（1）：6-12.

[3] 侯永全，張勇，袁朋生.低壓分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響研究[J].能源與節(jié)能，2023（5）：47-50.

[4] 劉琳，陶順，肖湘寧，等.分布式發(fā)電及其對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響分析[J].電工電能新技術(shù)，2012，31（3）：16-19.

[5] 李琰，呂南君，劉雪濤，等.考慮新能源消納和網(wǎng)損的分布式光伏集群出力評(píng)估方法[J].電力建設(shè)，2022，43（10）：136-146.

收稿日期：2023-11-16

作者簡(jiǎn)介：朱明嫄（1992—），女，江蘇邳州人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、電力工程及其自動(dòng)化。