分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響分析

2014-03-22 07:17何后裕何華琴李小雙

現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年6期

何后?！『稳A琴　李小雙

摘要：為了明確分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，并給出合理的分布式光伏并網(wǎng)規(guī)劃方案，首先總結(jié)了配電網(wǎng)網(wǎng)損的計(jì)算方法，并通過(guò)真實(shí)配電網(wǎng)作為算例，利用DIgSILENT仿真軟件建立了包含光照和溫度變化模型的光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。利用基于分布式光伏發(fā)電特性的仿真步長(zhǎng)多樣化連續(xù)潮流計(jì)算算法，仿真分析分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在不同接入位置和不同接入容量?jī)煞N情況下系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗變化趨勢(shì)，最終得到了分布式光伏接入后配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的變化規(guī)律。該仿真分析結(jié)果可為配電網(wǎng)分布式光伏項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分布式光伏；配電網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)損耗；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0158?05

0 引言

隨著低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)分布式光伏發(fā)電迎來(lái)了快速發(fā)展階段。近年來(lái)，國(guó)家充分重視分布式光伏技術(shù)應(yīng)用，出臺(tái)的一系列法規(guī)、政策極大地推動(dòng)了分布式光伏發(fā)電的發(fā)展。由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣情況的影響比較大，其功率輸出具有隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)。因此，當(dāng)大規(guī)模分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后，會(huì)給配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)各種各樣的影響。分布式光伏的并網(wǎng)將很大程度地影響配電網(wǎng)潮流大小、方向，線路上的潮流分布情況決定了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗的大小 [1]。分布式光伏并網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來(lái)的影響主要取決于電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況以及分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)及運(yùn)行方案。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗影響方面的文獻(xiàn)較少，文獻(xiàn)[2?3]從改變分布式電源接入容量和接入位置的角度出發(fā)，討論并研究了分布式電源并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響；文獻(xiàn)[4?5]在文獻(xiàn)[2?3]的基礎(chǔ)上，研究了DG的不同運(yùn)行方式對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響。文獻(xiàn)[6]從DG在不同接入位置的情況下，對(duì)系統(tǒng)的線路保護(hù)和重合閘的影響，并給出了相關(guān)研究結(jié)論。文獻(xiàn)[7]研究認(rèn)為若DG在負(fù)荷中心處并網(wǎng)，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)電壓分布有很大的影響，影響的大小取決于分布式電源的并網(wǎng)容量和并網(wǎng)位置。文獻(xiàn)[8]研究了配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗產(chǎn)生的物理分布機(jī)理。

國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究中，專(zhuān)門(mén)針對(duì)分布式光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響的研究比較少，因此，本文將根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，利用DIgSILENT仿真軟件對(duì)含分布式光伏并網(wǎng)的典型配電系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，利用實(shí)際光伏項(xiàng)目的仿真結(jié)果，全面總結(jié)了接入分布式光伏后配電網(wǎng)網(wǎng)損的變化規(guī)律。

1 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)介紹

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)光伏逆變器等電力電子裝置將直流電變換為交流電后接入電網(wǎng)。為了提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和安全性，光伏發(fā)電系統(tǒng)還需要最大功率跟蹤環(huán)節(jié)和并網(wǎng)控制環(huán)節(jié)，以保證光伏陣列始終以較高的效率進(jìn)行電能變換。光伏電池陣列、電力電子并網(wǎng)裝置、最大功率控制等幾部分構(gòu)成了一個(gè)完整的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 含分布式光伏接入的配電網(wǎng)網(wǎng)損計(jì)算

根據(jù)配電網(wǎng)線路上潮流流動(dòng)的情況，與有功傳輸量相比，無(wú)功的傳輸量很小，因而網(wǎng)絡(luò)損耗主要由有功功率的潮流決定。在分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)前，配電網(wǎng)的潮流從電源到用戶(hù)單向流動(dòng)，但分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后，配電線路的潮流分布和電壓分布都將發(fā)生變化，以1段輸電線路為例，負(fù)荷模型采用恒功率模型[9]，如圖2所示。

分布式光伏系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)[i]處并網(wǎng)之前，第[k]段線路的網(wǎng)絡(luò)損耗為：

分布式光伏在節(jié)點(diǎn)[i]處并網(wǎng)之后，分布式光伏的凈注入功率為：

則第[k]段線路的網(wǎng)絡(luò)損耗為：

式（3）中，[Sik]為接入分布式光伏電源后節(jié)點(diǎn)[i]的注入功率；[Ppv]和[Qpv]分別為分布式光伏電源的有功和無(wú)功；[Pik]和[Qik]分別為節(jié)點(diǎn)[i]的負(fù)荷的有功和無(wú)功；[Ui]為節(jié)點(diǎn)[i]的電壓。

則分布式光伏系統(tǒng)接入前后配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗分別為[Ploss]和[Ploss′]，計(jì)算式如下：

3 分布式光伏接入對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)屬單端電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)，潮流從電源到用戶(hù)單向流動(dòng)。分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)，會(huì)將傳統(tǒng)的輻射狀配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，潮流的大小和方向都將發(fā)生一定改變，潮流不一定單向地從變電站母線流向各負(fù)荷，有可能會(huì)出現(xiàn)回流和復(fù)雜的電壓變化[7]，進(jìn)而帶來(lái)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗方面的變化。具體來(lái)說(shuō)，分布式光伏接入配電網(wǎng)，使得負(fù)荷分布和潮流變化呈現(xiàn)以下三種情況：

（1）當(dāng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率小于所有節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷需求時(shí)，分布式光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)將不會(huì)改變配電網(wǎng)的潮流方向。

（2）至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷需求小于該節(jié)點(diǎn)處分布式光伏系統(tǒng)的輸出功率，但系統(tǒng)的負(fù)荷總量大于該系統(tǒng)中分布式光伏發(fā)電的總輸出功率。此時(shí)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)有可能會(huì)使線路產(chǎn)生逆向潮流，從而增加某些線路的網(wǎng)絡(luò)損耗，但整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗可能會(huì)減小。

（3）至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)處的負(fù)荷需求小于該節(jié)點(diǎn)處分布式光伏系統(tǒng)的輸出功率，但系統(tǒng)的負(fù)荷總量小于該系統(tǒng)中分布式光伏發(fā)電的總輸出功率。這種情況下，該系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)變壓器向上一級(jí)電網(wǎng)輸送電能，目前這種情況是不允許的。因此，在現(xiàn)有相關(guān)規(guī)定對(duì)分布式光伏并網(wǎng)的審核和管理下，不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

一般來(lái)說(shuō)，線路上的功率流動(dòng)越多，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗就會(huì)越大。當(dāng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，分布式光伏的并網(wǎng)容量與系統(tǒng)負(fù)荷需求的相對(duì)大小、并網(wǎng)位置、運(yùn)行模式、功率因數(shù)等因素都會(huì)改變系統(tǒng)線路上原有的潮流流動(dòng)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗產(chǎn)生不同程度的影響。若從接入容量的角度考慮，當(dāng)小容量的分布式光伏接入系統(tǒng)后，其輸出的電能將使所在線路上網(wǎng)損減少。而若分布式光伏的容量足夠大，以至于在滿(mǎn)足負(fù)荷的基礎(chǔ)上還能向電網(wǎng)倒送功率時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗將有可能增加?？傮w來(lái)說(shuō)，分布式光伏大多具有分布廣、并網(wǎng)電壓等級(jí)低、裝機(jī)容量小等特點(diǎn)，其發(fā)電大多可以實(shí)現(xiàn)就地消納。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)荷需求，通過(guò)優(yōu)化分布式光伏并網(wǎng)位置，合理設(shè)計(jì)并網(wǎng)容量，可減少配電網(wǎng)線路上的功率輸送，降低網(wǎng)絡(luò)損耗。

4 工程應(yīng)用及效果分析

本文工程案例以泉州市南安陽(yáng)光大地光伏項(xiàng)目作為分析對(duì)象。泉州市南安陽(yáng)光大地光伏項(xiàng)目總裝機(jī)容量為20 MW，共包含四個(gè)光伏子項(xiàng)目，綜合考慮四個(gè)子項(xiàng)目并網(wǎng)的具體方案，選取并網(wǎng)方式較為典型的輝煌廠區(qū)光伏電站項(xiàng)目作為分析對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行建模仿真分析。分布式光伏的不同接入位置及不同接入容量，均對(duì)系統(tǒng)潮流流動(dòng)有所影響，不同程度的改變了網(wǎng)損的變化。本節(jié)分析中，考慮輝煌廠區(qū)分布式光伏單點(diǎn)接入溪洲線典型供電模型不同位置和不同容量的情況，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行接入研究。

4.1 泉州陽(yáng)光大地分布式光伏接入項(xiàng)目仿真模型建立

當(dāng)以不同接入位置對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)，其接入容量取輝煌廠區(qū)光伏電站項(xiàng)目實(shí)際接入美林變溪洲線恒實(shí)支線bus3處的容量2.949 8 MW，分布式電源接入的具體位置以模型圖中節(jié)點(diǎn)編號(hào)表示。以下所有分析過(guò)程中均以模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)表示線路不同位置點(diǎn)。當(dāng)以不同接入容量的變化對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)，其接入位置按照實(shí)際規(guī)劃的接入位置bus3，接入容量按照110 kV美林變電站10 kV側(cè)2#變所帶線路總負(fù)荷1.525 16 MW的百分比變化，其中配電網(wǎng)參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3所示，典型供電仿真模型詳見(jiàn)圖3所示。

表1 變壓器參數(shù)

4.2 泉州陽(yáng)光大地分布式光伏接入項(xiàng)目對(duì)配網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損

分布式光伏接入溪洲線不同位置時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗如圖4所示。由圖4和表4可知，單點(diǎn)接入分布式光伏之后，當(dāng)接入bus1時(shí)網(wǎng)絡(luò)損耗為0.983 354 MW，分布式光伏接入bus5時(shí)網(wǎng)絡(luò)損耗最低，降至0.653 309 MW，降幅約為33.6%。分布式光伏單點(diǎn)接入典型線路模型不同位置對(duì)線路網(wǎng)絡(luò)損耗的影響趨勢(shì)整體是分布式光伏接入位置離線路末端越近，網(wǎng)絡(luò)損耗越小。但由于分布式光伏接入容量為2.949 8 MW，小于溪洲線所帶總負(fù)荷的大小，因此，根據(jù)分布式光伏接入位置的不同，網(wǎng)絡(luò)損耗的變化趨勢(shì)也不同，具體分析如下。

（1）分布式光伏容量小于接入點(diǎn)位置下游線路所帶總負(fù)荷

由表4可知，當(dāng)分布式光伏接入bus1～bus5的情況下，分布式光伏容量小于接入點(diǎn)下游線路所帶總負(fù)荷，因此在bus5之前，網(wǎng)絡(luò)損耗的變化整體為遞減趨勢(shì)。但由于bus3和bus5所帶負(fù)荷分別為4.13 MW、3.09 MW，均大于分布式光伏的容量，當(dāng)分布式光伏接入bus3和bus5時(shí)，光伏所發(fā)電量全部被該支線負(fù)荷消納，此時(shí)，減小了主干線路上的電能傳輸，因此，分布式光伏接入bus3和bus5時(shí)，網(wǎng)絡(luò)損耗均比較小。

由上述分析可知，當(dāng)分布式光伏容量小于接入點(diǎn)位置下游線路所帶總負(fù)荷時(shí)，隨著分布式光伏接入點(diǎn)離系統(tǒng)母線距離越遠(yuǎn)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗整體呈下降趨勢(shì)，且分布式光伏接入點(diǎn)所帶負(fù)荷越接近分布式光伏容量，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗越小。

（2）分布式光伏容量大于接入位置下游線路所帶總負(fù)荷

由表4可知，分布式光伏接入bus6～bus10時(shí)，接入點(diǎn)下游線路所帶總負(fù)荷小于分布式光伏的接入容量，且接入位置越靠后，所帶負(fù)荷越小，當(dāng)線路負(fù)荷小于分布式光伏的發(fā)電量時(shí)，線路上將會(huì)產(chǎn)生功率倒送，增大了線路上的功率流動(dòng)，從而增大了網(wǎng)絡(luò)損耗，由表4可知，當(dāng)分布式光伏依次接入bus6～bus10時(shí)，網(wǎng)絡(luò)損耗越來(lái)越大，但其網(wǎng)絡(luò)損耗仍低于分布式光伏接入bus1時(shí)的網(wǎng)絡(luò)損耗，因?yàn)榉植际焦夥尤胛恢迷娇拷┒?，整條線路的電能傳輸距離越近，網(wǎng)絡(luò)損耗也就越低。

由上述對(duì)分布式光伏不同接入位置對(duì)配網(wǎng)影響的分析可知，當(dāng)分布式光伏的接入容量小于接入點(diǎn)下游線路所帶總負(fù)荷時(shí)，隨著分布式光伏接入位置離母線越來(lái)越遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)損耗呈下降的趨勢(shì)，但若某接入點(diǎn)的負(fù)荷大小和光伏出力之差的絕對(duì)值越小，此時(shí)的網(wǎng)損也越小，且有可能出現(xiàn)局部極小值的情況。當(dāng)分布式光伏的接入容量大于線路所帶負(fù)荷時(shí)，隨著分布式光伏接入位置離母線越來(lái)越遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)損耗呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

（2）分布式光伏不同接入容量對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

根據(jù)陽(yáng)光大地輝煌廠區(qū)光伏電站項(xiàng)目的實(shí)際規(guī)劃建設(shè)情況，該項(xiàng)目以2.949 8 MW光伏發(fā)電接入美林變溪洲線恒實(shí)支線，即恒實(shí)陶瓷廠，在本節(jié)分布式光伏不同接入容量對(duì)配電網(wǎng)影響的分析中，分布式光伏全部按照實(shí)際情況，接入節(jié)點(diǎn)3恒實(shí)支線處，且接入容量按照溪洲線總負(fù)荷9.335 MW的百分比變化，仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)如圖5和表5所示。

由圖5和表5可知，當(dāng)無(wú)分布式光伏接入時(shí)，美林變電站2#變10 kV側(cè)所帶線路總的損耗為1.011 121 MW，分布式光伏的接入容量按照溪洲線總負(fù)荷的百分比遞增，隨著分布式光伏并網(wǎng)容量的增加，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗越來(lái)越小，當(dāng)分布式光伏接入容量等于溪洲線的總負(fù)荷時(shí)，光伏所發(fā)的電能完全由溪洲線自身消納，且不需從系統(tǒng)額外獲得電能。

此時(shí)，線路上流動(dòng)的功率最小，網(wǎng)絡(luò)損耗也最小。若分布式光伏接入容量繼續(xù)增大，光伏所發(fā)電量除了供給溪洲線外，還有剩余，這種情況下，10 kV母線上會(huì)出現(xiàn)逆向潮流，增大了線路上的功率流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)損耗也隨之增加。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電的出力特點(diǎn)，選取含分布式光伏并網(wǎng)的典型配電網(wǎng)系統(tǒng)，利用DIgSILENT軟件對(duì)其進(jìn)行建模仿真，根據(jù)仿真分析結(jié)果總結(jié)了分布式光伏接入配網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響，可以得出以下結(jié)論：

（1）分布式光伏不同接入位置對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

該種情況下，當(dāng)分布式光伏的接入容量小于線路負(fù)荷時(shí)，隨著分布式光伏接入位置離母線越來(lái)越遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)損耗呈下降的趨勢(shì)，但若某接入點(diǎn)的負(fù)荷大小和光伏出力之差的絕對(duì)值越小，此時(shí)的網(wǎng)損也越小，且有可能出現(xiàn)局部極小值的情況。當(dāng)分布式光伏的接入容量大于線路所帶負(fù)荷時(shí)，隨著分布式光伏接入位置離母線越來(lái)越遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)損耗呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

（2）分布式光伏不同接入容量對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)損耗的影響

分布式光伏的并網(wǎng)容量小于所接線路負(fù)荷功率需求時(shí)，隨著光伏并網(wǎng)容量的增加，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗逐漸減小。分布式光伏的并網(wǎng)容量等于所接線路負(fù)荷功率需求時(shí)，此時(shí)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)損耗最小。分布式光伏的并網(wǎng)容量大于所接線路負(fù)荷功率需求時(shí)，隨著光伏并網(wǎng)容量增加，電源上游饋線出現(xiàn)逆向潮流，線路功率流動(dòng)增加，網(wǎng)絡(luò)損耗隨光伏并網(wǎng)容量的增加而增大。

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