考虑网络损耗的光伏接入位置与准入容量仿真研究

张芳 金宏民 吴杨梅

摘 要：分布式光伏电源合理接入配电网可以有效减少网络损耗。针对某地区实际配电网，运用加拿大电力系统仿真分析软件CYME，通过改变光伏接入位置以及光伏接入容量对该配电网进行仿真分析，给出了网络损耗在最小值时的最佳光伏安装位置以及安装容量，并将损耗直接以经济损失的形式展现出来。结果表明，光伏安装靠近输电线末端时，损耗较小；光伏安装容量需要适度，安装容量过大反而会使损耗增加；降低网损可以为供电企业带来巨大的经济效益。该研究可为地区配电网规划和运行提供建设性建议。

关键词：分布式光伏电源；配电网；网络损耗；CYME；经济损失

随着化石能源的日益枯竭以及环境污染的日益加重，可再生能源发电正在扮演着日益重要的角色。近年来，光伏发电发展迅速，成为主要的可再生能源利用形式。在政府一系列的财政补助和提倡优先并网的政策鼓励下，光伏发电产业迅猛发展，并网安装容量呈现出不断增加的势头。将光伏发电系统引入到配电网系统，是今后光伏发电的一大趋势，然而把大量的光伏发电系统引入配电网会对配电网的结构和运行产生很大影响。因此有必要对光伏接入配电系统展开研究。

由于受天气因素影响，光伏发电系统的随机性、间歇性与波动性[ 1 ]，对其控制起来有困难，属于不可调度的发电机组[ 2 ]。光伏系统接入配电网会对配电网产生一系列影响，包括供电可靠性、电能质量、保护配置、电力平衡等方面[ 3，4 ]。

现有的研究主要集中在光伏接入配电网后对配电网产生的不利影响。文献[5]研究了分布式光伏发电对配电网电压的影响并提出了电压越限的解决方案；文献[6]详细探讨了配电网电压、电网馈线阻抗比以及负荷对光伏电源接入点电压的影响，并根据之前观测到的数据，粗略计算出分布式光伏电源允许接入的峰值容量；文献[7]从容量渗透率角度分析了并网光伏电源对传统配电网的影响，研究了在传统配电网最小负荷限制下光伏并网的容量渗透率极限；文献[8]根据 ANSI C84.1-2006 稳态电压标准以及 IEEE519-1992 谐波标准对电压偏差和谐波电压畸变率进行约束，得出不同位置下分布式光伏的最大渗透率在稳态电压偏差以及谐波约束下的值。

针对已有的研究成果，本文从光伏安装对配电网的一个显著优点出发，即适当容量的光伏在适当位置接入配电网可以有效减少网络损耗[ 9 ]，着重考虑在电压满足要求的情况下使得整个配电网网络损耗最小时的光伏配置。

1 研究网络损耗的意义

电力系统中线损率是电力工业企业的一项重要的综合性技术指标，也是对一流电力公司进行考核的主要指标，它可以反映出一个电力网的生产技术、规划建设和运营管理水平。根据国家“资源开发与节约并重，把节约放在首位”的方针政策，各级电力公司为降低线损率，使得电力使用效率和经济效益最大化，投入了大量的人力、物力和财力，对电网进行建设与改造。

调查研究显示，一个独立的发电企业，在完成相同合同发电量的前提下，网络损耗每降低一个百分点，收益相当于节省 5 万吨煤炭。可见，对于发电权交易过程中的网络损耗的计算是有着相当重要的意义的[ 10 ]。

鉴于电力网线损率对国家电网公司以及人民生活的重要影响，必须对降低配电网网损展开研究。分布式发电作为一种有效的解决能源需求的发电方式，具有降低网络损耗的作用[ 11 ]。因此研究分布式电源接入对配电网网损的影响成为一大突破点。

2 网络损耗的数学模型

负荷接入系统难免会产生网络损耗。流过支路的电流和该支路的电阻大小决定了该支路上的损耗，因此要减小损耗可以从两方面入手，即：减小支路的电阻和流过的电流[ 12 ]。在负荷侧接入光伏发电系统，可以一定程度上减少系统支路上的电流，从而可以减小该支路上的损耗。

当ΔLoss>0时，引入的光伏发电系统可以减少系统网损；反之，当ΔLoss<0時，引入的光伏发电系统反而会使系统网损增加。

3 CYME仿真软件介绍

CYME是加拿大电力系统仿真分析软件，其模块众多，包括：配电系统分析模块（CYMDIST）、输电/工业用电系统分析模块（CYMEDIT）、输/配电附加模块（Addition）、电缆安培容量计算模块（CYMCAP）、保护设备分析模块（CYMTCC）、变电站接地分析模块（CYMGRD）以及电磁暂态分析模块（EMTP-RV）等。其中使用比较多的是配电系统分析模块，该模块功能强大，可以进行相电压降、潮流分析、故障计算、保护设备协调验证、最佳电容器安装和容量选择、负载平衡和负载分配/估算；平衡或不平衡的辐射型、环型、网格型的三相、单相和两相等各种类型系统的分析。可以对不同操作条件和环境下的配电系统的运行状态进行规划研究和仿真。

本文主要选用CYMDIST（distribution system analysis）模块对某地区的配电网络拓扑结构进行规划建模，并以潮流分析功能进行仿真分析。该模块可对整个配电网进行全面的建模以及优化，提高配网规划的效率、节省操作和投资支出、降低网损、延长设备资产寿命的同时，还为配电网故障提供了快速的解决方案，提高了规划人员的协作性和规划能力[ 13 ]。

4 算例分析

本节将从光伏发电系统的接入位置、接入容量2个影响因素出发，对光伏发电系统接入配电网后的网损变化进行仿真和分析，找出使得配电网网损达到最小值时的最佳光伏安装位置以及最佳安装容量，并将网损所造成的经济损失直观地展现出来，为实际电网规划与运行提供指导建议。

本文考虑的27节点配电网简化模型如图1所示。

图1相关参数如下：1）线路采用架空线路，额定电流为500A，每千米架空线路正序阻抗为（0.297+j0.288）Ω，线路阻抗如表1所示。2）10kV/0.4kV变压器额定功率为100kVA，空载损耗为0.26kW。3）负荷有功功率最大值约为180kW，功率因数为0.9。

4.1 光伏系统接入位置对网损的影响

此仿真模型由于是实际电网，各节点并非均匀分布，无法用实际距离来定量描述光伏接入位置，只能定性的将节点的编号从电源端开始递增，距离电源越远节点编号越大。分布式电源接入配电网以前，潮流从变电站流向用户侧[ 14 ]；分布式电源接入后，配电网从传统的无源网络变成有源网络，系统电压和潮流分布都将发生变化[ 15 ]。从图2可以看出，将光伏发电系统尽可能配置在输电线路末端靠近负荷可以较大幅度的减小输电线路有功损耗[ 16 ]。

4.2 光伏系统接入容量对网损的影响

光伏的接入容量并不是越大越好[ 17 ]，当光伏发电系统的有功输出小于负荷容量时，增加光伏发电系统的有功输出可以减小有功损耗，但随着光伏发电系统有功输出的增加，减少程度是趋向于饱和的[ 18 ]。随着光伏接入容量的逐渐增大，系统网损先减小再增大。

当光伏接入容量较小时，随着光伏发电系统有功出力增大，配电网线路传输的净有功功率逐渐下降，系统网损也随之降低；当光伏接入容量持续增大并且超过接入馈线的负载时，光伏系统开始向外部电网或者配电网中其他馈线的负荷提供有功功率，此时随着光伏发电系统接入容量增大，系统中线路传输的净有功功率逐渐增大，系统网损也随之逐渐升高[ 19 ]。

以此仿真算例为例，当接入光伏容量为1200kW时，负荷消耗的总的有功功率为1640.25kW，当不接入光伏系统时，系统有功损耗为33.23kW；光伏系统接入容量为1300kW时，系统有功损耗最低，为23.07kW；当继续增加光伏系统接入容量时，有功损耗继续增加，光伏接入容量为2700kW时有功损耗与不接入光伏系统时接近；当超过2700kW时，有功损耗比不接入光伏系统时还高。按照光伏渗透率的定义：当前光伏容量与负荷容量之比[ 20 ]。此时得出使得网损达到最小值时的最佳光伏安装容量为1300kW，渗透率为79.26%。

4.3 光伏系统接入容量与经济损失的关系

通过CYME仿真软件可以精确地计算出系统的线路损耗、变压器损耗等，通过默认的电价可以计算出各种类型的网损所造成的年度经济损失。如图4所示，此时纵坐标的单位是k$/year。

可以看出降低线损能带来巨大的经济效益。国家电网公司为实现建设“一强三优”现代公司的战略目标，提出了强化细化电网节能降损管理，加强配电网损耗的准确计算和节能降损措施的执行，具体提出了代表日负荷实测及线损理论计算与分析工作大纲。从大纲可以看出降低的线损率绝对值虽然不大，但是长久以来所产生的绝对值却是值得重视的，给供电企业带来的经济效益是巨大的。

由以上仿真算例可以看出合理配置光伏接入位置与光伏接入容量对减少因网损而导致的经济损失的重要意义。

5 结论

传统的配电网内是以不含光伏电源设计的，因此光伏发电系统的引入使得配电网从无源变为有源，改变配电网内的潮流，从而影响系统网损。

经过以上的仿真，分析了引入光伏发电系统以后对配电网有功损耗的变化情况，其中主要考虑了光伏发电系统的接入位置、接入容量这2个因素对网损变化的影响，以及网损变化所造成的经济损失做了一定预算，有以下结论：

1）为减少输电线的有功损耗，应尽可能将光伏发电系统配置在输电线末端、靠近负荷；

2）适当引入光伏发电系统会减少输电线的有功损耗，但当光伏发电系统总的接入容量与负荷容量的比值大于某一数值时（此算例为1.65倍），引入光伏发电系统会增加输电线的有功损耗；

3）合理布置光伏系统的接入位置、接入容量能够为电力供电企业带来巨大的经济效益。

参考文献：

[1] 李升，卫志农，孙国强，等.大规模光伏发电并网系统电压稳定分岔研究[J].电力自动化设备，2016，36（1）：17-23.

[2] OJPM De，ED Castronuovo， dLMT Ponce.Reactive Power Response of Wind Generator Under an Incremental Network-Loss Allocation Approach. IEEE Transactions on Energy Convertion.2008，23（2）：612-621.

[3] ENSLIN J H R. Network impacts of high penetration of photovoltaic solar power systems[C]//2010 IEEE Power and Energy Society General Meeting， Detroit，Michigan，USA：[s.n.]，2010：1-5.

[4] WHITAKER C，NEWMILLER J，ROPP R，et al.Distributed photo-voltaic systems design and technology requirements[R].Albu-querque，New Mexico，USA：Sandia National Laboratory，2008.

[5] 許晓艳，黄越辉，刘纯，等.分布式光伏发电对配电网电压的影响及电压越限的解决方案[J].电网技术，2010，34（10）：140-146.

[6] 范元亮，赵波，江全元，等.过电压限制下分布式光伏电源最大允许接入峰值容量的计算[J].电力系统自动化，2012，36（17）：40-44.

[7] 赵波，张雪松，洪博文.大量分布式光伏电源接入智能配电网后的能量渗透率研究[J].电力自动化设备，2012，32（8）：95-100.

[8] 黄巍，吴俊勇，鲁思棋，等.电压偏差和谐波约束下配网光伏最大渗透率评估[J].电力系统保护与控制，2016，44（6）：49-55.

[9] 谢丽美.光伏并网发电系统建模及对配电网电压- 网损的影响[D].北京：华北电力大学，2009.

[10] 李春刚，宗伟.考虑网络损耗和煤耗量的新型低碳发电权交易模型[J].华北电力技术，2014，5：48-53.

[11] 李文琦.含分布式发电的配电网网损分析[D].北京：华北电力大学，2012.

[12] 薛松，王致杰，曾鸣.分布式发电与微电网技术的节能减排效果评估模型[J].华东电力，2013，41（4）.0694-0698.

[13] 刘煌煌，刘前进，陈柔伊，等.基于 CYME 软件的城市配电网规划仿真[J].电力系统及其自动化学报，2014，26（10）：13-19.

[14] BoHu，YutoNONAKA， RyuichiYOKOYAMA. Influence of Large-scale Grid-connected Photovoltaic System on Distribution Networks[J]. Automation of Electric Power Systems（in Chinese），2012，36（3）：34-38.

[15] 寇凤海.分布式光伏电源对配电网网损的影响[J].电网与清洁能源，2011，27（11）：62-68.

[16] J Sardi，N Mithulananthan， DQ Hung， K Bhumkittipich.Load levelling and loss reduction by ES in a primary distribution system with PV units.Isgt-asia，2015.

[17] 张瑜，孟晓丽，方恒福.分布式电源接入对配电网线损的影响分析[J].电力建设，2011，32（5）：67-71.

[18] 刘琳，陶顺，肖湘宁，等.分布式发电及其对配电网网损的影响分析[J].电工电能新技术，2012，31（3）：16-24.

[19] 蔣愈勇，雷金勇，董旭柱，等.基于DIgSILENT的配电网大规模光伏接入影响分析[J].电力系统及其自动化学报，2015，27（7）：35-41.

[20] 刘健，同向前，潘忠美，等.考虑过电压因素时分布式光伏电源的准入容量[J].电力系统保护与控制，2014，42（6）：45-51.