分布式光伏电源对配电网网损的影响

寇凤海

（河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031）

分布式光伏电源对配电网网损的影响

寇凤海

（河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031）

分布式光伏电源功率输出具有随机性、波动性和间歇性，其有功出力受自然天气条件的影响很大[1-3]。因此，当配电系统中接入大量的分布式光伏电源之后，使配电系统运行控制更加复杂化，将很大程度地影响配电网潮流的大小、方向，以及线路、电气设备和用户端的电压等[4-5]。这些影响带来的正面效果或负面效果主要取决于电力系统的运行工况以及分布式光伏电源本身的特点等[6-8]。目前，研究分布式电源（DG）对配电网网损方面的文献较少，文献[9-10]改变分布式电源的接入位置和接入容量研究了DG对配电网网损的研究；文献[11-12]除考虑了分布式电源的接入位置、接入容量外，还考虑了DG的运行方式对网损的影响；文献[13]对比分析了不同负荷模型对含分布式发电的配电网网损的影响。至于针对分布式光伏电源对配电网网损的影响的文献几乎没有，因此，本文将分布式光伏电源集中接入21节点的放射状链式配电网[14]的末端，研究了在不同的配电网的R/X、负荷水平、负荷功率因数下，分布式光伏电源的有功出力和功率因数对配电网网损的影响，全面总结了接入分布式光伏电源后配电网网损的变化规律。

1 配电网和负荷的稳态模型

在我国，配电网的拓扑结果较多，但城乡配电网大多仍以放射状链式结构为主，故本文选择一条10kV链式配电网作为研究对象。由于配电线路长度较短，电压等级较低，所以将配电线路表示成电阻和电抗的等效电路，并且所有线路阻抗均折合到系统电压等级。配电网中的负荷种类繁多，随机性大，通常分为工业负荷、商业负荷和民用负荷。负荷的静态模型可以表示成依赖电压和频率的幂函数的形式，但当容量较小的分布式光伏电源接入配电网时，配电网的频率基本上不受影响，故假设频率为常数。则可将配电网中节点i的总负荷表示为

式中，Pik0和Qik0分别为节点i母线额定电压下的有功和无功；α和β为常数，取决于负荷的类型，当α=β=1时表示恒功率负荷；当α=β=2时表示恒电流负荷；当时表示恒阻抗负荷。为便于研究，本文采用恒功率静态负荷模型来表示馈线上各个节点的负荷。

2 含分布式光伏电源的配电网网损计算

考虑到配电网中无功的传输量与有功传的输量相比很小，因而线路损耗主要由有功潮流决定。在分布式光伏电源接入配电网前，配电网的潮流是从变电站流向用户的，或从送端流向受端。分布式光伏电源接入配电网后，配电线路的电压分布和潮流分布都将发生变化，以第段线路为例，负荷模型采用恒功率模型，如图1所示。

图1 配电网第k线路节点i接入分布式光伏电源Fig.1 The DPVG are connected into the i-th bus of the k-th line of distribution system

节点i未接入分布式光伏电源之前第k段线路的损耗为

节点i接入分布式光伏电源之后的净注入功率为

式（4）中，Si为接入分布式光伏电源后节点i的注入功率；Ppv和Qpv分别为分布式光伏电源的有功和无功；Pik和Qik分别为节点Qik的负荷的有功和无功；Ui为节点i的电压。

则分布式光伏电源接入前后配电网网损分别为Ploss和P′loss，计算式如下

为量化同一节点在分布式光伏电源接入前后配电网网损的变化程度，本文采用下式作为衡量配电网网损变化率的指标。

节点ε的绝对值越大，说明配电网网损受分布式光伏电源的影响越大。当ε＜0时，表明配电网网损减小；当ε＞0时，表明配电网网损增加。

3 仿真分析

对于接入配电网的分布式电源（DG）来说，越接近系统母线则所能接入的容量越大，越接近线路末端所能接受的容量越小；同样渗透率的分布式发电，分散接入比集中接入对电压的支撑更大[14-15]。针对DG对配电网产生的影响，本文将分布式光伏电源集中接入21节点的放射状链式配电网[14]的末端，改变配电网的R/X、负荷水平、负荷功率因数，研究分布式光伏电源出力和功率因数对配电网总损耗的影响。配电网的基准功率取10MVA，基准电压取10kV，系统母线取1.05pu。经测试，当此网络未接入分布式光伏电源时其总负荷增大到2.37倍时出现节点电压越界，故本文将配电网的最大输送容量取为总负荷有功的2.37倍。负荷水平定义为当前负荷与配电网最大输送容量之比；分布式光伏电源的出力水平定义为分布式光伏电源有功出力与当配电网前总负荷有功之比。

3.1 分布式光伏电源对不同R/X的配电网网损的影响

负荷水平为0.42，负荷功率因数0.95，分布式光伏电源的出力水平的步长为0.01,功率因数分别取0.95、1.00、-0.95，线路R/X为0.1：0.1：5。

从图2到图4可以看出，分布式光伏电源有功注入水平小于等于60%时，随着配电网R/X的增加，网损的变化率负向增加，即分布式光伏电源接入使网损减小。配电网的R/X值越大，同样的分布式光伏电源电源的有功注入使网损减小的越多；当配电网的R/X一定时，以超前功率因数运行的分布式光伏电源有功注入水平为40%时网损减小的最多，其次为20%和60%；当分布式光伏电源以滞后功率因数运行时，仍然是在有功注入水平为40%时使网损减小的最多，当R/X小于一个临界值时，20%的有功注入水平减小的网损大于60%的有功注入水平减小的网损；当R/X大于这个临界值时相反。分布式光伏电源的功率因数越高，这个临界值越小。分布式光伏电源有功注入水平为80%时，分布式光伏电源以滞后功率因数运行，当R/X小于一个临界值时网损增加，大于临界值时减小；分布式光伏电源以超前功率因数运行时网损变化率都大于零，即导致网损增加。

3.2 分布式光伏电源对不同负荷水平的配电网网损的影响

负荷水平从0.042增长到0.97，即接近配电网的最大输送容量，保持负荷功率因数始终为0.95。分布式光伏电源的出力水平的步长为0.01，功率因数分别取0.95、1.00、-0.95，线路R/X为0.3。

从图5到图7可以看出，随着负荷水平的增加，较小的分布式光伏电源有功注入水平时，即20%，使网损的变化率略微增加，即说明网损增加，其余的有功注入水平时均使网损减小。分布式光伏电源有功注入水平为80%时，网损变化率大于零，这说明使网损有所增加，且在相同的有功注入情况下，分布式光伏电源以超前功率因数运行时的网损变化率大于以滞后功率因数运行时的网损变化率；在分布式光伏电源有功注入水平小于等于60%时，分布式光伏电源以滞后功率因数运行时的网损变化率大于以超前功率因数运行时的网损变化率。另外，网损最小时为40%的分布式光伏电源有功注入水平。

图2 功率因数为0.95的分布式光伏电源对不同R/X配电网网损的影响Fig.2 Impact on the loss of the distribution net-work with different R/X caused by the DPVGs with power factor 0.95

图3 功率因数为1的分布式光伏电源对不同R/X配电网网损的影响Fig.3 Impact on the loss of the distribution network with different R/X caused by the DPVGs with power factor 1

图4 功率因数为-0.95的分布式光伏电源对不同R/X配电网网损的影响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 分布式光伏电源对不同负荷功率因数的配电网总损耗的影响

负荷水平为0.42，负荷功率因数分别为0.98、0.95：0.05：0.5，分布式光伏电源的出力水平的步长为0.01，功率因数分别取0.95、1.00、-0.95，线路R/X为0.3。

图5 功率因数为0.95的分布式光伏电源对不同负荷水平的配电网网损的影响Fig.5 Impact on the loss of the distribution network with different load level caused by the DPVGs with power factor 0.95

图6 功率因数为1的分布式光伏电源对不同负荷水平的配电网网损的影响Fig.6 Impact on the loss of the distribution network with different load level caused by the DPVGs with power factor 1

图7 功率因数为-0.95的分布式光伏电源对不同负荷水平的配电网网损的影响Fig.7 Impact on the loss of the distribution network with different load level caused by the DPVGs with power factor-0.95

从图8中可以看出，当分布式光伏电源以较低的滞后功率因数运行且有功注入水平较小时，即20%，随着负荷功率因数的提高，网络损耗的变化率负向增加，说明网损逐渐减小；当分布式光伏电源有功注入水平较大时，即40%和60%，随着负荷功率因数的提高，网损变化率先是负向增加，然后正向增加，说明负荷功率因数较高时不利于网损的降低；当分布式光伏电源的水平很大时，即80%，随着负荷功率因数的提高，网络损耗的变化率一直正向增加，由负变正，说明由减小网损变为增加网损，且当功率因数高时网损增加的较大。

图8 功率因数为0.95的分布式光伏电源对不同负荷功率因数的配电网网损的影响Fig.8 Impact on the loss of the distribution network with different load power factor caused by the DPVGs with power factor 0.95

当分布式光伏电源的功率因数提高为1后，其有功注入水平小于等于60%时网损变化率均为负向增加，说明较高的负荷功率因数时有利于网络损耗的减小；当分布式光伏电源的有功注入水平很大时，为80%，随着负荷功率因数的提高网损变化率正向增加，由负变正，说明分布式光伏电源接入后使网损耗先减小后增加。

从图9和图10中可以看出，当分布式光伏电源以较低的超前功率因数运行且有功注入水平较小时，即20%，随着负荷功率因数的提高，网损变化率负向增加，说明网损逐渐减小；当分布式光伏电源有功注入水平较大时，即40%和60%，随着负荷功率因数的提高，网损变化率负向增加直至小于零，这说明接入分布式光伏电源后网损先增加后减小；当分布式光伏电源水平很大时，即80%，随着负荷功率因数的提高，网损变化率先增加后降低，但仍大于零，说明分布式光伏电源接入后导致了网损的增加。

图9 功率因数为1的分布式光伏电源对不同负荷功率因数的配电网网损的影响Fig.9 Impact on the loss of the distribution network with different load power factor caused by the DPVGs with power factor 1

图10 功率因数为-0.95的分布式光伏电源对不同负荷功率因数的配电网网损的影响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 分布式光伏电源出力变化对配电网有功损耗的影响

负荷水平为0.42，负荷功率因数分别为0.95，分布式光伏电源的出力水平的步长为0.01，功率因数分别取0.95、0.98、1.00、-0.98、-0.95，线路R/X为0.3。

从图11中很容易看出，当光伏电源出力水平在0到100%之间变化时，无论光伏电源的功率因数是超前还是滞后，配电网网损变化呈向上开口的抛物线型；当光伏电源出力水平小于62%时，由于光伏电源的接入而降低了配电网的网损，并且光伏电源的功率因数在0.95到-0.95之间变化时，总存在一个使配电网网损最小的光伏电源出力水平。当光伏电源出力水平大于某个限值时非但不能使网损降低，而且将增加网损，这使使得光伏电源对配电网网损产生负面影响。这个限值与光伏电源的功率因数有关，限值从小到达对应的功率因数依次为-0.95、-0.98、0.95、1.00、0.98。可见，当光伏电源使配电网网损增加时，可以在保证光伏电源出力水平不变的条件下调节其功率因数使网损由增加变为减少。很明显，这种调节是有限的，当无法通过调节光伏电源的功率因数时只能限制光伏电源的出力水平了。

图11 分布式光伏电源出力变化对配电网有功损耗的影响Fig.11 Impact on the active power loss of the distribution network caused by the power output variation of the DPVGs

4 结论

本文首先给出了含分布式光伏电源的配电网网损的的计算公式，然后提出了网损变化率指标用来衡量分布式光伏电源对配电网网损影响的程度。并通过改变配电网参数，即R/X、负荷水平、负荷功率因数，和分布式光伏电源参数，即分布式光伏电源出力和功率因数进行仿真，得出了以下结论：

1）分布式光伏电源接入配电网后，网损变化与分布式光伏电源的出力水平、功率因数和配电网的R/X有关，在不同的分布式光伏电源有功注入水平下，随着配电网的R/X的增加，网损降低。

2）随着配电网负荷水平的增加，较小的分布式光伏电源有功注入水平导致网损略微增加；当分布式光伏电源的有功注入水平很大时，导致网损增加很大。但随着负荷水平的增加，变化率减小。以超前功率因数运行的分布式光伏电源出力水平较大时，网损变化率对配电网负荷水平的变化更敏感。

3）配电网的负荷功率因数不同时，分布式光伏电源接入后对网损是降低还是增加取决于分布式光伏电源的功率因数和有功注入水平。

4）当分布式光伏电源出力水平和功率因数发生变化时，配电网的网损也将发生变化。随着光伏电源出力水平的增加，配电网的网损变化率呈开口向上的抛物线型。

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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

当配电网中接入大量的受天气条件影响而出力具有随机性、波动性和间歇性的分布式光伏电源时，必然会对配电网网损产生影响。将分布式光伏电源集中接入配电网的末端，通过仿真研究了在不同的配电网的R/X、负荷水平、负荷功率因数下，分布式光伏电源的有功出力和功率因数对配电网网损产生的影响，并提出了利用网损变化率指标来量化对配电网网损的影响程度，全面总结了含分布式光伏电源的配电网网损的变化规律。

分布式光伏电源；配电网；网损；变化率指标

1674-3814（2011）11-0062-07

TM615

A

2010-10-21。

寇凤海（1983—），男，硕士，主要从事风力发电和太阳能光伏发电工程电气一次设计工作。

（编辑 徐花荣）