江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 ■ 楊志豪 鄭艷芳

含光伏發(fā)電系統(tǒng)配電網(wǎng)降損研究

江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 ■ 楊志豪 鄭艷芳*

綜述近10年來傳統(tǒng)配電網(wǎng)降損方法及含有分布式電源的配電網(wǎng)優(yōu)化配置研究成果，通過建模分析配電網(wǎng)中光伏電源容量、位置、運(yùn)行方式對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響；最后結(jié)合光伏發(fā)電實(shí)際特點(diǎn)，提出將支持向量機(jī)和禁忌算法相結(jié)合的混合算法應(yīng)用到配電網(wǎng)降損中的思想。

光伏發(fā)電；分布式電源；配電網(wǎng)；降損

0 引言

人類生存與發(fā)展離不開能源，隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的大量開采與消耗，化石燃料儲(chǔ)量急劇下降，其燃燒導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。為抓住能源引領(lǐng)的能源革命[1]，我國(guó)“十三五”規(guī)劃綱要提出：1)加快各級(jí)電網(wǎng)建設(shè)，重點(diǎn)加快特高壓骨干網(wǎng)架和配電網(wǎng)建設(shè)；2)大規(guī)模開發(fā)清潔能源；3)嚴(yán)格控制中東部煤電；4)推動(dòng)構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)。光伏發(fā)電(PV)是主要的分布式電源之一，它與配電網(wǎng)相連可為大電網(wǎng)提供備用，增強(qiáng)了電網(wǎng)的可靠性；同時(shí)由于PV啟停方便等優(yōu)點(diǎn)，可在電網(wǎng)中起到良好的調(diào)峰作用。其中，含PV的配電網(wǎng)建設(shè)及其對(duì)配電網(wǎng)損耗的影響和降損方法研究是實(shí)現(xiàn)“十三五”規(guī)劃的一項(xiàng)重要工作。

近年來，國(guó)內(nèi)外在配電網(wǎng)降損方法的研究上取得豐碩的研究成果。本文綜述了近10年來傳統(tǒng)配電網(wǎng)降損方法研究新成果，尋求對(duì)未來配電網(wǎng)建設(shè)具有指導(dǎo)意義的降損方法，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。此外，PV在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究是未來實(shí)現(xiàn)清潔能源有效利用、降低中東部煤電份額的核心研究方向之一；結(jié)合PV的實(shí)際特點(diǎn)，通過建立網(wǎng)損模型，說明引入PV并合理配置PV對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響。

1 傳統(tǒng)配電網(wǎng)降損方法研究

電網(wǎng)降損方法研究包含損耗分析研究和降損措施研究，其中，損耗分析研究是制定出有效降損措施的前提和根本保證。配電網(wǎng)的損耗分析是以電網(wǎng)參數(shù)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算理論損耗與統(tǒng)計(jì)損耗并進(jìn)行比較，對(duì)配電網(wǎng)損耗中的技術(shù)損耗和管理?yè)p耗進(jìn)行分析研究[2]。

在配電網(wǎng)技術(shù)降損方法上，張愷凱等[3]從線路電阻、配電變壓器、電網(wǎng)功率因數(shù)低、線路日負(fù)荷不均衡、三相負(fù)荷不平衡、設(shè)備老化、接觸不良、諧波等方面闡述技術(shù)損耗的降損措施，但并未考慮規(guī)劃中的其他費(fèi)用。楊文鋒等[4]在城市中低壓配電網(wǎng)降損方面分析常用配電網(wǎng)降損方法，并考慮了規(guī)劃方案中的費(fèi)用和運(yùn)行約束的條件，構(gòu)建出配電降損規(guī)劃的優(yōu)化決策模型，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的綜合效益。郭秀欽等[5]根據(jù)配電網(wǎng)供電半徑的長(zhǎng)短、供電負(fù)荷的輕重及負(fù)荷的功率因數(shù)

等情況配置無功補(bǔ)償裝置，從而對(duì)中低壓配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無功優(yōu)化改造，使投資、運(yùn)行和降損效果達(dá)到最佳，但未考慮到無功優(yōu)化可能會(huì)增加變壓器自身的損耗問題。史昌明等[6]將變壓器損耗引入配電網(wǎng)無功優(yōu)化模型，并考慮了不同負(fù)荷水平的影響，認(rèn)為在無功優(yōu)化方案中考慮變壓器損耗適用于各種負(fù)荷水平。姚遙等[7]從提高供電可靠性和平滑負(fù)荷的角度出發(fā)，利用儲(chǔ)能電池“既可在放電時(shí)作為儲(chǔ)能節(jié)點(diǎn)，又可在充電時(shí)作為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)”的特點(diǎn)，提出將儲(chǔ)能技術(shù)引入配電網(wǎng)的思想，使負(fù)荷高峰和負(fù)荷低谷時(shí)的綜合線損率降低。

在管理?yè)p耗方面，陳洪波[8]從管理?yè)p耗的角度分析了計(jì)量裝置管理的問題，并從計(jì)量裝置的選擇、安裝和防竊電措施角度提出了配電網(wǎng)的降損措施。

近年來，研究人員對(duì)PV并網(wǎng)的研究逐步深入，隨著PV引入配電網(wǎng)，其對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響也十分顯著。研究表明，在傳統(tǒng)配電網(wǎng)中引入PV也可有效減少網(wǎng)損，進(jìn)而結(jié)合目前流行的細(xì)菌菌落算法、禁忌搜索算法、自適應(yīng)變異的粒子群優(yōu)化算法等智能算法，可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

2 引入PV對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響

2.1 引入PV后網(wǎng)損變化模型

簡(jiǎn)單潮流計(jì)算中，負(fù)載是由電網(wǎng)電源單方面供電，而接入PV后，負(fù)載通過電網(wǎng)電源和PV共同供電。本文采用文獻(xiàn)[9,10]中的模型，并在此基礎(chǔ)上通過求導(dǎo)分析，推導(dǎo)出PV引入配電網(wǎng)對(duì)網(wǎng)損的具體影響因素。假設(shè)兩種情況下負(fù)荷大小均相同，不考慮線路首端到線路末端的壓降，設(shè)全線路電壓為U0，也不考慮負(fù)荷的三相不平衡。建立的理想模型見圖1和圖2。其中，Ps、Qs分別表示電網(wǎng)電源的有功功率、無功功率；PL、QL分別表示負(fù)荷的有功功率、無功功率；PG、QG分別表示光伏電源有功、無功功率；L表示電網(wǎng)電源與負(fù)荷之間的距離；LG表示電網(wǎng)電源與光伏電源之間的距離。

圖1 未接入PV的模型

圖2 接入PV的模型

引入PV可有效減少電網(wǎng)損耗，這是由于PV改變了系統(tǒng)的潮流分布。以往的電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)電流在線路中大量流動(dòng)，造成線路損耗增加；而加入PV后，一部分電源仍由電網(wǎng)電源供給，另一部分則由靠近負(fù)荷側(cè)的PV供給。

1)系統(tǒng)流入負(fù)荷側(cè)的單相電流為：

假設(shè)線路單相電阻率為r0(Ω/km)，則未接入PV電源時(shí)，Is=IL，系統(tǒng)線路損耗為：

2)對(duì)于接入PV的電網(wǎng)來說，由于PV輸出的單相電流IG：

所以，電網(wǎng)電源流入的電流Is：

系統(tǒng)線路損耗分成電網(wǎng)到PV的損耗和PV到負(fù)荷的損耗，則在此情況下系統(tǒng)線路損耗為：

3)可見，接入PV與未接入PV，其功率損耗不同，其差值為：

由式(6)可知，PV接入的位置(LG)，PV電源有功功率(PG)、無功功率(QG)各自出力的大小，都將影響接入PV后配電網(wǎng)網(wǎng)損。

2.2 引入PV的配電網(wǎng)損耗影響因素分析

2.2.1 PV相對(duì)負(fù)荷的位置

由式(6)可知，當(dāng)PV接入的容量及功率因數(shù)不變時(shí)，ΔS的大小僅與LG的大小線性相關(guān)。而LG是電網(wǎng)電源與PV之間的距離，當(dāng)LG越大，也就是在輻射型配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，PV越接近負(fù)荷中心，則ΔS越大；即相比于未接入PV，接入PV會(huì)有效減少網(wǎng)絡(luò)損耗。

2.2.2 PV相對(duì)負(fù)荷的容量

由式(6)可知，當(dāng)考慮PV相對(duì)負(fù)荷容量對(duì)網(wǎng)損影響時(shí)，需控制PV的位置及功率因數(shù)為一定值，即設(shè)LG為常數(shù)；設(shè)PV相對(duì)于負(fù)荷的比值為K，即則式(6)可變?yōu)椋?/p>

可見，當(dāng)K=1時(shí)，ΔS最大，即此時(shí)引入PV能最大限度減少網(wǎng)損；當(dāng)K=2時(shí)，ΔS=0，表明此時(shí)引入PV與未引入PV對(duì)網(wǎng)損的影響相同；當(dāng)K＞2時(shí)，引入PV不僅不會(huì)減少網(wǎng)損，甚至?xí)炔唤尤隤V的網(wǎng)損還要大。

以上分析表明，在考慮PV接入配電網(wǎng)時(shí)，并非容量越大越好，當(dāng)PV容量與負(fù)荷的容量相當(dāng)時(shí)，可使配電網(wǎng)損耗最小。

2.2.3 PV運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)

由式(6)可知，要研究PV運(yùn)行方式對(duì)ΔS的影響，需要控制PV的位置和容量不變，即LG和SG為定值。設(shè)PG=SGcosφ，QG=SGsinφ (φ為PV系統(tǒng)功率因數(shù)角)，則：

ΔS對(duì)φ求導(dǎo)，可得：

綜上所述，在配電網(wǎng)中合理引入PV可顯著減少網(wǎng)損，但與一般分布式電源不同，PV發(fā)出的直流電只能通過逆變器并網(wǎng)，需考慮負(fù)荷無功需求，合理配置無功補(bǔ)償裝置和容量，從而在不增加額外損耗的前提下，有效降低線損。

3 PV優(yōu)化配置

在PV配置時(shí)，可結(jié)合智能算法進(jìn)行優(yōu)化。Vukobratovic 等[15]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法在DIgSILENT PowerFactory上對(duì)配電網(wǎng)功率損耗進(jìn)行仿真，確定配電網(wǎng)中分布式電源的最優(yōu)位置，但這種算法的參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜，運(yùn)行速度慢。葉德意等[16]考慮了遺傳算法及粒子群算法易早熟的特點(diǎn)，提出了自適應(yīng)變異的粒子群優(yōu)化算法，增強(qiáng)了粒子群優(yōu)化算法跳出局部最優(yōu)解的能力，具有良好的收斂精度和速度。Hussain等[17]利用微分進(jìn)化的方法優(yōu)化了在輻射式配電網(wǎng)中分布式電源的位置，具有處理不可微復(fù)雜優(yōu)化問題的功能。陳海東[18]提出利用細(xì)菌菌落算法對(duì)分布式電源進(jìn)行優(yōu)化配置的方法，相比于螢火蟲算

法收斂精度更高，也避免了粒子群算法計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、運(yùn)行復(fù)雜的缺點(diǎn)。

由于禁忌算法(TS)具有較強(qiáng)的局部搜索能力和“爬山”能力[19]，支持向量機(jī)(SVM)[20]可有效解決有限樣本、非線性及高維模式識(shí)別問題，TS和SVM結(jié)合可有效預(yù)測(cè)負(fù)荷，進(jìn)而為PV的配置提供參考樣本，最終降低配電網(wǎng)損耗，帶來經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)與展望

本文結(jié)合基本國(guó)情和基本國(guó)策，研究了近十年來在傳統(tǒng)的配電降損方面取得的成果，并在此基礎(chǔ)上，研究引入PV對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)網(wǎng)損的影響。研究結(jié)果表明：1)含PV的配電網(wǎng)網(wǎng)損明顯降低；2)含PV的配電網(wǎng)中，PV容量與負(fù)荷容量匹配時(shí)方可達(dá)到有效降損的目的；3)PV產(chǎn)生的無功功率可有效實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降損。此外，針對(duì)含PV的分布式電源系統(tǒng)分支繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)不固定等特點(diǎn)，本文提出采用支持向量機(jī)和禁忌算法相結(jié)合的混合算法，該研究可直接指導(dǎo)引入PV的配電網(wǎng)建設(shè)及降損研究的仿真和實(shí)驗(yàn)。然而，對(duì)含分布式電源系統(tǒng)配電降損的研究工作任重而道遠(yuǎn)，尤其是線損計(jì)算和降損措施方面，需要積累更多的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐數(shù)據(jù)，用來驗(yàn)證算法的精確性和方法的可行性，這也將是下一步研究的方向和目標(biāo)。

研究表明，引入PV可有效降低配電網(wǎng)損耗，然而，也發(fā)現(xiàn)更多亟待解決的問題，如如何結(jié)合實(shí)際交直流混合電網(wǎng)的基本情況來選擇PV容量、接入位置和功率因數(shù)等參數(shù)是有效實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)降損的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

下一步研究將集中在以下方面：1)結(jié)合實(shí)際交直流混合電網(wǎng)的基本情況，研究選擇PV容量、接入位置和功率因數(shù)等參數(shù)的有效方法；2)研究含太陽能、風(fēng)能、潮汐能等多種分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)降損方法；3)混合動(dòng)力的車載、船載微電網(wǎng)的配電降損研究等。

[1] 張海龍. 中國(guó)新能源發(fā)展研究[D]. 吉林：吉林大學(xué), 2014.

[2] 王彬宇. 城市中低壓配電網(wǎng)損耗分析與降損技術(shù)選擇方法[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2014.

[3] 張愷凱, 楊秀媛, 卜從容, 等. 基于負(fù)荷實(shí)測(cè)的配電網(wǎng)理論線損分析及降損對(duì)策[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, (S1): 92－97.

[4] 楊文鋒, 王彬宇, 程卓, 等. 城市中低壓配電網(wǎng)降損規(guī)劃決策方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2014, (9): 2598－2604.

[5] 郭秀欽, 郭大慶, 張永新, 等. 配電網(wǎng)節(jié)能降損優(yōu)化改造方案的研究[J]. 電力電容器與無功補(bǔ)償, 2014, (2): 43－49.

[6] 史昌明, 刁鳳新, 楊朋威, 等. 考慮變壓器損耗的配電網(wǎng)無功優(yōu)化研究[J]. 水電能源科學(xué), 2015, (12): 185－188.

[7] 姚遙, 劉東, 廖懷慶, 等. 含儲(chǔ)能電池的配電網(wǎng)降損分析[J].華東電力, 2010, (5): 677－680.

[8] 陳洪波. 談供電企業(yè)計(jì)量裝置管理中存在的問題及對(duì)策[J].黑龍江科技信息, 2016, (2): 261.

[9] 馬明. 分布式電源對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)損影響及配置的研究[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2007.

[10] 涂有慶. 含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)網(wǎng)損研究[D]. 湖南: 湖南大學(xué), 2008.

[11] 司傳濤, 肖靜, 張閣, 等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)無功支撐能力評(píng)估分析[J]. 廣西電力, 2015, (6): 28－34.

[12] Braun M, Stetz T, Reimann T, et al. Optimal reactive powersupply in distribution networks——Technological and economic assessment for PV systems[A]. European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition[C], Hamburg, Germany, 2009, 3872－3881.

[13] 晁陽. 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)無功電壓控制研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2014.

[14] Kabiri R, Holmes D G, McGrath B P. The influence of PV inverter reactive power injection on grid voltage regulation[A]. 2014 IEEE 5th International Symposium, Power Electronics for Distributed Generation System(PEDG) [C]，Galway, 2014, 1－8.

[15] Vukobratovic M, Hederic Z, Hadziselimovic M. Optimal distributed generation placement in distribution network[J]. Electrical, Electronics, Signals, Communicationand Optimization(EESCO), 2014, 1176－1183.

[16] 葉德意, 何正友, 臧天磊. 基于自適應(yīng)變異粒子群算法的分布式電源選址與容量確定[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2011, (6): 155－160.

[17] Israfil Hussain, Anjan Kumar Roy. Optimal size and location of distributed generations using differential evolution(DE)[J]. Computational Intelligence and Signal Processing(CISP), 2012, (2): 57－61.

[18] 陳海東. 基于細(xì)菌菌落優(yōu)化算法分布式電源優(yōu)化配置[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, (21): 106－111.

[19] 田穎. 基于禁忌差分粒子群算法的分布式電源的選址和定容[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2012.

[20] 劉蔚, 韓禎祥. 基于支持向量機(jī)的配電網(wǎng)重構(gòu)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2005, (7): 48－52.

2016-05-11

鄭艷芳(1986—)，女，博士、講師，主要從事電容式傳感器、微電網(wǎng)電能評(píng)估方面的研究。zhengyf@ynao.ac.cn