光伏電源接入對配電網線損動態的影響研究

顏中秋

（徐州三新供電服務有限公司邳州分公司， 江蘇 徐州 221300）

0 引言

隨著全球對清潔能源和可持續發展的需求不斷增長，光伏發電正迅速成為重要的能源供應形式[1]。其自然、清潔和高效的特點受到了廣泛關注和積極推廣。隨著技術的進步和政策的支持，光伏電源接入配電網成為了必然趨勢。然而，隨著接入規模的擴大，其對配電網線損的影響也日益明顯[2]。本研究旨在深入探討光伏電源接入對配電網線損動態的影響，并為實際操作提供策略和建議。

1 光伏電源接入的基本原理及其與配電網的關系

1.1 光伏電源的工作原理及特點

光伏發電，是將太陽光能轉化為電能的過程。當太陽光照射到太陽能電池時，該電池中的半導體材料，通常為硅或其他先進材料，會吸收光子并激發電子，使其從價帶躍遷至導帶[3]。這一過程導致形成電子- 空穴對，從而在外部電路中產生電流，即實現了光能到電能的轉換。光伏發電的顯著特點，如圖1所示。

圖1 光伏發電的特點

綠色與可再生：光伏發電不產生溫室氣體排放，是一種真正的綠色能源。

分布式特性：不同于傳統大型火電或水電站，光伏可以在各種尺度上，從家用到工業規模，進行部署。

靈活配置：光伏系統可以根據需求和地理條件進行定制和配置。

1.2 光伏發電與配電網的動態互動

光伏發電的波動性主要來源于其對氣象條件的依賴性。例如，日照的變化、溫度的升高或降低、云層的遮擋都會對光伏輸出產生影響。這種波動性在一天之內，甚至在短時間內都可能發生顯著變化。這為配電網帶來了一系列的挑戰，如圖2 所示。

圖2 光伏發電對配電網帶來的挑戰

電網過載風險：在陽光充足的中午，光伏輸出可能會突然增加，這有可能導致電網過載，尤其是在高光伏滲透的地區。

電網負載波動：突如其來的云層或其他遮擋物可能會導致光伏輸出的驟減，從而導致電網的頻率和電壓波動。

1.3 逆變器：光伏與配電網的橋梁

為了將光伏發電系統與配電網有效連接，逆變器扮演著關鍵角色。它的主要任務是將光伏系統產生的直流電轉化為與配電網匹配的交流電?，F代逆變器還具有一些高級功能，如最大功率點跟蹤（MPPT）和電網支持功能，以確保光伏輸出與電網需求的最佳匹配。

然而，與此同時，逆變器也需要應對光伏發電的不確定性和波動性。這需要配電網的高級管理策略和先進的調度系統，確保光伏接入時電網的穩定性不會受到威脅。

總之，光伏電源接入與配電網的關系是復雜的，需要細致的策略和技術來確保兩者的和諧共存。隨著技術的進步和經驗的積累，有望在保證電網穩定的同時，更好地利用這一綠色能源。

2 配電網線損動態分析

作為電力系統中的關鍵性能指標，配電網線損直接關聯到系統的效率和可靠性。在配電階段，線損的存在凸顯了能量傳輸中不可避免的能量損耗[4]。其本質原因在于電力設備如導線、變壓器等存在的電阻和電抗導致的電能損失。為了深入探討其內部機制，將線損進行分類并詳細分析其與光伏電源接入的關系。

2.1 固定線損與變量線損的區別與聯系

1）固定線損主要源于設備的固有屬性，如變壓器的鐵損和固定的銅損。這部分的線損與電流的幅值無關，而是由設備本身的材料和設計決定的。因此，即使在無負載或低負載的情況下，固定線損也會存在。

2）變量線損與電流的大小和方向緊密相關。它是因為設備電阻造成的I^2R 損失，這意味著當電流增加時，變量線損會呈平方增長。與負載的波動是息息相關的。

2.2 光伏電源接入對配電網線損的影響

當光伏電源接入時，它與配電網的線損有直接的因果關系。一方面，光伏電源作為一個分布式能源，可以在一定程度上減輕中心負載，從而影響變量線損的形成。例如，當陽光充足，光伏發電量大，直接供給臨近負載，配電網的遠程負載相應減少，導致變量線損減少。另一方面，光伏發電的不穩定性和不確定性可能對線損帶來負面影響。當天氣發生突變，如云層遮擋導致光伏輸出驟降，電網需求突然增加，可能導致線損瞬時增大。這種情況下，電網的響應能力和調度策略將對線損的管理起到關鍵作用。

2.3 光伏電源接入對電網穩定性的潛在影響

雖然光伏電源帶來了綠色、可再生的能源，但其不確定性也給電網穩定性帶來了一定的壓力。突發的光伏輸出波動可能導致頻率、電壓等關鍵參數的變化，進一步影響到線損和設備的壽命。因此，在高滲透的光伏系統中，如何優化線損，確保電網穩定性，是關鍵技術挑戰。

式中，DOECDit：OECD國家來源國的多樣性指標；DIOECDit：非OECD國家來源國的多樣性指標。

光伏電源接入對配電網線損有正負兩面的影響。為了確保電網的穩定和高效運行，需要深入研究線損的動態特性，并采用合適的技術和策略進行管理。

3 實際案例分析與優化策略

3.1 實際案例分析

文章選擇了某大型都市地區為研究對象，命名為“陽光都市”?！瓣柟舛际小苯陙泶罅ν茝V光伏發電，并在5 個主要城區進行了大規模的光伏電源接入。配電網覆蓋面廣，連接了約2.5 百萬用戶，因此其對光伏電源接入的響應和線損影響代表性較強。

1）數據收集和處理：從該地區的電力公司獲取了過去一個月的光伏發電數據和配電網的線損數據。數據包括每日的光伏發電量、電網的最大、最小和平均負載、固定線損和變量線損等。見表1。在數據處理階段，使用Python 對數據進行了清洗、篩選和歸類，去除了明顯的異常值，確保數據的準確性和一致性。同時，對于連續多天的數據，計算了發電量和線損的月平均值。

表1 “陽光都市“2023 年6 月光伏發電與配電網負載數據

2）實驗或模擬的方法與步驟：為了更加直觀地展示光伏電源接入對配電網線損的影響，構建了一個配電網模型，并在MATLAB/Simulink 環境中進行了模擬實驗。實驗主要分為以下步驟：

步驟1：基于實際數據設置模擬實驗的初始條件，如光伏發電量、電網負載、風力發電量等。

步驟2：分別模擬在有光伏接入、有風力發電接入和無任何新能源接入的情況下，配電網的線損變化。

步驟3：通過對比實驗結果，分析新能源電源接入對線損的影響。

表2 新能源接入對配電網變量線損的影響

結果顯示，在有光伏接入的情況下，配電網的平均變量線損為36.2 MW，有風力發電接入時平均變量線損為37.8 MW，而在沒有任何新能源接入的情況下，平均變量線損為40.3 MW。從而可以看出，新能源接入有助于減少配電網的變量線損。

此外，通過相關性分析，發現日照時長和光伏發電量呈強正相關，而溫度與線損之間的關系較為復雜，可能需要進一步的深入研究。

結論：新能源，特別是光伏電源的接入，對“陽光都市“的配電網帶來了明顯的好處，減少了線損，推動了清潔能源的使用。

3.2 基于光伏電源接入的線損優化策略推薦

面對光伏電源的大規模接入，首先需要認識到，這不僅是一個技術挑戰，而且是對電網運行機制、策略選擇和設備性能的全面考驗。

首先，考慮到光伏發電的間歇性和不穩定性，需要依賴高頻、高精度的數據采集系統。該系統不僅能夠提供實時的光伏發電數據，還能對整個配電網的運行狀態進行全面監測?；谶@些數據，可以應用先進的算法進行動態調度，例如基于深度學習的負載預測模型，確保負載的實時調整與光伏發電的波動相適應，從而減少由于出力不穩定導致的線損。

然而，僅僅依靠調度策略是不足夠的。在這里，儲能技術顯得尤為關鍵。尤其是鋰離子電池等高效儲能設備，它們可以在短時間內提供大量的儲能和釋放能量的能力，形成一個緩沖區，抵消光伏發電的波動，確保電網的穩定性。通過結合先進的電池管理系統（BMS），可以對這些儲能設備進行高效、安全的管理，進一步提高其對抗光伏發電波動的能力。

最后，對于電網的硬件設施，采用高效、低損耗的配電設備也是至關重要的。新一代的高導電率導線、高效率的配電變壓器等，都采用了先進的材料和設計，大大降低了固定線損和變量線損。而且，與傳統設備相比，它們更能適應高滲透率的光伏發電系統。

總的來說，為了應對光伏電源接入所帶來的挑戰，需要從多個維度進行考慮，結合最新的技術和策略，確保電網的高效、穩定運行。只有這樣，才能真正發揮光伏發電的潛力，為未來的可持續能源系統作出貢獻。

4 結論與未來展望

本研究深入探討了光伏電源接入對配電網線損動態的影響。從理論到實際案例分析，發現光伏電源的接入確實對配電網的線損產生了顯著影響。當光伏發電量大時，變量線損明顯減少，但在光伏發電量小或存在大幅度波動時，線損可能出現短暫的增加。通過采用儲能技術、動態調度策略和升級配電設備等方法，可以有效地降低光伏電源接入帶來的線損問題。

隨著光伏發電技術的進一步發展和普及，光伏電源接入配電網將成為普遍現象。未來的研究應進一步關注大規模光伏電源接入對電網穩定性的影響，以及如何更好地集成各種可再生能源。同時，隨著智能電網技術的發展，如何利用先進的數據分析和機器學習技術對配電網進行實時監控和優化，也將成為研究的重要方向。