光伏电源接入对配电网线损动态的影响研究

颜中秋

（徐州三新供电服务有限公司邳州分公司， 江苏 徐州 221300）

0 引言

随着全球对清洁能源和可持续发展的需求不断增长，光伏发电正迅速成为重要的能源供应形式[1]。其自然、清洁和高效的特点受到了广泛关注和积极推广。随着技术的进步和政策的支持，光伏电源接入配电网成为了必然趋势。然而，随着接入规模的扩大，其对配电网线损的影响也日益明显[2]。本研究旨在深入探讨光伏电源接入对配电网线损动态的影响，并为实际操作提供策略和建议。

1 光伏电源接入的基本原理及其与配电网的关系

1.1 光伏电源的工作原理及特点

光伏发电，是将太阳光能转化为电能的过程。当太阳光照射到太阳能电池时，该电池中的半导体材料，通常为硅或其他先进材料，会吸收光子并激发电子，使其从价带跃迁至导带[3]。这一过程导致形成电子- 空穴对，从而在外部电路中产生电流，即实现了光能到电能的转换。光伏发电的显著特点，如图1所示。

图1 光伏发电的特点

绿色与可再生：光伏发电不产生温室气体排放，是一种真正的绿色能源。

分布式特性：不同于传统大型火电或水电站，光伏可以在各种尺度上，从家用到工业规模，进行部署。

灵活配置：光伏系统可以根据需求和地理条件进行定制和配置。

1.2 光伏发电与配电网的动态互动

光伏发电的波动性主要来源于其对气象条件的依赖性。例如，日照的变化、温度的升高或降低、云层的遮挡都会对光伏输出产生影响。这种波动性在一天之内，甚至在短时间内都可能发生显著变化。这为配电网带来了一系列的挑战，如图2 所示。

图2 光伏发电对配电网带来的挑战

电网过载风险：在阳光充足的中午，光伏输出可能会突然增加，这有可能导致电网过载，尤其是在高光伏渗透的地区。

电网负载波动：突如其来的云层或其他遮挡物可能会导致光伏输出的骤减，从而导致电网的频率和电压波动。

1.3 逆变器：光伏与配电网的桥梁

为了将光伏发电系统与配电网有效连接，逆变器扮演着关键角色。它的主要任务是将光伏系统产生的直流电转化为与配电网匹配的交流电。现代逆变器还具有一些高级功能，如最大功率点跟踪（MPPT）和电网支持功能，以确保光伏输出与电网需求的最佳匹配。

然而，与此同时，逆变器也需要应对光伏发电的不确定性和波动性。这需要配电网的高级管理策略和先进的调度系统，确保光伏接入时电网的稳定性不会受到威胁。

总之，光伏电源接入与配电网的关系是复杂的，需要细致的策略和技术来确保两者的和谐共存。随着技术的进步和经验的积累，有望在保证电网稳定的同时，更好地利用这一绿色能源。

2 配电网线损动态分析

作为电力系统中的关键性能指标，配电网线损直接关联到系统的效率和可靠性。在配电阶段，线损的存在凸显了能量传输中不可避免的能量损耗[4]。其本质原因在于电力设备如导线、变压器等存在的电阻和电抗导致的电能损失。为了深入探讨其内部机制，将线损进行分类并详细分析其与光伏电源接入的关系。

2.1 固定线损与变量线损的区别与联系

1）固定线损主要源于设备的固有属性，如变压器的铁损和固定的铜损。这部分的线损与电流的幅值无关，而是由设备本身的材料和设计决定的。因此，即使在无负载或低负载的情况下，固定线损也会存在。

2）变量线损与电流的大小和方向紧密相关。它是因为设备电阻造成的I^2R 损失，这意味着当电流增加时，变量线损会呈平方增长。与负载的波动是息息相关的。

2.2 光伏电源接入对配电网线损的影响

当光伏电源接入时，它与配电网的线损有直接的因果关系。一方面，光伏电源作为一个分布式能源，可以在一定程度上减轻中心负载，从而影响变量线损的形成。例如，当阳光充足，光伏发电量大，直接供给临近负载，配电网的远程负载相应减少，导致变量线损减少。另一方面，光伏发电的不稳定性和不确定性可能对线损带来负面影响。当天气发生突变，如云层遮挡导致光伏输出骤降，电网需求突然增加，可能导致线损瞬时增大。这种情况下，电网的响应能力和调度策略将对线损的管理起到关键作用。

2.3 光伏电源接入对电网稳定性的潜在影响

虽然光伏电源带来了绿色、可再生的能源，但其不确定性也给电网稳定性带来了一定的压力。突发的光伏输出波动可能导致频率、电压等关键参数的变化，进一步影响到线损和设备的寿命。因此，在高渗透的光伏系统中，如何优化线损，确保电网稳定性，是关键技术挑战。

式中，DOECDit：OECD国家来源国的多样性指标；DIOECDit：非OECD国家来源国的多样性指标。

光伏电源接入对配电网线损有正负两面的影响。为了确保电网的稳定和高效运行，需要深入研究线损的动态特性，并采用合适的技术和策略进行管理。

3 实际案例分析与优化策略

3.1 实际案例分析

文章选择了某大型都市地区为研究对象，命名为“阳光都市”。“阳光都市”近年来大力推广光伏发电，并在5 个主要城区进行了大规模的光伏电源接入。配电网覆盖面广，连接了约2.5 百万用户，因此其对光伏电源接入的响应和线损影响代表性较强。

1）数据收集和处理：从该地区的电力公司获取了过去一个月的光伏发电数据和配电网的线损数据。数据包括每日的光伏发电量、电网的最大、最小和平均负载、固定线损和变量线损等。见表1。在数据处理阶段，使用Python 对数据进行了清洗、筛选和归类，去除了明显的异常值，确保数据的准确性和一致性。同时，对于连续多天的数据，计算了发电量和线损的月平均值。

表1 “阳光都市“2023 年6 月光伏发电与配电网负载数据

2）实验或模拟的方法与步骤：为了更加直观地展示光伏电源接入对配电网线损的影响，构建了一个配电网模型，并在MATLAB/Simulink 环境中进行了模拟实验。实验主要分为以下步骤：

步骤1：基于实际数据设置模拟实验的初始条件，如光伏发电量、电网负载、风力发电量等。

步骤2：分别模拟在有光伏接入、有风力发电接入和无任何新能源接入的情况下，配电网的线损变化。

步骤3：通过对比实验结果，分析新能源电源接入对线损的影响。

表2 新能源接入对配电网变量线损的影响

结果显示，在有光伏接入的情况下，配电网的平均变量线损为36.2 MW，有风力发电接入时平均变量线损为37.8 MW，而在没有任何新能源接入的情况下，平均变量线损为40.3 MW。从而可以看出，新能源接入有助于减少配电网的变量线损。

此外，通过相关性分析，发现日照时长和光伏发电量呈强正相关，而温度与线损之间的关系较为复杂，可能需要进一步的深入研究。

结论：新能源，特别是光伏电源的接入，对“阳光都市“的配电网带来了明显的好处，减少了线损，推动了清洁能源的使用。

3.2 基于光伏电源接入的线损优化策略推荐

面对光伏电源的大规模接入，首先需要认识到，这不仅是一个技术挑战，而且是对电网运行机制、策略选择和设备性能的全面考验。

首先，考虑到光伏发电的间歇性和不稳定性，需要依赖高频、高精度的数据采集系统。该系统不仅能够提供实时的光伏发电数据，还能对整个配电网的运行状态进行全面监测。基于这些数据，可以应用先进的算法进行动态调度，例如基于深度学习的负载预测模型，确保负载的实时调整与光伏发电的波动相适应，从而减少由于出力不稳定导致的线损。

然而，仅仅依靠调度策略是不足够的。在这里，储能技术显得尤为关键。尤其是锂离子电池等高效储能设备，它们可以在短时间内提供大量的储能和释放能量的能力，形成一个缓冲区，抵消光伏发电的波动，确保电网的稳定性。通过结合先进的电池管理系统（BMS），可以对这些储能设备进行高效、安全的管理，进一步提高其对抗光伏发电波动的能力。

最后，对于电网的硬件设施，采用高效、低损耗的配电设备也是至关重要的。新一代的高导电率导线、高效率的配电变压器等，都采用了先进的材料和设计，大大降低了固定线损和变量线损。而且，与传统设备相比，它们更能适应高渗透率的光伏发电系统。

总的来说，为了应对光伏电源接入所带来的挑战，需要从多个维度进行考虑，结合最新的技术和策略，确保电网的高效、稳定运行。只有这样，才能真正发挥光伏发电的潜力，为未来的可持续能源系统作出贡献。

4 结论与未来展望

本研究深入探讨了光伏电源接入对配电网线损动态的影响。从理论到实际案例分析，发现光伏电源的接入确实对配电网的线损产生了显著影响。当光伏发电量大时，变量线损明显减少，但在光伏发电量小或存在大幅度波动时，线损可能出现短暂的增加。通过采用储能技术、动态调度策略和升级配电设备等方法，可以有效地降低光伏电源接入带来的线损问题。

随着光伏发电技术的进一步发展和普及，光伏电源接入配电网将成为普遍现象。未来的研究应进一步关注大规模光伏电源接入对电网稳定性的影响，以及如何更好地集成各种可再生能源。同时，随着智能电网技术的发展，如何利用先进的数据分析和机器学习技术对配电网进行实时监控和优化，也将成为研究的重要方向。