[论文解读] Physical Effects of Distributed PV Generation on California's Distribution System

Michael A. Cohen, Duncan S. Callaway|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Optimal Power Flow Distribution参考文献 9被引用 8

一句话总结

本研究使用高分辨率（1分钟）光伏发电数据，模拟了三种加州气候下24条配电网馈线在高渗透率分布式光伏发电下的物理影响。研究发现，馈线类型主要影响损耗降低和电压调节器运行，而气候对反向潮流、峰值负荷降低和电压越限的影响最为显著，即使在100%光伏渗透率下，大多数馈线仍表现出最小的负面影响。

ABSTRACT

Deployment of high-penetration photovoltaic (PV) power is expected to have a range of effects -- both positive and negative -- on the distribution grid. The magnitude of these effects may vary greatly depending upon feeder topology, climate, PV penetration level, and other factors. In this paper we present a simulation study of eight representative distribution feeders in three California climates at PV penetration levels up to 100\%, supported by a unique database of distributed PV generation data that enables us to capture the impact of PV variability on feeder voltage and voltage regulating equipment. When comparing the influence of feeder location (i.e. climate) versus feeder type on outcomes, we find that location more strongly influences the incidence of reverse power flow, reductions in peak loading and the presence of voltage excursions. On the other hand, we find that feeder characteristics more strongly influence the magnitude of loss reduction and changes in voltage regulator operations. We find that secondary distribution transformer aging is negligibly affected in almost all scenarios.

研究动机与目标

• 评估在不同气候和馈线类型下，高渗透率分布式光伏对配电网馈线的物理影响。
• 评估由云层瞬变和地理分布引起的光伏波动对电压调节、损耗和设备磨损的影响。
• 识别系统特性（气候与馈线拓扑）中对关键配电网结果影响最大的因素。
• 通过量化效益（损耗降低、峰值负荷降低）与风险（电压越限、设备磨损）之间的权衡，为电力公司规划和政策制定提供依据。

提出的方法

• 使用GridLAB-D（一种配电网仿真平台）对三种加州气候（伯克利、洛杉矶、萨克拉门托）下的24条配电网馈线进行仿真。
• 应用全年高分辨率（1分钟）实际光伏发电数据，数据源自住宅和小型商业系统。
• 评估关键指标：电阻损耗、峰值负荷降低、反向潮流发生次数、电压幅值偏差、电压调节器操作次数以及配电变压器老化情况。
• 通过对比不同馈线类型（城市、郊区、农村）和气候条件下的结果，分离出地理位置与拓扑结构的影响。
• 采用与实测数据匹配的基准负荷曲线，以提高仿真的保真度。
• 通过将光伏渗透率从0%变化至100%进行敏感性分析，以评估极端场景下的趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 光伏渗透率水平如何影响不同馈线类型和气候条件下电阻损耗的变化？
• RQ2 气候（如太阳辐照度模式）与馈线拓扑在决定反向潮流发生频率方面各自发挥什么作用？
• RQ3 随着分布式光伏渗透率的提高，电压调节设备的操作行为如何变化？
• RQ4 电压越限程度在多大程度上随光伏渗透率增加而上升？哪些系统特性驱动这些偏差？
• RQ5 分布式光伏对电压调节器的机械磨损以及配电变压器的老化有何影响？

主要发现

• 在大多数馈线中，电阻损耗在光伏渗透率达到100%之前持续下降，且馈线类型是决定总损耗降低幅度的主导因素。
• 气候对反向潮流发生频率和峰值负荷降低的影响强于馈线类型，萨克拉门托地区表现出最高的反向潮流和负荷降低。
• 在高光伏渗透率下，萨克拉门托馈线的电压越限显著增加，表明地理位置（气候）是电压稳定性问题的主要驱动因素。
• 大多数馈线中，电压调节器操作变化小于基准值的10%，变化方向（增加或减少）取决于馈线类型，而非气候。
• 在几乎所有情景下，配电变压器的二次侧老化可忽略不计，表明对资产寿命影响极小。
• 无论拓扑结构如何，萨克拉门托馈线均出现最严重的电压问题，表明地理和气候因素（如太阳辐射变化和云层瞬变）是电压不稳定的关键驱动因素。