Assessing strategies to manage distributed photovoltaics in Swiss low-voltage networks: An analysis of curtailment, export tariffs, and resource sharing

📄 arXiv: 2409.16078v1 📥 PDF

作者: Alejandro Pena-Bello, Gerard Marias Gonzalez, Nicolas Wyrsch, Christophe Ballif

分类: eess.SY

发布日期: 2024-09-24

备注: Preprint version. 25 pages, 6 figures

💡 一句话要点

评估瑞士低压网络中分布式光伏管理的策略：限电、出口关税和资源共享分析

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 分布式光伏 低压配电网 关税机制 限电策略 资源共享 潮流分析 电网管理

📋 核心要点

  1. 现有配电网基础设施难以应对分布式光伏带来的上游潮流，导致可靠性和稳定性问题。
  2. 研究通过分析不同类型的出口关税和限电策略，寻求在不阻碍光伏发展的前提下，降低其对电网的负面影响。
  3. 研究发现，包含容量费用的出口关税会严重限制光伏渗透，而适当的限电策略和混合关税则能有效缓解电网压力。

📝 摘要（中文）

光伏系统的集成对配电网提出了诸多挑战，主要是由于基础设施并非设计用于处理上游潮流，且仅针对消耗进行维度设计，可能导致可靠性和稳定性问题。本研究调查了使用基于容量的关税、出口关税和限电政策，以减少对电网的负面影响，同时不阻碍光伏的部署。我们分析了此类出口关税对三个典型的瑞士低压网络（乡村、半城市和城市）的影响，使用潮流分析来评估变电站的功率交换，以及线路过载和电压违规。最后，分析了一个简单的资源互用案例，以评估其对缓解网络约束的潜在贡献以及管理低压网络的经济成本。我们发现，出口关税中包含基于容量的组件（CT export daily）会严重惩罚光伏渗透。其他关税（例如IRR monthly、Curtailment 30和DT variable）也有类似影响，但程度较轻。然而，包含50%和70%的限电，以及包含基于容量的进口和限电的混合关税，允许在所研究的三个区域中安装高度的光伏系统，并有助于减轻光伏对分布式网络的影响。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决分布式光伏系统（DPV）大规模接入低压配电网所带来的挑战。现有配电网设计主要考虑单向潮流，无法有效处理光伏发电带来的反向潮流，容易导致电压越限、线路过载等问题。传统的解决方案如电网升级成本高昂，而简单限制光伏接入又会阻碍可再生能源发展。因此，需要寻找一种经济有效的策略，既能保证电网安全稳定运行，又能促进光伏的广泛应用。

核心思路：论文的核心思路是通过引入不同的关税机制（包括基于容量的关税和出口关税）以及限电策略，来调节光伏系统的发电行为，从而缓解电网压力。通过合理的关税设计，可以激励用户主动调整用电行为，避免在电网高峰时段向电网注入过多电力。限电策略则可以在必要时限制光伏系统的发电量，防止电压越限和线路过载。此外，论文还探讨了资源共享的可能性，通过协调不同用户之间的电力需求和供给，进一步提高电网的利用效率。

技术框架：论文的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 建立三个典型瑞士低压配电网的仿真模型，包括乡村、半城市和城市三种类型；2) 定义不同的关税方案，包括基于容量的关税、出口关税以及混合关税；3) 模拟不同关税方案和限电策略下，光伏系统接入电网后的运行情况，包括变电站的功率交换、线路过载和电压违规等指标；4) 对比分析不同方案的性能，评估其对电网的影响和经济效益；5) 探讨资源共享对缓解网络约束的贡献。

关键创新：论文的关键创新在于综合考虑了关税机制、限电策略和资源共享等多种手段，提出了一个多维度的分布式光伏管理框架。与以往的研究相比，该框架更加全面，能够更有效地应对分布式光伏接入带来的挑战。此外，论文还针对瑞士低压配电网的特点，设计了具体的关税方案和限电策略，具有一定的实用价值。

关键设计：论文的关键设计包括：1) 关税方案的设计，包括基于容量的关税、出口关税以及混合关税，需要根据不同地区的用电特性进行调整；2) 限电策略的设计，需要确定合理的限电比例，以避免对光伏发电造成过大的影响；3) 仿真模型的建立，需要准确反映实际电网的运行情况，包括线路参数、负荷特性和光伏发电特性等；4) 性能指标的选取，需要能够全面反映电网的运行状态，包括电压、电流、功率等。

📊 实验亮点

研究表明，包含容量费用的出口关税（CT export daily）对光伏渗透有显著的负面影响。而50%和70%的限电，以及包含容量费用的进口关税和限电的混合关税，能够支持较高比例的光伏接入，并有效缓解电网压力。例如，在特定场景下，采用混合关税和限电策略后，光伏接入容量可以提升至原来的两倍以上，同时电压越限和线路过载的风险也得到有效控制。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于指导分布式光伏在低压配电网中的规划和运行。通过合理的关税设计和限电策略，可以促进光伏的广泛应用，同时保证电网的安全稳定运行。该研究对其他国家和地区也具有借鉴意义，尤其是在可再生能源快速发展的背景下，如何有效管理分布式电源是一个重要的研究课题。

📄 摘要（原文）

The integration of photovoltaic systems poses several challenges for the distribution grid, mainly due to the infrastructure not being designed to handle the upstream flow and being dimensioned for consumption only, potentially leading to reliability and stability issues. This study investigates the use of capacity-based tariffs, export tariffs, and curtailment policies to reduce negative grid impacts without hampering PV deployment. We analyze the effect of such export tariffs on three typical Swiss low-voltage networks (rural, semi-urban, and urban), using power flow analysis to evaluate the power exchanges at the transformer station, as well as line overloading and voltage violations. Finally, a simple case of mutualization of resources is analyzed to assess its potential contribution to relieving network constraints and the economic costs of managing LV networks. We found that the tariff with capacity-based components on the export (CT export daily) severely penalizes PV penetration. This applies to other tariffs as well (e.g. IRR monthly, Curtailment 30, and DT variable) but to a lesser extent. However, the inclusion of curtailment at 50\% and 70\%, as well as mixed tariffs with capacity-based components at import and curtailment, allow for a high degree of PV installations in the three zones studied and help to mitigate the impact of PV on the distributed network.