分布式風(fēng)電場(chǎng)分組可調(diào)分散并網(wǎng)方案

王劍，姚天亮，鄭昕，楊德洲，吳興全

(1.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州市，730050；2.甘肅省電力公司，蘭州市，730050)

0 引言

我國(guó)的風(fēng)電并網(wǎng)一直致力于“大基地［1-3］融入大電網(wǎng)”，“十一五”期間，國(guó)家電網(wǎng)公司大力推進(jìn)特高壓聯(lián)網(wǎng)工程，由于風(fēng)場(chǎng)空間布局遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，形成了由西北地區(qū)電源送端向東中部負(fù)荷受端遠(yuǎn)距離輸電的格局，致使風(fēng)電基地有約1/3容量在消納和外送方面［4-5］存在“卡脖子”和限電現(xiàn)象，且風(fēng)電大規(guī)模匯集集中外送方案存在諸多問題。例如，甘肅“2.24”酒泉風(fēng)電事故導(dǎo)致598臺(tái)風(fēng)電機(jī)組瞬間同時(shí)脫網(wǎng)，這暴露了風(fēng)電集中并網(wǎng)存在設(shè)備缺陷、風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)管理、電網(wǎng)接入等諸多亟待完善的問題。

“十二五”期間，中國(guó)風(fēng)電將調(diào)整發(fā)展思路為“集中式+分布式”，分布式風(fēng)電到2015年裝機(jī)將達(dá)到30 GW，約占目標(biāo)裝機(jī)容量的30％。分布式風(fēng)電開發(fā)也轉(zhuǎn)向低風(fēng)速的內(nèi)陸風(fēng)資源欠豐富地區(qū)，一般為裝機(jī)容量在數(shù)kW至數(shù)十MW的中小型風(fēng)場(chǎng)。這些風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)是接近配電網(wǎng)負(fù)荷受端的末梢，如果能夠因地制宜地在配電網(wǎng)末端選擇合理的分散接入點(diǎn)，不僅節(jié)省高壓上網(wǎng)線路和升壓站的投資，而且可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電出力與當(dāng)?shù)刎?fù)荷的就地平衡［6-8］，風(fēng)電出力不需要穿越高電壓等級(jí)的主變上網(wǎng)，可有效減緩配電網(wǎng)主變?cè)鋈輭毫Α?/p>

基于上述思路，本文結(jié)合華能陜西定邊狼爾溝9 MW分布式示范風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了一種分布式風(fēng)電場(chǎng)在配電網(wǎng)末端靈活并網(wǎng)的方案，研究了分散接入方式在風(fēng)電出力就地平衡、改進(jìn)電氣主接線、配電網(wǎng)電壓支撐效益、無功補(bǔ)償優(yōu)化等關(guān)鍵問題，可為類似工程提供參考。

1 分布式風(fēng)電場(chǎng)分散并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1 風(fēng)電場(chǎng)概況

華能定邊狼爾溝9 MW分布式示范風(fēng)電場(chǎng)是國(guó)家特批的大型分布式示范風(fēng)電場(chǎng)之一。該風(fēng)場(chǎng)風(fēng)功率密度等級(jí)為Ⅱ級(jí)，平均風(fēng)功率密度為277W/m2，主風(fēng)向和主風(fēng)能方向?yàn)槟巷L(fēng)，風(fēng)速春冬季大，夏秋季小。狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)安裝6臺(tái)1.5 MW的MY1.5SE-82型風(fēng)機(jī)，機(jī)組采用直線型規(guī)則布置，出口電壓0.69 kV，風(fēng)機(jī)與6臺(tái)1.6 MVA箱式升壓變采用一機(jī)一變的單元接線方式。

狼爾溝分布式示范風(fēng)電場(chǎng)的工程價(jià)值在于探索分布式風(fēng)電發(fā)展思路，特別是研究分布式風(fēng)電的并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、并網(wǎng)特性，為發(fā)展分布式風(fēng)電積累經(jīng)驗(yàn)。

1.2 接入系統(tǒng)方案

接入電網(wǎng)基本情況定邊電網(wǎng)有定邊變、磚井變、張梁變3座110 kV變電站，全部依靠寧夏電網(wǎng)330 kV鹽州變遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)供負(fù)荷，電網(wǎng)電壓較低(110 kV以下)。3座公網(wǎng)變距離風(fēng)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，35 kV接入條件不理想。有利的條件是，狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)恰好處在張梁變和磚井變的10 kV出線113和129線路末端，供電距離分別長(zhǎng)達(dá)19.8 km和17.5 km，導(dǎo)線截面較小，且末端油氣開采感性負(fù)荷的比重約為90％，無功缺額較大，導(dǎo)致末端電壓非常低，10 kV線路重載，網(wǎng)損較大。

考慮到電網(wǎng)現(xiàn)狀及風(fēng)電場(chǎng)分布式示范意義，接入點(diǎn)選擇原則為風(fēng)力發(fā)電就地平衡不上網(wǎng)，并提升10 kV配電網(wǎng)末端電壓，電網(wǎng)企業(yè)支持采用T接方案。狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)方案見圖1。

圖1 狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)接入方案Fig.1 Access program for Langergou w ind farm s

1.3 分組可調(diào)改進(jìn)電氣主接線

磚井變129線(接入點(diǎn)1)主要為油氣開采和農(nóng)灌負(fù)荷，夏秋季負(fù)荷大。張梁變113線(接入點(diǎn)2)主要為油氣開采和城市負(fù)荷，冬春季負(fù)荷大。

考慮到接入點(diǎn)1、2的負(fù)荷具有季節(jié)性互補(bǔ)特點(diǎn)，為了保證風(fēng)電出力就地平衡不上網(wǎng)，并提高風(fēng)電上網(wǎng)的靈活性和可靠性，針對(duì)狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)電氣主接線進(jìn)行改進(jìn)，擯棄了常規(guī)的單母分段接線，基于雙母線接線進(jìn)行簡(jiǎn)化，提出了一種分組可調(diào)的并網(wǎng)方案。風(fēng)電場(chǎng)開關(guān)站電氣主接線見圖2。

圖2 分布式風(fēng)電分組可調(diào)電氣主接線Fig.2 Group adjustablemain electricalw iring of distributed w ind farm s

以上分組可調(diào)改進(jìn)主接線，簡(jiǎn)化掉雙母線接線的母聯(lián)開關(guān)，禁止母線和2條上網(wǎng)線路并列運(yùn)行。考慮到10 kV開關(guān)柜實(shí)施雙母線接線工藝難度大，且風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)較少，設(shè)計(jì)推薦減少開關(guān)、多用刀閘。推薦采用停機(jī)手動(dòng)切換方式改變分組上網(wǎng)方案以節(jié)省投資。

風(fēng)機(jī)分組運(yùn)行方式調(diào)整：根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)荷大小正常運(yùn)行方式下6臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以(2臺(tái)，4臺(tái))組合方式分別T接在磚井變的10 kV新129線和張梁變的10 kV新113線上，新建2條送出線路長(zhǎng)度約為6.5 km和5 km。

為了保證6臺(tái)風(fēng)機(jī)發(fā)電出力的完全就地平衡，針對(duì)新129線和新113線2條上網(wǎng)線路負(fù)荷預(yù)測(cè)，風(fēng)機(jī)可以有(1臺(tái)，5臺(tái))、(2臺(tái)，4臺(tái))、(3臺(tái)，3臺(tái))3種組合運(yùn)行方式，完全能夠適應(yīng)負(fù)荷的發(fā)展及季節(jié)性變化。

1.4 可調(diào)分散并網(wǎng)方案對(duì)電網(wǎng)的影響

1.4.1 基于負(fù)荷變化的風(fēng)電就地平衡

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的出力特性，華能狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)出力冬春季較大，夏秋季較小，故冬大、冬小方式下最大出力按9 MW計(jì)算，夏大、夏小方式下最大出力按7 MW考慮。

表1為典型運(yùn)行方式下風(fēng)機(jī)分組并網(wǎng)方案，可以看出夏小和冬大方式下2個(gè)接入點(diǎn)負(fù)荷相對(duì)比例相似，分組并網(wǎng)方案為(2臺(tái)，4臺(tái))組合；夏大方式負(fù)荷相當(dāng)，采用(3臺(tái)，3臺(tái))組合；冬小方式下負(fù)荷相差較大，采用(1臺(tái)，5臺(tái))組合，基本能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電出力在129線和113線上就地平衡消納，無需穿越110 kV磚井變和張梁變10 kV母線，不占用主變?nèi)萘俊?/p>

表1 典型運(yùn)行方式下風(fēng)機(jī)分組并網(wǎng)方案的接入點(diǎn)負(fù)荷Tab.1 G roup grid-connected scheme of fans under typical operating modes MW

表1從宏觀調(diào)整上，就不同季節(jié)風(fēng)電最大出力和典型方式下最大負(fù)荷，給出了風(fēng)電就地平衡的組合解決方案，是通過改變風(fēng)機(jī)匯集分組和電氣一次設(shè)備接線方式實(shí)現(xiàn)的。

而從微觀調(diào)整的角度出發(fā)，考慮典型日24 h內(nèi)負(fù)荷的峰谷特性，風(fēng)電出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，此時(shí)風(fēng)電與負(fù)荷的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)問題可以通過配置電氣二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)電場(chǎng)加裝1套有功功率的控制裝置，能夠根據(jù)調(diào)度指令控制其有功輸出。原理是依據(jù)風(fēng)能預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和調(diào)度負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，對(duì)多臺(tái)風(fēng)機(jī)下達(dá)控制策略，風(fēng)機(jī)通過動(dòng)態(tài)改變?nèi)~片漿距角和功率因數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷峰谷差的補(bǔ)償。如果在負(fù)荷低谷時(shí)風(fēng)電大發(fā)，適當(dāng)壓低風(fēng)機(jī)出力，在負(fù)荷高峰時(shí)風(fēng)電盡可能多發(fā)。總體來看，風(fēng)電平均出力在裝機(jī)容量的50％以下的概率很大，因此需要限制風(fēng)電出力的時(shí)間概率很小。

1.4.2 無功補(bǔ)償配置計(jì)算

根據(jù)榆林電網(wǎng)公司的要求，在電網(wǎng)無功缺額或故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)能夠?yàn)殡娋W(wǎng)提供無功電壓支撐。

設(shè)計(jì)考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行特性和電網(wǎng)末端電壓較低的實(shí)際情況。為補(bǔ)償華能定邊狼爾溝9 MW分布式示范風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)需要的無功損耗，并對(duì)接入10 kV線路的無功損耗和電壓起到一定的補(bǔ)償和提升作用，經(jīng)計(jì)算，推薦10 kV母線甲和10 kV母線乙上分別安裝1套無功補(bǔ)償裝置，共計(jì)2套，安裝容量均為3.0(容性)～1.5 Mvar(感性)，能夠滿足6臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的不同組合運(yùn)行方式對(duì)無功補(bǔ)償?shù)囊蟆＝ㄗh無功補(bǔ)償裝置安裝感性容量足夠大、補(bǔ)償電容容量后能呈現(xiàn)50％的感性容量。

推薦采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，要求響應(yīng)時(shí)間小于20 ms，同時(shí)應(yīng)兼顧諧波治理功能，風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)濾波支路不能退出。

考慮到風(fēng)機(jī)并網(wǎng)啟動(dòng)過程中要消耗系統(tǒng)的有功和無功功率，建議風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)前先投運(yùn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，能夠保證下網(wǎng)廠用電功率因數(shù)滿足電網(wǎng)要求。

分布式風(fēng)電采用分散方案接入時(shí)，考慮到配電網(wǎng)自然功率因數(shù)較低，建議相對(duì)集中式并網(wǎng)方案，適度加大動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償度。

即使風(fēng)電場(chǎng)停運(yùn)，應(yīng)盡可能保證動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和濾波支路不退出，以便獲得更好的電壓支撐效益和諧波抑制效果。

1.4.3 電壓支撐效益

狼爾溝風(fēng)電場(chǎng)MY1.5SE-82型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍為－0.95～+0.95。風(fēng)電場(chǎng)無功出力按功率因數(shù)0.98考慮，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償配置為容性3.0 Mvar。

分以下4種情況計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)不同無功出力情況下對(duì)分散接入點(diǎn)電壓支撐效果［9-10］：(1)接入風(fēng)電場(chǎng)之前；(2)考慮風(fēng)機(jī)無功出力，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償不投運(yùn)； (3)考慮風(fēng)機(jī)無功出力，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償投運(yùn)；(4)風(fēng)電場(chǎng)停運(yùn)，無功補(bǔ)償投運(yùn)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)電場(chǎng)無功出力不同時(shí)電壓值Tab.2 Voltage under different reactive power of w ind farm

對(duì)比計(jì)算結(jié)果，可以看出：風(fēng)電場(chǎng)接入前由于感性負(fù)荷比例較大，2條10 kV線路末端最低電壓均低于規(guī)程允許值運(yùn)行。如果考慮風(fēng)機(jī)無功出力和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，在風(fēng)電場(chǎng)最大出力時(shí)113線和129線出口和末端電壓最高可抬高0.22 kV和4.65 kV，接近基準(zhǔn)電壓值。即使風(fēng)電場(chǎng)停運(yùn)，無功補(bǔ)償不退，2條10 kV線路出口和末端電壓最大也可抬高0.1 kV和1.24 kV。總之，風(fēng)電場(chǎng)接入后，不論無功出力如何都能改善定邊縣城周邊供電質(zhì)量。

2 大型風(fēng)電場(chǎng)分散接入方案應(yīng)用構(gòu)想

2個(gè)50 MW風(fēng)電場(chǎng)集中并網(wǎng)方案常規(guī)電氣主接線見圖3。采用單母分段接線，2組無功補(bǔ)償，2組接地變加消弧線圈。

圖3 常規(guī)集中并網(wǎng)方案電氣主接線Fig.3 M ain electricalw iring of grid-connected integration program

關(guān)于分組可調(diào)分散接入方案推廣至2個(gè)50 MW風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用，就風(fēng)機(jī)匯集方案和改進(jìn)電氣主接線，本文提出如下方案。

假設(shè)裝機(jī)時(shí)，選擇單機(jī)2 MW風(fēng)機(jī)，分散接入點(diǎn)選擇2個(gè)110 kV變電站，典型方式下，負(fù)荷變化范圍為10～45 MW，且負(fù)荷季節(jié)特性具有互補(bǔ)性，則推薦分組方案和改進(jìn)電氣主接線見圖4。

圖4 分組可調(diào)分散并網(wǎng)方案改進(jìn)電氣主接線Fig.4 Improving main electricalw iring of group ad justable dispersal grid-connected program

圖4中，改進(jìn)電氣主接線運(yùn)行方式靈活多變，2個(gè)50 MW風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部匯集線路3條，風(fēng)機(jī)匯集方案分別為(3臺(tái)、7臺(tái)、9臺(tái))和(2臺(tái)、8臺(tái)、10臺(tái))，針對(duì)2個(gè)110 kV站接入風(fēng)電容量，其組合可以有10、18、22、24、26、30、34、36、40 MW等，可選擇空間大，可以滿足夏大、夏小、冬大、冬小等典型運(yùn)行方式下風(fēng)電場(chǎng)出力的就地平衡，適應(yīng)受端負(fù)荷變化能力較強(qiáng)，風(fēng)電無需穿越主變上網(wǎng)。

考慮到主變中壓側(cè)接線組別與消弧線圈相關(guān)，因此推薦采用三卷變，10 kV側(cè)用于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置和所用變壓器，有利于降低投資。主變35 kV側(cè)均采用星星接線，中性點(diǎn)共用1個(gè)消弧線圈［11］。

3 結(jié)語

分布式風(fēng)電就地平衡消納是未來風(fēng)電的發(fā)展方向，探索研究靈活分散接入方案對(duì)分布式風(fēng)電的發(fā)展至關(guān)重要，分散并網(wǎng)是較新穎的嘗試。相對(duì)于常規(guī)集中并網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，建議分布式風(fēng)電場(chǎng)適度加大動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償度，加強(qiáng)并網(wǎng)過程和停機(jī)后無功補(bǔ)償裝置的投入管理，對(duì)配電網(wǎng)末端電壓支撐效果和下網(wǎng)廠用電功率因數(shù)的提高有積極作用。

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