豫北地區(qū)某6 MW分布式風(fēng)電場接入系統(tǒng)方案研究

張義娜，史海博，張中寬，孫慧麗，王雅楠

(國網(wǎng)河南省電力公司濮陽供電公司，河南 濮陽457000)

0 引 言

河南省受資源條件限制，長期保持著以煤電為主的能源格局。這對河南省轉(zhuǎn)變電力發(fā)展方式，積極調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，科學(xué)有序發(fā)展風(fēng)力發(fā)電提出了迫切要求。

分布式風(fēng)電開發(fā)雖為風(fēng)電消納提供了很好的解決途徑，但是隨著其在配電網(wǎng)中滲透率的提高，風(fēng)速隨機(jī)性、波動(dòng)性引發(fā)的分布式風(fēng)電出力波動(dòng)以及風(fēng)電機(jī)組自身特性將給配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、繼電保護(hù)以及電能質(zhì)量造成影響，威脅配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1)配電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，分布式風(fēng)電能為配電網(wǎng)提供一定容量的短路電流。分布式風(fēng)電接入位置的差異和裝機(jī)容量的不同將直接影響短路電流的大小，從而給配電網(wǎng)繼電保護(hù)靈敏性、選擇性帶來一定的影響，而且在某種情況下導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

2)分布式風(fēng)電場一般位于負(fù)荷中心較近位置，基于風(fēng)電機(jī)組自身的特點(diǎn)將會(huì)給配電網(wǎng)注入一定的諧波，會(huì)造成電壓閃變。隨著分布式風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的逐漸加大，配網(wǎng)諧波含量可能會(huì)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)使得風(fēng)電各分散點(diǎn)的接入點(diǎn)電壓超越上限[2]。

3)分布式風(fēng)電給配電繼電保護(hù)中設(shè)備保護(hù)定值整定和繼電保護(hù)的選擇性、靈敏性帶來影響。當(dāng)配電網(wǎng)進(jìn)行檢修或者發(fā)生故障時(shí)，隨著分布式風(fēng)電滲透率的提高，會(huì)給配網(wǎng)造成一定的負(fù)荷轉(zhuǎn)移，從而威脅整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

4)由于風(fēng)電本身的多變性、不確定性，分布式風(fēng)電接入配網(wǎng)可以將其等效看作配網(wǎng)負(fù)荷，隨著風(fēng)電出力隨機(jī)性和波動(dòng)性的加大，配網(wǎng)負(fù)荷的預(yù)測精度會(huì)下降。分布式風(fēng)電滲透率的提高，給負(fù)荷預(yù)測及制定地區(qū)發(fā)電計(jì)劃造成很大影響[3]。

5)分布式風(fēng)電接入電網(wǎng)影響電網(wǎng)中保護(hù)裝置的動(dòng)作，配電網(wǎng)故障與大電網(wǎng)分離后，若分布式風(fēng)電未及時(shí)與主網(wǎng)隔離，容易形成孤島，從而對配電網(wǎng)中的用電裝置造成威脅。

針對這些問題，對豫北地區(qū)某6 MW分布式風(fēng)電場接入系統(tǒng)方案進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的順利接入及后期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。該6 MW分布式風(fēng)電場項(xiàng)目位于某村莊附近，風(fēng)機(jī)為3×2 MW，占地面積1 200 m2。

1 接入方案選擇與系統(tǒng)方案

1.1 接入方案選擇

1.1.1 接入電壓等級分析

該6 MW分布式風(fēng)電場項(xiàng)目,周邊有一座35 kV變電站，容量為2×10 MVA，距離最近的線路為10 kV侯6號線，距項(xiàng)目位置約6.5 km，2019年10 kV侯6號線已改造，改造后為LGJ-240絕緣線；由10 kV侯6號線出的干支距風(fēng)電場項(xiàng)目約1.7 km，線路需從周邊村北頭繞行，目前線路為裸鋁導(dǎo)線，線徑為70 cm，改造后為LGJ-185絕緣線；該項(xiàng)目周邊有110 kV變電站一座，變壓器容量為40+31.5 MVA，10 kV線路距項(xiàng)目位置約12 km。綜合考慮，該6 MW分布式風(fēng)電適合接入10 kV電壓等級電網(wǎng)。

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1.1.2 負(fù)荷分析

1.1.2.1 周邊35 kV變電站

35 kV變電站，變壓器容量為2×10 MVA，距項(xiàng)目位置約6.5 km。站內(nèi)10 kV目前空余間隔1回。2019年變電站最小負(fù)荷為0.689 MW。10 kV側(cè)已接入光伏扶貧項(xiàng)目2.22 MW。其中35 kV變電站的典型年負(fù)荷、月負(fù)荷曲線圖、負(fù)荷分析柱狀圖如圖1～3所示。

圖1 35 kV變電站2019年年負(fù)荷曲線Fig.1 Annual load curve of 35 kV substation in 2019

圖2 35 kV變電站月負(fù)荷曲線Fig.2 Monthly load curve of 35 kV substation

圖3 35 kV變電站最小負(fù)荷分析柱狀圖Fig.3 Histogram of minimum load analysis of 35 kV substation

由數(shù)據(jù)分析可知，35 kV變電站最小負(fù)荷全部在6 MW以下，其中大部分時(shí)間在2～3 MW之間，且已接入光伏扶貧項(xiàng)目2.22 MW，35 kV變電站無法消納該項(xiàng)目所發(fā)電量。

1.1.2.2 周邊110 kV變電站

周邊110 kV變電站，變壓器容量為40+31.5 MVA，距項(xiàng)目位置約12 km。站內(nèi)目前10 kV空余間隔11回。排除極端少數(shù)情況，從D5000系統(tǒng)提取負(fù)荷數(shù)據(jù)。2019年該變電站35 kV側(cè)最小負(fù)荷為1.13 MW，2019年變電站10 kV側(cè)最小負(fù)荷為3.958 MW。其中110 kV變電站的典型月、日負(fù)荷曲線圖、負(fù)荷分析柱狀圖如圖4～6所示。

圖4 2019年1號變10 kV側(cè)年負(fù)荷曲線Fig.4 Annual load curve of 10 kV side of No.1 transformer in 2019

圖5 2019年2號變10 kV側(cè)年負(fù)荷曲線Fig.5 Annual load curve of 10 kV side of No.2 substation in 2019

圖6 10 kV側(cè)最小負(fù)荷分析柱狀圖Fig.6 Minimum load analysis histogram of 10 kV side

由圖4～6數(shù)據(jù)分析可知：周邊110 kV變電站10 kV側(cè)最小負(fù)荷基本均在15 MW以下，其中大部分時(shí)間在5～9 MW，且變電站10 kV側(cè)已接入光伏扶貧項(xiàng)目2.22 MW，該站消納能力不足6 MW。

周邊110 kV變電站10 kV側(cè)最小負(fù)荷在2～3 MW的有3天，3～4 MW的有13天，4～5 MW的有35天，5 MW以上的有314天，除去母線故障及其他極端情況，2019年變電站10 kV側(cè)最小負(fù)荷選取5 MW。

圖7 2019年1號變35 kV側(cè)年負(fù)荷曲線Fig.7 Annual load curve of 35 kV side of No.1 transformer in 2019

圖8 2019年2號變35 kV側(cè)年負(fù)荷曲線Fig.8 Annual load curve of 35 kV side of No.2 substation in 2019

圖9 35 kV側(cè)最小負(fù)荷分析柱狀圖Fig.9 Minimum load analysis histogram of 35 kV side

綜上考慮，35 kV變電站基本無消納空間；110 kV變電站35 kV側(cè)消納容量為2 MW，110 kV變電站10 kV側(cè)消納容量為5 MW，總體可消納該6 MW分布式風(fēng)電容量。

建議1：T接10 kV 6號線，改造后6號線為LGJ-240絕緣線；通過10 kV 6號線上返到35 kV變電站，通過周邊110 kV變電站1號線上返到110 kV變電站35 kV側(cè)、10 kV側(cè)進(jìn)行消納，符合消納原則；但6號線距風(fēng)電場位置約6.5 km，距離過遠(yuǎn)。

建議2：T接10 kV 6號線3號干支末端，改造后3號干支為LGJ-185絕緣線；通過10 kV 6號線3號干支上返到35 kV變電站，通過110 kV變電站1號線上返到110 kV變電站35 kV側(cè)、10 kV側(cè)進(jìn)行消納，符合消納原則；同時(shí)6號線3號干支末端距風(fēng)電場位置約1.7 km，距離滿足要求。

1.1.3 方案分析

建議1：風(fēng)場內(nèi)3臺風(fēng)機(jī)以一回線路T接入35 kV變電站10 kV侯6號線。

路徑經(jīng)現(xiàn)場勘查，地勢平坦，無大障礙物，路徑建設(shè)條件總體可行。

建議2：風(fēng)場內(nèi)3臺風(fēng)機(jī)以一回線路T接入35 kV變電站10 kV侯6號線干支。

路徑經(jīng)現(xiàn)場勘查，地勢平坦，線路架設(shè)需要繞過周邊村莊，從周邊村莊北頭繞行，繞行線路距干支接入點(diǎn)約1.7 km，路徑建設(shè)條件總體可行。

1.2 接入系統(tǒng)方案

1.2.1 并網(wǎng)點(diǎn)、公共連接點(diǎn)及人工解列點(diǎn)

并網(wǎng)點(diǎn)設(shè)在分布式風(fēng)電場并網(wǎng)線路10 kV側(cè)斷路器上。公共連接點(diǎn)設(shè)在“T”接點(diǎn)處，人工解列點(diǎn)設(shè)在6號線干支“T”接點(diǎn)斷路器處。

1.2.2 電氣計(jì)算

該6 MW分布式風(fēng)電場接入系統(tǒng)短路電流計(jì)算：

1)分布式風(fēng)電接入前

公共連接點(diǎn)短路電流：

IPCC=6.8 kA

公共連接點(diǎn)基準(zhǔn)電壓和并網(wǎng)點(diǎn)基準(zhǔn)電壓：

UN1=UN2=10.5 kV

并網(wǎng)點(diǎn)到公共連接點(diǎn)線路的阻抗：

XL=1.7×0.4=0.68 Ω

并網(wǎng)點(diǎn)短路電流:

式中:UN1為公共連接點(diǎn)基準(zhǔn)電壓，UN2為并網(wǎng)點(diǎn)基準(zhǔn)電壓，XL為并網(wǎng)點(diǎn)到公共連接點(diǎn)線路的阻抗。

2)分布式風(fēng)電接入后

公共連接點(diǎn)短路電流：

并網(wǎng)點(diǎn)短路電流:

并網(wǎng)點(diǎn)短路電流計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 并網(wǎng)點(diǎn)短路電流Table 1 Short circuit current of combined network point

由表1可知并網(wǎng)點(diǎn)短路電流均不大于25 kA，滿足系統(tǒng)要求。

1.2.3 主要設(shè)備選擇

1)升壓站主變。升壓用變壓器容量采用3臺2 000 kV變壓器。

2)送出線路導(dǎo)線截面。送出線路出線優(yōu)先采用架空線路，按持續(xù)允許電流并經(jīng)短路熱穩(wěn)定計(jì)算，按電壓損失校驗(yàn)，線路型號為YKLGYJ-150，長度約5 km。

3)電氣設(shè)備。10 kV T接點(diǎn)斷路器額定電流630 A，額定開斷電流25 kA。 T接點(diǎn)處需要有明顯的斷開點(diǎn)，應(yīng)配置隔離開關(guān),額定電流1 250 A。

1.2.4 無功補(bǔ)償

功率因數(shù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)在0.98(超前)～-0.98(滯后)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2 技術(shù)要求

2.1 系統(tǒng)對分布式風(fēng)電的技術(shù)要求

2.1.1 電能質(zhì)量

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出力具有波動(dòng)性和間歇性，諧波、電壓波動(dòng)、電壓不平衡度、閃變等都會(huì)對配電網(wǎng)產(chǎn)生影響[4]。

對電壓波動(dòng)進(jìn)行校驗(yàn)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定出口電壓為690 V，隨著風(fēng)速變化電壓波動(dòng)范圍為670～720 V，通過變壓器升壓后電壓波動(dòng)范圍為10.20～10.96 kV。

式中：U1、U2、UN分別為風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口變壓器10 kV側(cè)電壓最小值、最大值、額定值。

分布式風(fēng)電接入電網(wǎng)后，各個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓波動(dòng)滿足GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量供電壓波動(dòng)和閃變》10 kV電壓波動(dòng)-3%～7%的規(guī)定。

2.1.2 電壓異常時(shí)的響應(yīng)特征

依據(jù)圖10分布式電源低電壓穿越要求，接入公共電網(wǎng)的風(fēng)電類分布式電源，應(yīng)具備以下低電壓穿越能力，接入用戶側(cè)的分布式電源不要求具備低電壓穿越能力。

圖10 分布式電源低電壓穿越要求Fig.10 Low voltage ride through requirements of distributed power supply

并網(wǎng)點(diǎn)考核電壓在圖10中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)，分布式電源應(yīng)該保持并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)；否則，允許分布式電源切出。

2.2 繼電保護(hù)

2.2.1 線路保護(hù)

配置原則：為保障供電可靠性，減少停電范圍，宜在分布式風(fēng)電側(cè)及T接點(diǎn)處斷路器各配置1套線路過流保護(hù),如圖11所示，用于10 kV T接線路。校核系統(tǒng)側(cè)變電站保護(hù)定值，做出適當(dāng)調(diào)整。所需一次設(shè)備清單見表2。

表2 一次設(shè)備清單Table 2 Primary equipment list

圖11 繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置配置示意圖Fig.11 Schematic diagram of system relay protection and safety automatic device configuration

2.2.2 安全自動(dòng)裝置

在分布式風(fēng)電側(cè)設(shè)安全自動(dòng)裝置，目的是在頻率和電壓異常的時(shí)候，可以及時(shí)跳開分布式風(fēng)電側(cè)斷路器。

2.2.3 設(shè)備清單

系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置配置清單詳見表3。

表3 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置設(shè)備清單Table 3 Relay protection and safety automatic equipment list

2.3 調(diào)度自動(dòng)化

2.3.1 調(diào)度自動(dòng)化配置及要求

2.3.1.1 電能計(jì)量

1)產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)。產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)置在侯6號侯西線T接點(diǎn)斷路器處。

2)安裝位置與要求。應(yīng)在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)置關(guān)口計(jì)量電能表。

3)技術(shù)要求。電能量計(jì)量裝置的配置和技術(shù)要求應(yīng)符合DL/T448和DL/T614的要求。要求有關(guān)10 kV高壓計(jì)量電流互感器變比為400/5，電壓互感器變比為10 000/100。

2.3.1.2 計(jì)量信息統(tǒng)計(jì)與傳輸

應(yīng)在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)配備用電信息采集終端1塊，電能量數(shù)據(jù)通過采集終端上傳至河南省電力公司用電信息采集系統(tǒng)。

2.3.1.3 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置

電能質(zhì)量數(shù)據(jù)通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳至濮陽市地調(diào)調(diào)度端。

2.3.1.4 遠(yuǎn)動(dòng)信息內(nèi)容

分布式風(fēng)電向電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)提供的信號至少應(yīng)該包括：分布式風(fēng)電并網(wǎng)狀態(tài)；分布式風(fēng)電有功和無功輸出、發(fā)電量、功率因數(shù)；并網(wǎng)點(diǎn)分布式風(fēng)電升壓變10 kV側(cè)電壓和頻率、注入電網(wǎng)的電流；變壓器分接頭檔位、主斷路器開關(guān)狀態(tài)等[5]。系統(tǒng)側(cè)不增加新的間隔和出線，遠(yuǎn)動(dòng)信息不變。

2.3.1.5 遠(yuǎn)動(dòng)信息傳輸

分布式風(fēng)電的遠(yuǎn)動(dòng)信息傳送到濮陽市地調(diào)調(diào)度端，采用專網(wǎng)方式。一般可采取基于DL/T 634.5101和DL/T 634.5104通信協(xié)議。

2.3.2 設(shè)備清單

表4為所需設(shè)備清單。

表4 設(shè)備清單Table 4 Equipment list

2.4 系統(tǒng)通信

2.4.1 通信方案

分布式風(fēng)電場至35 kV變電站新架10 kV電力線路敷設(shè)1根ADSS-12B1光纜，長度約為5 km；35 kV變電站至110 kV變電站新架35 kV電力線路敷設(shè)1根ADSS-24B1光纜，長度約為10 km。

通信系統(tǒng)建議采用SDH光傳輸系統(tǒng)方案。在分布式風(fēng)電場及系統(tǒng)側(cè)分別配置1臺SDH 155 M光端機(jī)，在風(fēng)電場和調(diào)度端分別增加1套PCM接入設(shè)備，話機(jī)1部，將分布式風(fēng)電場的通信、自動(dòng)化、信息等業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)，形成分布式風(fēng)電至系統(tǒng)的通信通道。

通信設(shè)備供電采用站內(nèi)直流系統(tǒng)通過DC/DC或UPS為設(shè)備供電。

通信需求：自動(dòng)化通道業(yè)務(wù)(需要2個(gè)通道)、1部調(diào)度電話、電廠三區(qū)業(yè)務(wù)接入。

接入方式:SDH 和三層交換機(jī)的傳輸路徑是從分布式風(fēng)電場至35 kV變電站，從35 kV變電站至110 kV變電站，從110 kV變電站接到臺前縣調(diào)，進(jìn)而將信息傳遞到濮陽市地調(diào)。

2.4.2 主要設(shè)備材料清單

采用同步數(shù)字體系方案，主要設(shè)備清單見表5。

表5 系統(tǒng)通信設(shè)備材料清單Table 5 System communication equipment material list

3 結(jié) 語

針對某6 MW分布式風(fēng)電場能源消納不足的現(xiàn)狀，制定接入系統(tǒng)方案，通過計(jì)算公共連接點(diǎn)及并網(wǎng)點(diǎn)短路電流數(shù)值，驗(yàn)證了分布式風(fēng)電場接入方案的有效性與建設(shè)路徑的可行性；通過控制電能質(zhì)量影響因素，確保并網(wǎng)點(diǎn)在電壓輪廓線及以上區(qū)域；通過在分布式風(fēng)電側(cè)及T接點(diǎn)處配置線路過流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)；通過在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)設(shè)置關(guān)口計(jì)量電能表，實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化；通過采用SDH方案，將分布式風(fēng)電場接入系統(tǒng)，形成分布式風(fēng)電至系統(tǒng)的通信通道。

分布式風(fēng)電場接入系統(tǒng)可以起到降低網(wǎng)損、改善電壓分布、提高供電可靠性、減輕環(huán)境污染等作用。從變電站規(guī)劃、負(fù)荷等因素出發(fā),制定分布式風(fēng)電場接入系統(tǒng)方案，綜合考慮豫北地區(qū)具體情況，統(tǒng)籌考慮，保障風(fēng)電場順利接入及后期穩(wěn)定運(yùn)行，提高了能源消納率，為分布式風(fēng)力發(fā)電的配電網(wǎng)規(guī)劃問題提供參考。