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  山东大学学报(工学版)  2017, Vol. 47 Issue (6): 77-82  DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.492
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引用本文 

丛旖旎, 曹增功, 牟宏, 王春义, 刘玉田. 百万千瓦级滩涂光伏电站接入电网分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(6): 77-82. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.492.
CONG Yini, CAO Zenggong, MU Hong, WANG Chunyi, LIU Yutian. Scheme analysis on GW-scale coastal mud flat PV system connected to power grid[J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2017, 47(6): 77-82. DOI: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2016.492.

基金项目

国网山东省电力公司科技资助项目(31390011391616)

作者简介

丛旖旎(1992-),女,山东烟台人,硕士研究生,主要研究方向为新能源并网. E-mail: cyn0907@163.com

通讯作者

刘玉田(1964-),男,山东青州人,教授,博导,博士,主要研究方向午力系统运行与控制. E-mail: liuyt@sdu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2016-12-26
网络出版时间:2017-06-26 14:10:51
百万千瓦级滩涂光伏电站接入电网分析
丛旖旎1, 曹增功2, 牟宏2, 王春义2, 刘玉田1     
1. 山东大学电气工程学院, 山东 济南 250061;
2. 国网山东省电力公司, 山东 济南 250001
摘要:为了减小百万千瓦级滩涂光伏接入对电网的影响, 保证电网的安全稳定经济运行, 分析了百万千瓦级滩涂光伏电站接入电网的不同方案, 提出将百万千瓦级光伏电站分午气上相对独立又相互关聊两部分, 分别就近接入两个变电站的220 kV侧, 并给出了其接入电网的基本原则, 既满足了大规模光伏接入的需要, 又保障了电网的安全稳定运行。以山东电网为例, 从潮流分布、静态安全和暂态稳定等方面验证了所提并网方案的可行性。
关键词光伏发电    并网方案    潮流分布    静态安全    暂态稳定    
Scheme analysis on GW-scale coastal mud flat PV system connected to power grid
CONG Yini1, CAO Zenggong2, MU Hong2, WANG Chunyi2, LIU Yutian1     
1. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China;
2. State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250001, Shandong, China
Abstract: In order to reduce the effect of connecting GW-scale coastal mud flat photovoltaic (PV) system to the power grid and to ensure the secure, stable as well as economical operation of the power grid, different connection schemes of connecting GW-scale coastal mud flat PV system to the power grid were analyzed. It was proposed that GW-scale coastal mud flat PV system was divided into two parts, which were electrically independent but correlative, and they were connected to the 220 kV sides of two nearby substations. The fundamental principle of connecting GW-scale PV system to the power grid was proposed. It not only satisfied the requirement of connecting large-scale PV system to the power grid, but also ensured the secure and stable operation of the power grid. The case study of Shandong power grid verified the feasibility of the proposed connection scheme in aspects of the load flow distribution, static security and transient stability.
Key words: PV power generation    connection schemes    load flow distribution    static security    transient stability    
0 引言

随着能源短缺和环境污染的加重, 光伏发电已在世界范围内普及[1], 主要表现为分布式和集中式。分布式发电装机容量小, 多为自发自用, 部分余额并网; 而集中式发电的单个并网点装机容量从几十到几百兆瓦不等, 适用于滩涂、荒漠等光伏电站, 所发电能经变压器升压后, 由高压输电线路汇入大电网。集中式光伏由于装机容量较大, 会在频率、电压和功角等方面对系统造成不容忽视的影响[2-5]。文献[6]从光伏系统建模、电网安全稳定运行和外送消纳技术等方面总结了大规模光伏接入对电力系统的影响。文献[7]以加拿大的安大略省为算例, 从电压稳定、暂态稳定和经济评估等方面分析比较了光伏集中式和分散式接入电网后对电网产生的不同影响。文献[8]以美国西部局部电网为例, 分析了光伏渗透率不同时母线电压的变化情况, 并观察暂态功角、电压和频率的变化情况, 分析了大规模光伏接入后对系统安全稳定性的影响。国内外专家学者多专注于研究大规模光伏接入电网后对电网产生的影响及相应控制策略[9-11], 但尚未见百万千瓦级大规模滩涂光伏电站集中接入电网的报道。

本研究首先介绍了光伏并网系统的结构, 分析比较了百万千瓦级滩涂光伏电站集中接入电网的不同方案, 提出了最佳接入方案, 并以山东电网为例进行了验证。

1 光伏并网系统结构

光伏并网系统示意图如图 1所示。大型光伏电站并网系统包括光伏发电单元、站内集电线路、升压变压器和架空线路[10], 其中光伏发电单元包括光伏电池阵列、逆变器和单元升压变压器等。光伏电池经串并联后形成光伏阵列, 每500 kW为一个光伏发电子单元, 包括光伏阵列和一台500 kW逆变器。每两个光伏发电子单元经一台1 000 kVA的单元变压器升压后, 由集电线路汇入光伏升压站主变低压侧母线, 再次升压后通过高压输电线路汇入电网。光伏升压变高压侧母线为并网点(point of interconnection, POI), 接入电网母线为公共连接点(point of common coupling, PCC)[12]

图 1 光伏并网系统示意图 Figure 1 Schematic diagram of PV grid-connected system
2 百万千瓦级滩涂光伏接入方案

光伏电站接入系统需要进行主变压器、输送线路、并网电压等级以及接线方式的选择, 选择的依据需结合已有的设计规范[13]和光伏电站本身的特点。

2.1 主变压器和输送线路选择

电厂与系统连接的主变压器一般选择两台, 一台退出运行时, 另一台可以承受70%的电厂容量[13]

按经济电流密度选择输电线路导线截面

$ S=\frac{P}{\sqrt{3}J{{V}_{\rm{N}}}\rm{cos}\ \varphi }, $ (1)

式中: S为输电线路的导线截面, mm2; P为线路上有功功率, kW; VN为线路额定线电压, kV; cos φ为线路所输送功率的功率因数; J为经济电流密度, A/mm2, J = 1.65 A/mm2。光伏电站年利用时间一般不超过3 000 h。

2.2 并网电压等级选择

装机容量并不能完全决定光伏电站接入系统的电压等级。如山东德州平原县40 MW光伏电站接入系统电压等级为110 kV, 内蒙古通辽的100 MW光伏电站并网电压等级为66 kV, 甘肃武夷凉州区109 MW光伏电站并网电压等级为110 kV。电厂接入系统电压等级一般不能超过2种, 且与电厂装机容量、送电距离和电厂在系统中地位有关, 而对于300 MW以上的机组, 经经济技术论证方可确定接入220 kV还是500 kV电压等级[13]

结合光伏电站本身的特点, 1 GW滩涂光伏电站接入系统理论上可选的方案有3种。

方案一: 1 GW光伏集中接入系统变电站的220 kV母线(单点接入)。由于并网容量大, 正常运行和“N-1”预想事故情况下, 周边220 kV系统可能会发生功率越限; 由于光伏出力具有明显的不确定性, 会导致接入点母线电压波动程度较大, 严重时超出规定范围。该方案不能满足安全稳定性要求。

方案二: 1 GW光伏集中接入系统变电站的500 kV母线(单点接入)。考虑500 kV母线短路容量较大且500 kV输电线路输送容量大, 接入点周边线路一般不会发生越限情况, 因光伏出力变化而导致的母线电压波动程度也会降低, 该方案可以很好满足电网安全稳定运行的需要。但滩涂光伏电站与大规模荒漠光伏电站不同, 荒漠电站所发电能就地消纳困难, 需要远距离输送到负荷中心[14], 宜升压到超高压电压等级, 以减少线路电能损耗。而滩涂光伏电站多建在沿海负荷中心附近, 发出的电能宜就地消纳, 无需大规模外送, 若升压至500 kV, 所发电能需降压至220 kV方可向该电压等级网络供电, 不仅增加了二次变压产生的损耗, 还增加了500 kV至220 kV变压器的容量需求[15]。500 kV变压器造价昂贵, 500 kV升压站和输电线路投资成本均高于220 kV。该方案虽然能够满足安全稳定性要求, 但不适用于滩涂光伏电站的建设, 且经济效益低。

方案三:将百万千瓦级光伏电站分午气上相对独立又相互关联两部分, 分别接入两个变电站的220 kV侧(两点接入)。正常运行时将光伏电站等效为两部分, 分别接到站内两个220 kV母线上, 两段母线独立运行, 互不影响, 但又存在着某种电气联系; 而当某一出线发生故障时, 可以通过操作电气元件(如断路器)将两段母线联系起来作为一个整体继续向电网输送电能。单个并网点容量是方案一的一半, 对接入点附近的潮流分布影响减少, 不会发生接入点附近母线电压和线路越限情况, 也减少了因光伏出力变化引起的母线电压波动。该方案不仅可以满足系统安全稳定的需要, 还便于受端系统就地消纳, 且发出电能直接在220 kV网络中传输, 减少了二次变压产生的损耗。220 kV升压站和线路的造价均低于500 kV, 成本上低于方案二, 该方案可同时满足经济性和安全稳定性的要求, 因此选择该方案作为接入方案。

2.3 接线方式分析

光伏电站接入系统, 需设计光伏升压站至系统变电站的接线形式。根据各电气主接线的适用范围[13], 可选择单母线分段接线或双母线接线。

单母线分段接线:正常运行时, 将1 GW光伏分为两部分, 分别接在两段母线上, 分段断路器打开, 两段母线独立运行, 每段母线接带两线两变; 某一出线因故退出时, 将分段断路器闭合, 由剩余线路进行供电; 某一段母线故障或者检修时, 该段母线所连线路和变压器均须退出运行。对于GW级光伏电站来说, 母线故障时, 损失电能较多, 供电可靠性较差。

双母线接线:接线形式如图 2所示, 正常运行时, 将1 GW光伏分为两部分, 接于不同母线上, 母联断路器打开, 两条母线独立运行, 每条母线接带两线两变, 两组母线互为备用; 某一出线因故停运时, 将母联断路器闭合, 由剩余线路继续输送电能; 任一母线故障时, 通过倒闸操作将电源和线路切换到另一组母线上, 不会发生停电现象。

图 2 双母线接线形式 Figure 2 Double-bus connection scheme

两种接线方式都可以将百万千瓦级光伏电站分成电气上相对独立又相互关聊两部分, 所用断路器数量相同, 双母接线增加了隔离开关的数量, 投资略有增加。但在母线故障或检修时, 双母接线形式不会造成停电, 光伏电站可继续向系统输送电能, 可靠性高, 接线形式灵活, 更有利于光伏的消纳, 故选择该接线形式。

通过以上分析, 总结出百万千瓦级光伏电站接入电网的基本原则:若建在负荷密集的受端系统(如滩涂光伏电站), 由于消纳光伏能力较强, 所发电能可以就地消纳, 不需要大规模外送, 可将光伏电站分午气上相对独立又相互关聊两部分, 分别就近接入两个变电站的220 kV侧; 若建在远离负荷中心地带(如荒漠光伏电站), 所发电能当地无法消纳, 需大规模外送至负荷中心, 这时可以考虑1 GW光伏集中接入超高压电压等级(如500 kV和750 kV), 减少因输送电能而产生的功率损耗。

3 算例分析

山东电网以500 kV为主网架、220 kV为市域电网主网架, 煤电装机占总装机容量的80%以上。近年来, 电源发展与煤炭资源以及节能减排矛盾突出, 需尽快转变电力发展方式, 为此山东省大力提倡风电、光伏等可再生能源的发展。

山东地区光照资源丰富, 各地年日照时间多在2 000 h以上, 沿海地区具有丰富的滩涂资源, 适宜发展大规模集中式光伏发电。以山东电网为例, 仿真验证所选百万千瓦级滩涂光伏电站接入方案的正确性。

3.1 接入方案设计

山东省的滩涂资源主要分布在潍坊、东营和滨州一带, 考虑山东电网的地理分布和已有的变电站规划, 在潍坊的寿光和东幽广饶一带建设1 GW的大型滩涂光伏电站, 分为两个部分, 每部分500 MW, 通过双回线路分别接入潍坊地区的寿光变电站和东迂区的油城变电站, 并网电压等级为220 kV。每500 MW选用两台额定容量为360 MVA的三相两绕组变压器, 架空线采用LGJQ-2×400型号导线, 线路长度25 km。潍坊地区PCC为鲁寿光站220B, POI命名为寿光220。东迂区PCC为鲁油城站220B, POI命名为油城220。接入方案及潮流分布分别如图 34所示。

图 3 东迂区接入方案及潮流分布 Figure 3 Connection scheme and load flow distribution ofDongying area
图 4 潍坊地区接入方案及潮流分布 Figure 4 Connection scheme and load flow distribution of Weifang area
3.2 静态电压稳定性

大容量光伏接入系统后, 会对电网的潮流分布产生一定的影响。一天内, 光伏会经历零到满发的过程, 使得接入点母线电压也随之变化。应用PSASP软件, 按3.1所述方案将1 GW光伏接入山东电网, 进而分析光伏接入后电网的静态电压稳定性。

3.2.1 正常运行方式

光伏接入规划容量后, 潮流分布如图 34所示。从图中可以看出, 潮流分布较为合理, 光伏接入点附近无电压、线路越限情况。

研究光伏不同出力下的静态电压稳定性常采用PV曲线法[16], P代表光伏电站有功出力, V代表关键母线电压, 一般选择POI和PCC。POI电压偏差为额定电压的0~10%, 其余点电压正负偏差绝对值之和应小于额定电压的10%[12]

根据规划的光伏接入容量, 改变电站出力从零至满发, 暂时不考虑其余电厂的出力变化, 得到关键母线电压随有功出力变化, 满足要求。关键母线PV曲线如图 5所示。

图 5 关键母线PV曲线 Figure 5 PV curves of crucial buses
3.2.2 N-1静态安全分析

静态安全分析有助于判断在预想事故时, 系统是否发生线路过载和电压越限[17]。对光伏接入后电网进行线路N-1开断校验, 结果表明光伏接入点附近均无线路过载和电压越限现象。图 6给出了其中两条线路分别开断后关键母线的PV曲线。

图 6 关键母线PV曲线 Figure 6 PV curves of crucial buses

由以上结果分析可知, 光伏接入后系统潮流分布合理, 电压变化也在合理范围内, N-1情况下无线路过载和电压越限情况。随着光伏出力的增加, 关键母线电压呈现先增大后减小的趋势。这是由于光伏出力较小时, 为接入点附近提供了一定的有功功率, 减少外界向该地区传输有功而导致的无功损耗增加; 随着光伏出力的增加, 接入点附近向外部输送有功功率逐渐增加, 使得线路上无功损耗增加, 电压下降[8, 16]。若接入容量进一步增加, 会导致关键母线电压越下限, 这时需采取一定的措施, 防止电压崩溃。

3.3 暂态稳定性

由于光伏特性不同于传统电源, 无转动惯量以及调频调压能力, 其接入电网后, 对电网暂态影响需进一步验证。

在潮流计算的基础上, 根据接入的光伏规划容量, 通过PSASP软件, 观察大容量光伏接入后系统的暂稳特性, 并列出影响较大的切机和三相短路故障的仿真结果。因光伏接入点附近受到影响最大, 所以重点关注接入点附近的电气量。

3.3.1 切机故障

将光伏电站全部切除时, 由于系统发生功率缺额, 电网的暂态稳定性会受到一定影响。设光伏电站在2 s时退出运行, 由此导致的关键母线电压、频率和功角变化如图 7所示。

图 7 光伏电站切除仿真曲线 Figure 7 Simulation curves of PV system tripping

图 7可知, 光伏电站突然退出运行时, 电压急剧变化, 但很快恢复稳定。由于大量有功缺失, 系统频率下降, 但跌落程度较小, 功角也光伏电站切除而有所波动。各电气量都能很快过渡到稳定运行状态。

3.3.2 三相短路故障

短路是电力系统中常见且严重的故障, 尤其是三相短路故障, 虽然发生概率低, 但产生的影响大。图 8列出了鲁油城站220B三相短路时各电气量的变化情况, 设故障发生时间为1 s, 1.1 s故障切除。

图 8 三相短路故障仿真曲线 Figure 8 Simulation curves of three-phase short circuit fault

观察图 8可知, PCC发生三相短路后, 短路点电压迅速降为0, 且离故障点越远, 电压跌落程度越小。故障切除后电压恢复正常, 系统频率和发电机相对功角也恢复稳定, 对系统安全稳定不会造成影响。

4 结语

本研究分析比较了百万千瓦级滩涂光伏电站接入电网的不同方案, 并推荐了最佳方案:将百万千瓦级电站分为相对独立又相互关聊两个部分, 分别就近接入两个变电站的220 kV侧。仿真分析了光伏接入后的静态安全和暂态稳定性, 结果表明完全满足要求。进一步的研究工作是综合考虑光伏、陆上及海上风电的电网优化和安全稳定运行, 并充分消纳新能源发电。

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