600 MW超臨界煤電機組與分布式光伏系統(tǒng)耦合發(fā)電研究

謝 霆

(內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010206)

XIE Ting

(Inner Mongolia Datang International Tuoketuo Power Generation Co.Ltd.，Inner Mongolia Huhehaote010206，China )

發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)是中國的長期國策，新能源產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展太陽能熱利用和光伏光熱發(fā)電，促進分布式能源系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。光伏太陽能發(fā)電，具有隨機性強、出力不穩(wěn)定、調(diào)峰調(diào)頻能力差、不能大規(guī)模儲存的特性。分布式光伏系統(tǒng)采用用戶側(cè)并網(wǎng)方式，自建自發(fā)自用，系統(tǒng)整體平衡調(diào)節(jié)，供電不足則由大系統(tǒng)補給。分布式光伏發(fā)電的電力就地消納，無棄光問題，電量得到充分利用;另外，不存在遠距離送電，不用配套新建大量高壓、超高壓輸變電設(shè)施，節(jié)省大量投資并減少大量輸電損耗。

近年來，國內(nèi)外專家對分布式光伏系統(tǒng)展開了大量理論研究。文獻［1］根據(jù)分布式光伏并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗?，仿真分析并網(wǎng)逆變器在配電網(wǎng)發(fā)生短路故障以及逆變器自身故障時輸出電流的變化特性;文獻［2］針對鼠籠異步發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機的短路電流特性進行了分析;文獻［3］研究了光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及其控制策略;文獻［4］研究了多臺光伏逆變器的并聯(lián)控制。上述研究為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司(簡稱托電)擁有8臺600 MW機組及2臺300 MW機組，總裝機容量達到540萬kW。托電所在地理位置屬于國家二類太陽能資源區(qū)域，太陽能資源優(yōu)越，為此，筆者對600 MW超臨界煤電機組與分布式光伏系統(tǒng)耦合發(fā)電應(yīng)用技術(shù)進行研究。

1 煤電機組與分布式光伏耦合發(fā)電系統(tǒng)

托電10 MW分布式光伏供電示范項目于2013年獲中國國家財政部、能源局、科技部批準(zhǔn)為國家金太陽示范工程。2013年，托電公司完成該技術(shù)支撐項目——內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司10 MW供電示范項目的實施，在托電水廠區(qū)域建設(shè)2個5 MWp分布式光伏供電系統(tǒng)，分別接入托電1#，2#機組廠用電系統(tǒng)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)煤炭能源與太陽能的耦合發(fā)電。

10 MWp光伏供電系統(tǒng)由10個1 MWp光伏發(fā)電單元組成(1#—10#光伏發(fā)電單元)。每個發(fā)電單元配置245 W光伏組件4 082塊，16進1出匯流箱10個，9進1出匯流箱6個，500 MW光伏并網(wǎng)逆變器2臺，6.3/0.315 kV 1 000 kV·A升壓變壓器1臺。1#—5#光伏發(fā)電單元組成1#分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入水廠6 kV I段實現(xiàn)與托電1#機組6 kV廠用電系統(tǒng)并列;6#—10#光伏發(fā)電單元組成2#分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入水廠6 kV II段實現(xiàn)與托電2#機組6 kV廠用電系統(tǒng)并列。耦合系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 光伏、燃煤機組耦合系統(tǒng)原理示意Figure 1 Principle schematic for PV，coal-fired units coupled system

2 監(jiān)控系統(tǒng)

光伏發(fā)電的監(jiān)控采用全計算機監(jiān)控方式。計算機監(jiān)控系統(tǒng)擬采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分為現(xiàn)地層和站控層;現(xiàn)地層采用光纖以太環(huán)型網(wǎng)絡(luò)通訊，站控層采用星型光纖以太網(wǎng)絡(luò)通訊，層間通過光纖以太網(wǎng)連接［5］。現(xiàn)地層主要包括逆變器、匯流箱測控單元、直流柜測控單元、升壓箱變的現(xiàn)地控制設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測單元，主要監(jiān)控數(shù)據(jù)包括光伏發(fā)電單元的直流輸出電壓、電流和功率，并網(wǎng)逆變器進出側(cè)電壓、電流、功率、并網(wǎng)頻率和內(nèi)部參數(shù)，以及環(huán)境溫度、光照度等。站控層設(shè)備主要由監(jiān)控主機、系統(tǒng)服務(wù)器、對時系統(tǒng)、通訊管理裝置、通訊網(wǎng)關(guān)組成，能對現(xiàn)場所有設(shè)備進行管理。

在主控室通過操作員工作站的人機界面對太陽能光伏電站里的光伏陣列、直流匯流箱、直流配電柜、并網(wǎng)逆變器、箱式變電站、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等提供全面的實時監(jiān)測和控制，并為用戶展現(xiàn)豐富的用戶界面，提供強大的分析處理功能和完善的監(jiān)測報警機制，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的集中監(jiān)控管理。具體原理如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 Schematic diagram for monitoring system

3 并網(wǎng)點控制

3.1 并網(wǎng)控制介紹

光伏發(fā)電系統(tǒng)的同期點設(shè)在逆變器交流側(cè)，由逆變器實現(xiàn)光伏發(fā)電單元的自動并網(wǎng)(500 kW并網(wǎng)逆變器由4個125 kW功率單元回路組成，如圖3所示，在滿足并網(wǎng)條件下，每個功率單元回路的并網(wǎng)通過控制交流接觸器實現(xiàn))［6－8］。

圖3 500 kW光伏并網(wǎng)逆變器電氣原理示意Figure 3 Schematic diagram for 500 kW photovoltaic grid-connected inverter electrical

3.2 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析

10 MWp光伏發(fā)電單元全部并網(wǎng)，耦合發(fā)電系統(tǒng)波形及諧波含量測試如圖4，5所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)并入火力發(fā)電機組廠用電系統(tǒng)，電能質(zhì)量滿足GB/Z 19964—2005《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求。

1)測試6 kV PT二次側(cè)電壓波形及畸變率，如圖4所示，測試結(jié)果表明實際應(yīng)用后電壓諧波分量及畸變率滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 耦合發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電壓波形及畸變率Figure 4 Combined grid-connected system voltage waveform and distortion

圖5 耦合發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)電流波形及畸變率Figure 5 Current waveform and its distortion rate for combined grid-connected system

2)測試6 kV PT二次側(cè)電流波形及畸變率，如圖5所示，測試結(jié)果表明實際應(yīng)用后電流諧波分量及畸變率滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)直流分量測試、電壓不平衡度測試結(jié)果分別如表1，2所示;光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，公共連接點處電壓波動和閃變測試如表3所示;光伏電站接入配電網(wǎng)后，公共連接點短時間閃變Pst和長時間閃變Plt測試如表4所示。測試結(jié)果表明實際應(yīng)用電能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

表1 直流分量試驗結(jié)果Table 1 Testing results for DC component

表2 電壓不平衡度試驗結(jié)果Table 2 Voltage unbalance results %

表3 電壓波動和閃變試驗結(jié)果Table 3 Voltage fluctuations and flicker testing results %

表4 短時間閃變Pst和長時間閃變試驗結(jié)果Table 4 Short-term and long-term Pst flicker testing results%

4 保護系統(tǒng)和運行方式

4.1 保護系統(tǒng)

光伏發(fā)電單元升壓箱變低壓側(cè)設(shè)置空氣斷路器，高壓側(cè)設(shè)置負(fù)荷開關(guān)和高壓熔斷器，箱變6 kV出線電纜經(jīng)斷路器接入水廠廠用電6 kV開關(guān)柜。高壓側(cè)熔斷器作為變壓器短路保護，低壓側(cè)斷路器配套保護裝置，實現(xiàn)短路、接地、過載、電壓等保護功能。

升壓箱變配置就地監(jiān)控單元，采集6 kV負(fù)荷開關(guān)位置、低壓側(cè)空氣斷路器位置、箱門開啟告警等信號，以及變壓器高、低壓側(cè)三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率和變壓器溫度等信號。就地監(jiān)控單元帶有數(shù)據(jù)通信接口，與逆變器室內(nèi)通訊接口裝置通信，再經(jīng)光伏發(fā)電通信網(wǎng)絡(luò)向站控級上傳信息，實現(xiàn)主控室對升壓箱式變電站的遠程監(jiān)控。

在水廠廠用電6 kV并網(wǎng)點處設(shè)置綜合保護和自動控制裝置，綜合保護由電流速斷、過電流保護組成，自動控制裝置實現(xiàn)水廠6 kV段電源開關(guān)的自動分合及切換。

4.2 運行方式

清晨光照強度滿足光伏系統(tǒng)自動并網(wǎng)，由光伏系統(tǒng)及機組廠用電兩路電源并列為水廠負(fù)荷提供電源。水廠負(fù)荷年平均用電量為8萬kW·h/d，光伏系統(tǒng)效率為81.9%，10 MWp光伏系統(tǒng)可滿足水廠40%～80%負(fù)荷電能需求(根據(jù)不同季節(jié)或氣候日照情況)，不足部分由機組6 kV廠用電系統(tǒng)提供。

傍晚或平時日照強度不足時，不能達到出力要求時，光伏系統(tǒng)自動解列，由機組6 kV廠用電系統(tǒng)提供電源。日照強度恢復(fù)后，光伏系統(tǒng)自動投入，逆變器檢測滿足同期條件后并網(wǎng)。

光伏系統(tǒng)個別發(fā)電單元故障暫時退出，仍由相應(yīng)機組廠用電提供電源;部分機組廠用電源故障失去，如1#水源變(2#水源變或1#，2#水源變)電源失去，光伏系統(tǒng)正常運行情況下，由光伏系統(tǒng)投入供電，1#聯(lián)變轉(zhuǎn)備用狀態(tài)。

5 光伏系統(tǒng)投產(chǎn)發(fā)電量和效益分析

5.1 發(fā)電量分析

在并網(wǎng)電源間隔設(shè)置關(guān)口計費表計，并網(wǎng)方式為用戶側(cè)并網(wǎng)，在6 kV并網(wǎng)側(cè)分別配置一塊雙向多功能電能表，具備有功雙向計量、無功四象限分別計量、最大需量、多種費率、負(fù)荷曲線等功能，具有脈沖和RS-485串口2種輸出方式(配置雙RS485口)。

托電10 MWp光伏系統(tǒng)于2013年7月30日全部投產(chǎn)并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電量如表5所示;2013年8－12月份所建10 MWp光伏系統(tǒng)發(fā)電量曲線及發(fā)電小時分析如圖6，7所示。

表5 托電10 MWp光伏系統(tǒng)發(fā)電量Table 5 10 MWp photovoltaic power generation system of Tuoketuo Power Plant kW·h

圖6 所建10 MWp光伏系統(tǒng)發(fā)電量曲線Figure 6 10 MWp photovoltaic power generation system curve

圖7 10 MWp光伏系統(tǒng)日發(fā)電小時曲線Figure 7 10 MWp photovoltaic power generation system curve for each hour

托電水廠最大負(fù)荷為11.37 MW，日均負(fù)荷約8萬kW·h，所建光伏系統(tǒng)日均發(fā)電量為4.03萬kW·h，所發(fā)電量將全部由水廠負(fù)荷實時消耗。

5.2 效益分析

托電水廠為公司8臺600 MW及2臺300 MW火電機組提供水源，其重要性不言而喻，在水廠區(qū)域建設(shè)10 MWp光伏供電系統(tǒng)及并入火電機組廠用電系統(tǒng)，相當(dāng)于為水廠增加第4路電源，很大程度上提高了水廠供電可靠性，為托電10臺火電機組供水及負(fù)荷保證做出突出貢獻。

根據(jù)2013年8—11月份托電所建10 MWp光伏系統(tǒng)發(fā)電量計算，第1年發(fā)電量約為1 470.9萬kW·h，10 MWp光伏系統(tǒng)接入600 MW燃煤機組廠用電系統(tǒng)后，對單臺機組而言節(jié)約廠用電率為0.40%，降低煤耗達1.36/(kW·h)。

所建10 MWp光伏供電系統(tǒng)可為托電節(jié)約標(biāo)煤1 807 t/a，年減排廢水、煙塵、CO2，SO2，NOx分別為14 709.6，26.48，14 105.9，95.61，47.07 t。

可見，傳統(tǒng)煤炭能源與光伏清潔能源聯(lián)合發(fā)電，在減少標(biāo)煤消耗，減輕煤炭運輸壓力，提高煤電發(fā)電效率的同時，在綜合減排環(huán)保方面也具有顯著效益。

6 結(jié)語

引入分布式太陽能傳統(tǒng)煤炭能源與光伏清潔能源聯(lián)合發(fā)電，對于火力發(fā)電企業(yè)而言，提高了火電機組發(fā)電效率，綜合節(jié)能減排效益突出。同時，由于采用用戶側(cè)并網(wǎng)，自建自發(fā)自用形式，彌補了常規(guī)光伏電站建設(shè)并網(wǎng)及送出難問題。

燃煤電廠生產(chǎn)區(qū)域發(fā)展太陽能項目，由原運維人員進行維護，無人力成本增加。托電傳統(tǒng)能源與新能源聯(lián)合發(fā)電技術(shù)成功實踐，對國內(nèi)火力發(fā)電企業(yè)具有深遠推廣效益，對促進光伏新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展，推進能源多元清潔發(fā)展具有重要意義。

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