光伏新能源接入系統(tǒng)設(shè)計框架與內(nèi)容研究

陳 丹 張晉梅 李 莉

（國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院 北京 100038）

引言

新能源可從根本上改變能源消費模式，有效緩解煤炭、石油等一次能源消耗，優(yōu)化能源總體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)世界低碳、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展。國家近幾年響應出臺一系列支持和倡導新能源發(fā)展的文件，包括指導意見、國家技術(shù)標準；電網(wǎng)企業(yè)緊跟國家戰(zhàn)略大局，進一步細化了相關(guān)技術(shù)標準，全面規(guī)范并促進新能源并網(wǎng)發(fā)電。新能源的大規(guī)模并網(wǎng)已經(jīng)是現(xiàn)在能源發(fā)電企業(yè)、以及電力系統(tǒng)面臨的重要問題。在相繼出臺的相關(guān)技術(shù)性文件，以及電網(wǎng)規(guī)劃目標與運行特點，本文針對20～50MW規(guī)模的新能源接入系統(tǒng)一次部分，進行了框架設(shè)計與內(nèi)容分析，為新能源發(fā)電、設(shè)計及電網(wǎng)人員開展相關(guān)工作提供參考和幫助，并為后續(xù)能源二次系統(tǒng)及初步等工作提供技術(shù)依據(jù)。

1 新電源特點

1.1 研究范圍與并網(wǎng)容量

本文主要針對20～50MW的光伏新能源。正常來講，該數(shù)值范圍內(nèi)的光伏，小于接入35kV、66kV、110kV較為適宜。具體接入判定的初步原則是，發(fā)電的容量應小于等于并網(wǎng)的電網(wǎng)側(cè)的相聯(lián)主變?nèi)萘俊?/p>

表1 光伏發(fā)電容量適宜接入的電壓等級及主變?nèi)萘?/p>

1.2 新電源與電網(wǎng)的互動關(guān)系

發(fā)電容量在20～50MW之間的光伏發(fā)電，除了滿足自身的能源資源充足等必要性條件外，其發(fā)電規(guī)模不大，應選擇就地或就近消納，因此，應充分評估周邊電網(wǎng)的實際條件、負荷情況，做好并網(wǎng)前的相關(guān)技術(shù)準備工作，開展接入系統(tǒng)等初步可行性研究，保證源網(wǎng)荷互動協(xié)調(diào)發(fā)展。

具體分為三個方面。第一，電網(wǎng)裕度應能滿足新能源接入需要，主要是指電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的輸電能力、周邊電網(wǎng)有備用間隔、變電站的主變?nèi)萘烤邆錀l件、建設(shè)路徑可行；第二，光伏的建設(shè)與電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃有序銜接，避免出現(xiàn)一方超前一方滯后的現(xiàn)象；第三是如果存在過渡方案，應做好臨時方案與終期方案的合理對接，確保新能源有效送出，同時提高電網(wǎng)側(cè)的設(shè)備利用率。

2 接入系統(tǒng)一次設(shè)計框架

新能源接入系統(tǒng)一次部分設(shè)計研究框架應主要包括6個部分的內(nèi)容，包括工程概況、設(shè)計依據(jù)與原則、電網(wǎng)情況、消納能力與建設(shè)必要性、技術(shù)分析研究、方案比選與總體結(jié)論。

圖1 光伏接入系統(tǒng)一次設(shè)計框架

3 分析研究技術(shù)要點

3.1 周邊變電站分析

依據(jù)適宜的接入電壓等級，結(jié)合本期及終期的規(guī)劃規(guī)模，有針對性的選取周邊變電站分析，一般2～4個變電站為宜。在具體描述應，應明確以下幾個關(guān)鍵要素，包括光伏接入的路徑及變電站本身分析。

關(guān)于路徑長度，應注意兩點，包括路徑的可行性；線路路徑不宜過長，一般控制在20公里以內(nèi)。

關(guān)于變電站，應明確該變電站地理位置，以及與光伏的相對位置；變電站的容量、變壓器變比、母線接線形式、進出線規(guī)模、間隔利用情況，如果擴建間隔是否具備擴建條件、變電站負荷情況等。

3.2 導線截面選擇

在明確光伏電站發(fā)電容量及光伏年利用小時數(shù)基礎(chǔ)上，確定按照線路的極限輸送能力亦或是經(jīng)濟輸送能力（經(jīng)濟電流密度）進行導線型號選取，必要時還應根據(jù)當?shù)氐臏囟惹闆r，在溫度修正系數(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化選擇，提高線路送出的安全性與經(jīng)濟性。

（1）按經(jīng)濟電流密度選擇導線截面

其中，S、P、j、U、cosφ 分別指的是導線截面(mm2）、輸電容量(kM）、功率因數(shù)、線路電壓(kV）、經(jīng)濟電流密度(A/mm2）。

對于經(jīng)濟電流密度j，鋁線材料，最大負荷利用小時數(shù)在3000小時以下、3000～5000小時之間、5000小時以上，參考值為1.65、1.15、0.9A/mm2。

銅線材料，最大負荷利用小時數(shù)在3000小時以下、3000～5000 小時之間、5000 小時以上，參考值為 3.0、2.25、1.75A/mm2。

（2）按導線長期允許載流量校驗或選擇導線截面

其中，Wmax、U、Imax分別指線路的熱穩(wěn)定容量(MVA）、線路電壓(kV）、導線長期允許的載流量(kA）。

對于載流量而言，按照鋼芯鋁導線，導線允許溫度為+70℃、環(huán)境溫度為+25℃時，95、120、150、185、240、300 導線相應數(shù)值可參照 335、383、430、500、610A。

如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃相應的環(huán)境修正系數(shù)，依次為 1.15、1.11、1.05、1.0、0.94、0.88、0.81。

3.3 電氣計算

電氣計算主要分別潮流計算、穩(wěn)定計算、短路計算、無功補償計算。

（1）潮流計算

應按照電網(wǎng)的實際情況，對計算條件進行明確，至少計算光伏電站滿發(fā)、零發(fā)兩種情況。

在潮流圖上，應給出周邊變電站相對位置分布、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、相關(guān)潮流計算結(jié)果、變電站及光伏電站電壓水平。

（2）暫態(tài)穩(wěn)定計算

暫態(tài)穩(wěn)定計算中，應明確負荷模型，一般采用40%阻抗、60%感應電動機模型。

至少計算光伏并網(wǎng)線路的三相永久性故障,線路保護動作切除故障后，系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定情況。一般故障切除時間，110kV不超過0.2s，35kV不超過0.7s。

（3）短路計算

短路計算中，應至少計算光伏項目投產(chǎn)年、未來5或10年，光伏電站及周邊相關(guān)變電站短路水平。計算條件應嚴格參考當?shù)仉娋W(wǎng)的運行方式、規(guī)劃電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點，未來周邊電網(wǎng)的規(guī)劃網(wǎng)架、負荷、電源等因素。

根據(jù)光伏本期及終期光伏接入后的短路電流計算結(jié)果，給出所需開關(guān)的遮斷能力，一般35kV可參考20kA、25kA考慮；110kV可參考25kA、30kA、40kA考慮。

（4）無功補償計算

光伏電站總的無功損耗應包括箱變、匯集線路、送出線路三部分的無功損耗之和。應考慮光伏滿發(fā)和零發(fā)兩種情況下的各自無功損耗。感性無功損耗一般為正，容性為負。

根據(jù)無功補償計算結(jié)果，光伏電站選擇配置相應的連續(xù)可調(diào)節(jié)的動態(tài)無功補償裝置，同時滿足動態(tài)無功電流響應時間不大于30ms的要求。

4 系統(tǒng)對光伏電站的基本要求

主要包括電能質(zhì)量、功率和電壓、低電壓穿越3個部分。

（1）電能質(zhì)量

電能質(zhì)量包括諧波、電壓偏差、電壓波動和閃變、直流分量四個方面。

諧波方面，光伏電站所接入的公共連接點的諧波注入電流應滿足GB/T 14549的要求。其中，光伏電站向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按照光伏電站裝機容量與其公共連接點上具有諧波源的發(fā)/供電設(shè)備總?cè)萘恐冗M行分配。光伏電站所接入的公共連接點的各次間諧波電壓含有率及單個光伏電站引起的各次諧波電壓含有率應滿足GB/T 24337的要求。

電壓偏差方面，光伏電站所接入的公共連接點的電壓偏差應滿足GB/T 12325的要求。

電壓波動和閃變方面，光伏電站所接入的公共連接點的電壓波動和閃變應滿足GB/T 12326的要求。其中光伏電站引起的閃變值按照光伏電站裝機容量與公共連接點上的干擾源總?cè)萘恐冗M行分配。

直流分量方面，光伏電站并網(wǎng)運行時，向電網(wǎng)饋送的直流電流分量不應超過其交流電流額定值的0.5%。光伏電站并網(wǎng)點應裝設(shè)滿足IEC61000標準要求的A類電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置。一般小型光伏電站，電能質(zhì)量數(shù)據(jù)應至少存儲1年，必要時供電網(wǎng)企業(yè)調(diào)用。

光伏電站電能質(zhì)量需結(jié)合實際工程中逆變器性能參數(shù)進行分析，另列電能質(zhì)量評估專題報告進行研究。

（2）功率和電壓

有功功率方面，光伏電站應具備參與電力系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)峰能力，并符合DT/T1040的相關(guān)規(guī)定。

電壓控制方面，35kV電壓等級接入的光伏電站在其無功輸出范圍內(nèi)，應劇本根據(jù)光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓水平調(diào)節(jié)無功輸出，參與電壓電壓調(diào)節(jié)的能力，相關(guān)參數(shù)由電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)設(shè)定。

110kV以上電壓等級接入的光伏電站應配置無功電壓控制系統(tǒng)，具備無功功率調(diào)節(jié)能力及電壓控制能力。

（3）低電壓穿越

光伏電站并網(wǎng)點電壓跌至0時，光伏電站應能不脫網(wǎng)連續(xù)運行0.15s；光伏電站并網(wǎng)點電壓跌至曲線1以下時，光伏電站可以從電網(wǎng)切出。

對電力系統(tǒng)故障期間沒有脫網(wǎng)的光伏電站，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復至正常發(fā)電狀態(tài)。

結(jié)語

光伏作為一種大自然賦予的清潔能源，其綠色、安全、零污染的特點，對于改善人類用能方式具有極其重要的價值。更好的促進并制定科學、規(guī)范的光伏并網(wǎng)規(guī)劃研究，做好電網(wǎng)與新能源的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展，是關(guān)鍵一環(huán)，鑒于此，本文從光伏電站接入系統(tǒng)的總體框架、主要技術(shù)要點和并網(wǎng)要求等三個主要方面，進行了具體分析與介紹，旨在給行業(yè)相關(guān)人員提供一份參考。