新能源場站分布式同步調(diào)相機(jī)主接線及繼電保護(hù)配置研究

李先軍，方 勇，李光達(dá)

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 深圳 518000）

國內(nèi)新能源場站占比較大的區(qū)域電網(wǎng)，近區(qū)缺乏支撐性電源，抗系統(tǒng)故障擾動(dòng)沖擊能力差。新能源多數(shù)場站短路比偏低、電網(wǎng)故障后暫態(tài)過電壓、“低電壓”問題突出，成為制約區(qū)域電網(wǎng)新能源送出的主要因素。系統(tǒng)故障可能造成新能源機(jī)端過電壓，故障清除后可能引起新能源機(jī)組反復(fù)進(jìn)出“低電壓”穿越，造成地區(qū)電網(wǎng)電壓、功率發(fā)生振蕩，可能造成機(jī)組脫網(wǎng)，甚至發(fā)生大規(guī)模連鎖脫網(wǎng)事故。為提升區(qū)域電網(wǎng)新能源電力送出能力，迫切須要采取有針對(duì)性的措施，從源端解決新能源場站短路比偏低的問題。

隨著國內(nèi)新型分布式同步調(diào)相機(jī)技術(shù)的發(fā)展，新型分布式同步調(diào)相機(jī)暫態(tài)響應(yīng)速度優(yōu)異，能夠有效抑制系統(tǒng)暫態(tài)過電壓和“低電壓”，提升新能源場站短路比，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平，為系統(tǒng)提供慣量支撐。

本文介紹了新能源場站加裝分布式同步調(diào)相機(jī)現(xiàn)有條件，給出了兩種調(diào)相機(jī)主接線形式，制定了調(diào)相機(jī)系統(tǒng)的繼電保護(hù)方案，為目前國內(nèi)的大規(guī)模分布式同步調(diào)相機(jī)建設(shè)提供參考。

1 新能源場站加裝分布式同步調(diào)相機(jī)現(xiàn)有條件

1.1 廠址

新能源場站的升壓站大部分均已建成，加裝調(diào)相機(jī)在不新增征地條件下須充分利用場站內(nèi)的空地，因此要求布置緊湊、節(jié)省占地。

1.2 接入點(diǎn)

新能源場站匯集母線電壓等級(jí)一般為35 kV，為提升35 kV系統(tǒng)的短路比，調(diào)相機(jī)通常加裝在35 kV母線。經(jīng)調(diào)研，有些場站35 kV 配電裝置預(yù)留有備用開關(guān)柜或者35 kV 配電室預(yù)留備用空間，經(jīng)改造或新增開關(guān)柜后能夠安放新增的調(diào)相機(jī)接入柜，而有些場站沒有上述條件，因此須要考慮改造方案。

1.3 調(diào)相機(jī)低壓廠用電源

調(diào)相機(jī)低壓廠用負(fù)荷包括交流油泵、照明、直流、UPS、廠房通風(fēng)、廠房電加熱器等。經(jīng)初步估算，分布式同步調(diào)相機(jī)低壓廠用負(fù)荷在120 kVA 左右，由于當(dāng)前加裝調(diào)相機(jī)項(xiàng)目基本分布在高寒地區(qū)，廠房電加熱器負(fù)荷在廠用負(fù)荷中占比約50%。大部分新能源場站現(xiàn)有站用電系統(tǒng)不能滿足調(diào)相機(jī)低壓廠用電源的容量需求，因此須要考慮新增調(diào)相機(jī)廠用變壓器。

2 調(diào)相機(jī)類型選擇

調(diào)相機(jī)與發(fā)電機(jī)類似，均有隱極式和凸極式兩種類型。它們的主要參數(shù)對(duì)比（以某主機(jī)廠50 Mvar調(diào)相機(jī)為例），如表1所示。

表1 隱極式和凸極式調(diào)相機(jī)主要性能參數(shù)比較

3 新能源場站加裝調(diào)相機(jī)主接線方案

3.1 新能源場站典型接線

目前，加裝調(diào)相機(jī)的區(qū)域電網(wǎng)基本分布在青海、內(nèi)蒙等區(qū)域，以光伏、風(fēng)電場站為主，該類型新能源場站升壓站典型接線如圖1所示。光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)升壓至35 kV后經(jīng)集電線路匯總至35 kV匯集母線，然后經(jīng)220 kV或110 kV主變送至區(qū)域電網(wǎng)。

圖1 新能源場站升壓站典型主接線

從表1 中可以看出，隱極機(jī)在主要性能參數(shù)方面均處于領(lǐng)先水平。暫動(dòng)態(tài)特性關(guān)鍵參數(shù)超瞬態(tài)電抗和短路時(shí)間常數(shù)均優(yōu)于凸極機(jī)，意味著凸極機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不如隱極機(jī)。另外，從損耗方面對(duì)比看來，隱極機(jī)損耗低，經(jīng)濟(jì)效益要好于凸極機(jī)。

兩種機(jī)型在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上差異比較大，如表2所示，凸極機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸和重量遠(yuǎn)大隱極機(jī)。凸極機(jī)和隱極機(jī)相比有以下特殊的地方：設(shè)備尺寸大，占地面積大于隱極機(jī)；廠房內(nèi)抽裝轉(zhuǎn)子檢修要求及難度高于隱極機(jī)；轉(zhuǎn)子重量重，必須配置盤車裝置；轉(zhuǎn)子惰轉(zhuǎn)停機(jī)時(shí)間長，快速啟停能力差。

表2 凸極式和隱極式調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)比較

通過上述比較可以看出，無論從暫動(dòng)態(tài)性能、運(yùn)行損耗還是從安裝運(yùn)維檢修等方面，隱極機(jī)都占有絕對(duì)的優(yōu)勢。針對(duì)國內(nèi)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的同步調(diào)相機(jī)要求，推薦采用隱極調(diào)相機(jī)。

3.2 調(diào)相機(jī)主接線

由于調(diào)相機(jī)須要設(shè)置SFC啟動(dòng)電源及廠用電源，SFC啟動(dòng)電源及廠用電源既可取自35 kV匯集母線，又可取自調(diào)相機(jī)機(jī)端10 kV 母線。本節(jié)根據(jù)上述兩種情況分別制定相應(yīng)的主接線，最后通過經(jīng)濟(jì)比較，給出建議方案。

3.2.1 主接線方案一

該方案中SFC 起動(dòng)電源及廠用電源取自35 kV匯集母線，可不考慮10 kV 調(diào)相機(jī)出口斷路器，主勵(lì)磁電源由調(diào)相機(jī)機(jī)端獲得。調(diào)相機(jī)啟動(dòng)時(shí)須設(shè)起勵(lì)電源，取自廠用變低壓側(cè)，如圖2所示。

圖2 主接線方案一

此形式主接線中調(diào)相機(jī)主變、SFC 啟動(dòng)變、廠用變均為35 kV變壓器，現(xiàn)有35 kV匯集母線須具備3個(gè)備用間隔，用于上述變壓器接入。無35 kV備用間隔時(shí)，須新增1 段35 kV 母線，將原有SVG 或FC回路轉(zhuǎn)移到新增35 kV母線，改造原SVG或FC回路的開關(guān)柜，將此開關(guān)柜作為新增35 kV 母線和現(xiàn)有35 kV匯集母線的聯(lián)絡(luò)柜，調(diào)相機(jī)也接入到新增35 kV母線。

調(diào)相機(jī)主變采用35 kV 油浸式三相雙繞組無載調(diào)壓變壓器，容量按照調(diào)相機(jī)容量的1.25 倍選擇，變比為37±2×2.5%/10.5 kV，高壓側(cè)電壓和新能源場站主變低壓側(cè)電壓保持一致，戶外布置。

SFC 起動(dòng)變采用35 kV 干式變壓器，容量根據(jù)調(diào)相機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩配置，戶內(nèi)布置，或戶外箱變布置。

廠用變采用35 kV 干式變壓器，變比37±2×2.5%/0.4 kV，戶內(nèi)布置，或戶外箱變布置。

35 kV匯集母線至調(diào)相機(jī)主變、SFC起動(dòng)變、廠用變采用35 kV電纜連接。

調(diào)相機(jī)主變至調(diào)相機(jī)視調(diào)相機(jī)容量可采用10 kV電纜或10 kV絕緣銅管母線連接。

3.2.2 主接線方案二

該方案中SFC 啟動(dòng)電源及廠用電源取自調(diào)相機(jī)機(jī)端10 kV 母線，因此須設(shè)置調(diào)相機(jī)斷路器。勵(lì)磁電源同樣取自10 kV 母線，不須要另設(shè)起動(dòng)勵(lì)磁回路，如圖3所示。

圖3 主接線方案二

調(diào)相機(jī)主變選型與方案一相同。

SFC 起動(dòng)變采用10 kV 干式變壓器，容量根據(jù)調(diào)相機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩配置，戶內(nèi)布置，或戶外箱變布置。

廠用變采用10 kV 干式變壓器，變比10.5±2×2.5%/0.4 kV，戶內(nèi)布置，或戶外箱變布置。

35 kV匯集母線至調(diào)相機(jī)主變采用35 kV電纜連接，調(diào)相機(jī)機(jī)端10 kV 母線至SFC 起動(dòng)變和廠用變采用10 kV電纜連接。

調(diào)相機(jī)主變至調(diào)相機(jī)連接方式與方案一相同。

3.2.3 主接線方案比較

表3 給出了上述兩種方案不同點(diǎn)的比較，可看出方案一投資稍多，但對(duì)于整個(gè)調(diào)相機(jī)項(xiàng)目投資（千萬元級(jí)）來講，占比微小。技術(shù)上，兩種方案所使用設(shè)備均相對(duì)成熟，因此，兩種方案采取任何一種均可，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)新能源場站現(xiàn)有35 kV 匯集母線備用開關(guān)數(shù)量、施工時(shí)對(duì)原有系統(tǒng)的影響等條件對(duì)比選擇。

表3 主接線方案中主設(shè)備不同點(diǎn)比較

4 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)保護(hù)配置

4.1 調(diào)相機(jī)保護(hù)配置標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求

分布式同步調(diào)相機(jī)以50 Mvar容量及以下為主，相應(yīng)保護(hù)配置要求國家或行業(yè)均未出臺(tái)針對(duì)該類型調(diào)相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，目前下列標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范可供參考。

GB/T 14285—2006 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程：該規(guī)范給出了不同容量發(fā)電機(jī)保護(hù)配置的具體要求，分布式同步調(diào)相機(jī)可參考配置。

GB/T 50062—2008 電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范：該規(guī)范適用于3～110 kV 電力線路和設(shè)備、單機(jī)容量為50 MW 及以下發(fā)電機(jī)、63 MVA及以下電力變壓器等電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。

DL/T 2250—2021 同步調(diào)相機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則：該導(dǎo)則規(guī)定了同步調(diào)相機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、起動(dòng)系統(tǒng)、調(diào)相機(jī)—變壓器組保護(hù)、同期裝置、自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)的總則、功能技術(shù)要求、二次回路及布置、試驗(yàn)和調(diào)試要求等，適用于與換流站或變電站合建的300 Mvar及以上容量同步調(diào)相機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、建設(shè)等，調(diào)相機(jī)—變壓器之間采用不設(shè)機(jī)組出口斷路器的單元接線，其他類型調(diào)相機(jī)可參照執(zhí)行。

GB/T 37762—2109 同步調(diào)相機(jī)組保護(hù)裝置通用技術(shù)條件：該標(biāo)準(zhǔn)適用于單機(jī)容量在100 Mvar及以上同步調(diào)相機(jī)組的繼電保護(hù)裝置，包含對(duì)調(diào)相機(jī)、主變壓器和勵(lì)磁變壓器的保護(hù)，作為該類裝置設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和運(yùn)行的依據(jù)。其他容量調(diào)相機(jī)組可參照執(zhí)行。

4.2 調(diào)相機(jī)保護(hù)配置

根據(jù)GB/T 14285—2006 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程4.2.1節(jié)要求，電壓在3 kV及以上，容量在600 MW 級(jí)及以下的發(fā)電機(jī)，應(yīng)對(duì)表4 中所列故障及異常運(yùn)行狀態(tài)，裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)。相應(yīng)的保護(hù)措施也一并列在該表中。

表4 調(diào)相機(jī)故障及異常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)措施

4.3 主變保護(hù)配置

調(diào)相機(jī)主變?yōu)槌Ｒ?guī)油浸變壓器，國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范已有成熟規(guī)定，可配置差動(dòng)保護(hù)、復(fù)壓過流保護(hù)、零序保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、非電量保護(hù)如輕瓦斯、重瓦斯、油溫高、繞組溫度高、油位一場、壓力釋放、冷卻系統(tǒng)故障等。

4.4 勵(lì)磁變壓器保護(hù)

電氣量保護(hù)應(yīng)配置勵(lì)磁變壓器過流保護(hù)，可配置勵(lì)磁變差動(dòng)保護(hù)；非電量保護(hù)包括勵(lì)磁變壓器溫度高等。

5 結(jié)束語

本文提出了采用隱極式同步調(diào)相機(jī)的建議，同時(shí)根據(jù)新能源場站加裝分布式同步調(diào)相機(jī)的現(xiàn)有條件和當(dāng)前國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，給出了主接線方案和分布式同步調(diào)相機(jī)的繼電保護(hù)配置方案，供新能源場站加裝分布式同步調(diào)相機(jī)項(xiàng)目的建設(shè)提供參考。