光伏電站接入勝利油田電網(wǎng)的研究

張維進 邵江華 魏 岳

1.勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心 山東東營 257000 2.勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

分布式電源接入電網(wǎng),要遵循一般原則和技術(shù)要求,通常在功率控制與電壓調(diào)節(jié)、并網(wǎng)與退出控制、保護與安全自動裝置、電網(wǎng)異常響應、電能質(zhì)量、電能計量通信自動化、防雷與接地等方面都有嚴格的界定和要求。對于接入勝利油田電網(wǎng)的光伏電站,在滿足以上要求的同時,還有一些接入油田電網(wǎng)工程的獨特要求,筆者就此展開研究。

1 太陽能資源情況

東營市地理位置為北緯36°55′～38°10′,東經(jīng)118°07′～119°10′,東、北臨渤海,西與濱州市毗鄰,南與淄博市、濰坊市接壤,南北最大縱距123 km,東西最大橫距74 km,土地總面積8 243 km2。

東營市地處中緯度,背陸面海,受亞歐大陸和西太平洋共同影響,屬暖溫帶大陸性季風氣候,基本氣候特征為冬寒夏熱,四季分明。春季干旱多風,早春冷暖無常,常有倒春寒出現(xiàn),晚春回暖迅速,常發(fā)生春旱。夏季炎熱多雨,溫高濕大,有時受臺風侵襲。秋季氣溫下降,雨水驟減,天高氣爽。冬季天氣干冷,寒風頻吹,多刮北風、西北風,雨雪稀少。主要氣象災害有霜凍、干熱風、大風、冰雹、干旱、澇、風暴潮等。境內(nèi)南北氣候差異不明顯,多年平均氣溫為12.8 ℃,無霜期為206 d,可滿足農(nóng)作物的兩年三熟。年平均降水量為555.9 mm,多集中在夏季,占全年降水量的65%。降水量年際變化大,易形成旱澇災害。

2 勝利油田電網(wǎng)概況

勝利油田電網(wǎng)內(nèi)變電站總計145座,總?cè)萘繛? 697.75 MVA。其中,220 kV變電站有3座,變壓器容量為1 080 MVA;110 kV變電站有41座,包括2座臨盤采油廠資產(chǎn)變電站,變壓器容量為2 447.5 MVA;35 kV變電站有77座,變壓器容量為1 083.3 MVA;35 kV簡易變電站有24座,包括采油廠資產(chǎn)廣王簡易變,變壓器容量為86.95 MVA。輸配電線路總計1 355條,長度超過13 700 km。其中,220 kV線路有8條,長度為340.49 km;110 kV線路有72條,長度為1 199.25 km;35 kV線路有172條,長度為1 796.77 km;10 kV線路有450條,長度為3 931.66 km;6 kV線路有653條,長度為6 493.48 km。國網(wǎng)勝利(東營)供電有限公司電力設(shè)施變電站總計24座,總?cè)萘繛?18.1 MVA。其中,110 kV變電站有5座,變壓器容量為293 MVA;35 kV變電站有10座,變壓器容量為174.35 MVA;35 kV簡易變電站有9座,變壓器容量為50.75 MVA。輸配電線路總計289條,長度為1 826.59 km。其中,110 kV線路有5條,長度為48.81 km;35 kV線路有24條,長度為238.49 km;10 kV線路有145條,長度為744.76 km;6 kV線路有115條,長度為794.53 km。

勝利油田電網(wǎng)2019年轉(zhuǎn)供電量為59.06億kW·h,勝利電廠自發(fā)電量為41.16億kW·h,外購電量為17.89億kW·h。2020年計劃自發(fā)電量為45.97億kW·h,外購電量為7.86億kW·h。電網(wǎng)最大負荷為110萬kW以上,最小負荷為75萬kW。

勝利油田電網(wǎng)有自備電廠1座,機組5臺。其中,22萬kW熱電機組有2臺,30萬kW熱電機組有2臺。4臺熱電機組裝機總量為104萬kW,供熱能力為2 500萬m2。三期66萬kW熱電機組有1臺,為公用機組。根據(jù)不完全統(tǒng)計,目前孤東電網(wǎng)在110 kV孤東一號變、孤東二號變的35 kV Ⅰ段、Ⅱ段母線接入80 MW光伏發(fā)電。

3 勝利油田新能源發(fā)展規(guī)劃

近年來,勝利油田深入貫徹落實集團公司綠色低碳戰(zhàn)略部署,積極踐行綠色企業(yè)行動計劃,不斷加快推進地熱、余熱、太陽能等新能源的開發(fā)利用,為中石化綠色企業(yè)創(chuàng)建和推動高質(zhì)量發(fā)展做出積極貢獻。

2020年4月,勝利油田出臺綠色企業(yè)行動計劃實施方案,確立了2020年新增地熱、太陽能、余熱等新能源利用7 700 t標煤的目標。到2025年,上述新能源利用替代標煤32萬t。勝利油田開展新能源整體布局研究,大力發(fā)展余熱、太陽能、風能等新能源,形成多能互補的能源格局,實現(xiàn)效益、利潤最大化。今后,要加快地熱梯級綠色開發(fā),實施太陽能熱電開發(fā)利用,拓展海上平臺風電業(yè)務(wù),推進新能源多能互補智慧綠能示范區(qū)建設(shè),探索優(yōu)化市場化商業(yè)模式,實施大工程,推進大合作,拓展大服務(wù),做實做大油田內(nèi)外部新能源和節(jié)能減排項目,打造油田與熱能、光能、風能協(xié)同推進的1+X能源公司模式,調(diào)整余熱、地熱、太陽能、氫能、光伏、風能等非化石能源的消費結(jié)構(gòu),逐步提高新能源消費占比。

4 電網(wǎng)接入研究

4.1 380 V接入要求

油田閑余站庫土地可裝機容量一般為400 kW～1 000 kW,可通過380 V電壓等級接入,分塊發(fā)電,1～2路送出。原則上每路送出容量不宜超過400 kW,一般送出至站庫已建低壓配電室。

逆變器交流側(cè)裝設(shè)斷路器、隔離開關(guān)。并網(wǎng)柜有技術(shù)規(guī)格要求,實現(xiàn)交流匯流、電能計量、并網(wǎng)功能,并且進行防雷保護。并網(wǎng)柜功能區(qū)布局要考慮RS485組網(wǎng)、電能上傳、斷路器數(shù)據(jù)采集等裝置安裝區(qū)。公共連接點一般裝設(shè)斷路器、隔離開關(guān)。

考慮井場變壓器容量,一般光伏發(fā)電在100 kW以下,可接入油井變壓器低壓側(cè)。對井場配電柜進行改造,減少并網(wǎng)柜環(huán)節(jié)。

4.2 無功補償

在交流電路中,由電源供給負載的電功率有兩種,一種是有功功率,一種是無功功率。

有功功率是保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率,也就是將電能轉(zhuǎn)換為機械能、光能、熱能等其它形式能量的電功率。無功功率比較抽象,是用于電路內(nèi)電場與磁場交換,并用于在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。無功功率不對外做功,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備,要建立磁場,就要消耗無功功率。

無功功率從電力網(wǎng)絡(luò)穿越,產(chǎn)生能量損耗,所以在電力系統(tǒng)中,一般進行就地無功補償,杜絕因無功功率網(wǎng)絡(luò)穿越而產(chǎn)生的損耗。從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率,遠遠滿足不了負荷的需求,所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補償裝置來補充無功功率,以保證用戶對無功功率的需求。

無功補償通常采用的方法主要有三種:低壓個別補償、低壓集中補償、高壓集中補償。

低壓個別補償根據(jù)個別用電設(shè)備對無功功率的需求量,將單臺或多臺低壓電容器組分散與用電設(shè)備并接,與用電設(shè)備共用一套斷路器,通過控制、保護裝置與電機同時投切。低壓個別補償適用于補償個別大容量且連續(xù)運行的無功消耗,如大中型異步電動機等,以補勵磁無功為主。低壓個別補償?shù)膬?yōu)點是用電設(shè)備運行時無功補償投入,用電設(shè)備停運時無功補償也退出,不會造成無功倒送。低壓個別補償?shù)膬?yōu)點還包括投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等。

低壓集中補償指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè),以無功補償投切裝置作為控制保護裝置,根據(jù)低壓母線上的無功負荷直接控制電容器的投切。電容器的投切整組進行,做不到平滑調(diào)節(jié)。低壓集中補償?shù)膬?yōu)點包括接線簡單,運行維護工作量小,使無功就地平衡,從而提高配變利用率,降低網(wǎng)損,具有較高的經(jīng)濟性。低壓集中補償是目前無功補償中常用的手段。

高壓集中補償指將并聯(lián)電容器組直接裝在變電所的6 kV～10 kV高壓母線上的補償方式,適用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端,并且用戶自身有一定的高壓負荷,可以減少對電力系統(tǒng)無功功率的消耗,并且可以起到一定的補償作用。補償裝置根據(jù)負荷的大小自動投切,從而合理提高用戶的功率因數(shù),避免功率因數(shù)降低導致電費增加。高壓集中補償便于運行維護,補償效益高。

電力系統(tǒng)的無功電源除同步電機外,還有并聯(lián)電容器、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器。除電容器外,其余幾種無功補償裝置既能吸收容性無功,又能吸收感性無功。

目前,油田電網(wǎng)變電站在10 kV、6 kV母線側(cè)裝設(shè)有集中無功補償電容器,單臺容量一般為1 000 kvar～3 000 kvar,并且油井變壓器高壓側(cè)裝設(shè)分散式就地無功補償電容器。由此,在考察光伏電站接入時,一般380 V接入不考慮無功補償,當電站達到一定裝機規(guī)模,T接或?qū)＞€接入10 kV、6 kV系統(tǒng)時,考察接入線路無功負荷、有功負荷情況,按裝機容量占比計算無功補償容量。為減少投資,一般在10 MW以上才裝設(shè)靜止無功發(fā)生器,并且容量要通過計算進行控制。

另一方面,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,逆變器具有完善的無功補償能力,可以根據(jù)調(diào)度指令,進行無功補償。

4.3 主變中性點保護

大型變壓器是電力生產(chǎn)的核心設(shè)備,由于成本較高,因此在110 kV及以上的中性點直接接地電網(wǎng)中,普遍采用分級絕緣變壓器。

同一個110 kV網(wǎng)絡(luò),一般在靠近電源側(cè)110 kV變壓器中性點接地,網(wǎng)絡(luò)中其它變壓器不接地。油田許多110 kV變電站建成年限長,變壓器無中性點保護。由此,當接入光伏電站,特別是35 kV及以上接入、10 kV或6 kV接入、110 kV變電站10 kV或6 kV側(cè)接入時,一旦系統(tǒng)發(fā)生接地故障,中性點接地的變壓器跳開后,電網(wǎng)零序電壓升高或諧振過電壓等都會危及不接地的變壓器中性點絕緣。因此,處于多源系統(tǒng)中運行的大型變壓器必須裝設(shè)中性點保護。36 MW電廠灰場項目就對110 kV基南變和梁二變主變壓器中性點增加了間隙保護。

4.4 弱電網(wǎng)接入

在弱電網(wǎng)下裝機容量增加時,進行大規(guī)模光伏并網(wǎng),容易引發(fā)諧波諧振,危及光伏電站的正常穩(wěn)定運行。LCL 濾波器自身的有源阻尼策略并不會導致大規(guī)模光伏并網(wǎng)引發(fā)諧振,引發(fā)諧振的關(guān)鍵原因在于并網(wǎng)逆變器自身的穩(wěn)定裕度。電網(wǎng)阻抗、裝機容量、系統(tǒng)參數(shù)、控制策略等因素的綜合效應可以使并網(wǎng)逆變器在某一特定條件下運行到臨界穩(wěn)定狀態(tài)附近,進而引發(fā)諧振。諧振將導致入網(wǎng)電流在相應諧振頻段產(chǎn)生大量諧波。如果穩(wěn)定裕度進一步減小,系統(tǒng)將逐步由諧振狀態(tài)過渡到振蕩、發(fā)散等不穩(wěn)定狀態(tài)。

4.5 通信組網(wǎng)

根據(jù)光伏電站運行管理要求和電網(wǎng)調(diào)度規(guī)定,需要對逆變器狀態(tài)、并網(wǎng)點狀態(tài)、電能量進行實時監(jiān)控。

目前,主流逆變器廠家在國家物聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)大思路、大政策背景下,生產(chǎn)的逆變器產(chǎn)品都可以實現(xiàn)接入云平臺,如華為的托管云解決方案、陽光電源的陽光云解決方案等。這類解決方案適應目前的潮流趨勢,但后期會產(chǎn)生云平臺租賃費用。

對于并網(wǎng)點斷路器狀態(tài)、并網(wǎng)點潮流情況,在項目中敷設(shè)光纖或項目場景已有光纖的情況下,通過光纖接入待建光伏控制中心或勝利油田電力調(diào)度中心。在無光纖的電站,通過無線公網(wǎng)上傳。如勝利發(fā)電廠灰場項目,通過設(shè)計光纖,將電站、公共連接點信號上傳、監(jiān)控,達到四遙功能。又如坨二光伏電站、純梁首站光伏電站,通過數(shù)據(jù)傳輸單元+通信控制器模式上傳,工程實現(xiàn)中涉及規(guī)約轉(zhuǎn)換,對于油田電網(wǎng)特殊場景,方式復雜。

關(guān)口電能表數(shù)據(jù)基于智能電表+數(shù)據(jù)采集器的模式,通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳油田電能量計量系統(tǒng)。

4.6 微電網(wǎng)接入

對于比例連動或有能量反饋的負載,如油田抽油機,一般使用變頻器驅(qū)動,需要增加反饋電網(wǎng)的裝置或制動電阻,否則無法順利使用。采用反饋電網(wǎng)方式,投入成本高。采用制動電阻,反饋能量大,消耗功率大,是較不經(jīng)濟的方法。由此,如何對負載慣量產(chǎn)生的電能再生利用,是一大重點。

共用直流母線的原理是將變頻器分解為兩個部件,即整流器部分與逆變器分開。由此,一臺較大整流裝置可以供應多臺逆變裝置,每一臺逆變器的直流母線均并聯(lián)在一起,逆變器反饋的能量可以彼此互相利用。所有逆變器能量不足的部分再由整流橋補充,由電網(wǎng)供電。這種應用方式節(jié)電率最高。

在模塊化案例中,比較成熟的有直流公共母線變頻驅(qū)動方案,能夠?qū)崿F(xiàn)再生回饋,不同變頻器可以共用直流母線。

基于直流母線的抽油機井群控技術(shù)通過不平衡饋能直流母線互饋共享技術(shù)實現(xiàn)再生回饋。群控系統(tǒng)的整流濾波環(huán)節(jié)選用不可控整流方案,杜絕電能量饋網(wǎng),但存在諧波污染問題,需要進行改善。通過抽油機專用逆變器控制終端,實現(xiàn)電動機側(cè)向直流母線側(cè)饋能,通過饋能利用及優(yōu)化控制技術(shù),實現(xiàn)饋能的有效利用。群控系統(tǒng)是一種簡單的直流微電網(wǎng),抽油機電動狀態(tài)是直流微電網(wǎng)的負載,饋能狀態(tài)相當于直流微電網(wǎng)的一個特殊微源。已投運的營二多源微網(wǎng)在以上基礎(chǔ)上,在共直流母線通過直流—直流轉(zhuǎn)換裝置接入光伏電源,實現(xiàn)綠能消納。因為系統(tǒng)設(shè)計整流器止逆,不能向電網(wǎng)饋電,多余饋能通過制動電阻消耗,加之注入光伏綠能,需要在后續(xù)運行中進一步跟蹤研究,研究領(lǐng)域和目的涉及其它更多層面更深的技術(shù)內(nèi)容。油田直流群控引入光伏,可以在整流器交流側(cè)將光伏接入,實現(xiàn)就地消納、余量上網(wǎng),達到充分利用的目的。

4.7 消納能力

勝利油田電網(wǎng)已經(jīng)形成勝利發(fā)電廠為電源支撐,與220 kV九分場變、新孤變、鹽鎮(zhèn)變3座樞紐變電站四角環(huán)網(wǎng)運行的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。新孤變主變?nèi)萘繛?80 MVA,正常負荷為200 MW,最大負荷為220 MW,擔負著黃河以北孤島、孤東、樁西、河口及海上油氣生產(chǎn)任務(wù)。鹽鎮(zhèn)變主變?nèi)萘繛?×120 MVA,110 kV出線有6回,35 kV出線有9回。系統(tǒng)情況如圖1所示,系統(tǒng)分析見表1。

圖1 系統(tǒng)情況

表1 系統(tǒng)分析

5 電網(wǎng)接入流程管理

5.1 流程內(nèi)容

光伏電站接入電網(wǎng)工作包括接入申請、電網(wǎng)接入設(shè)計、接入工程設(shè)計、工程施工驗收、并網(wǎng)啟動調(diào)試等,需要進行全流程內(nèi)部控制與對外協(xié)調(diào)。在光伏電站項目可研階段,同期開展接入電網(wǎng)設(shè)計。

以書面形式向勝利油田電力分公司提出電網(wǎng)接入申請,組織協(xié)調(diào)設(shè)計院、采油廠、電力分公司,以及中心相關(guān)部所、項目部進行現(xiàn)場勘察,確定發(fā)電地址、公共連接點、并網(wǎng)點、容量、計量點、線路等,并填寫現(xiàn)場勘查工作單。

接入方案設(shè)計中,要進行電力電量平衡、潮流分析、短路計算、電能質(zhì)量分析、穩(wěn)定分析等各類電氣計算與分析,初步確定設(shè)備材料技術(shù)規(guī)格要求。

電網(wǎng)接入批復后,委托具備資質(zhì)的設(shè)計單位,按照批準的接入電網(wǎng)方案開展工程設(shè)計,確定電網(wǎng)接入一次二次配置、計量方式、遠動功能、通信方式等,形成施工白圖。提交設(shè)計審查申請及設(shè)計文件資料至電力分公司,由電力分公司負責進行接入電網(wǎng)工程設(shè)計報告外審。根據(jù)電力分公司接入電網(wǎng)工程設(shè)計審查意見,由設(shè)計院形成施工藍圖。

在項目實施階段,協(xié)調(diào)施工單位編制施工組織方案,協(xié)調(diào)監(jiān)理編制監(jiān)理方案,并審查。在項目施工過程中,抓好施工現(xiàn)場安全管理與質(zhì)量管理、承包商管理。重點關(guān)注逆變器組網(wǎng)工作,做好計量裝置檢定、信息采集入網(wǎng)工作,做好通信組網(wǎng)現(xiàn)場施工。

光伏電站建設(shè)工程中,光伏電站本體工程和接入電網(wǎng)工程施工結(jié)束前,要完成以下工作:

(1) 提前15 d向電力分公司提出光伏電站并網(wǎng)啟動調(diào)試申請;

(2) 完成電站運行操作規(guī)程的制訂,并編制啟動調(diào)試方案;

(3) 對現(xiàn)場設(shè)備命名編號,并張貼標志牌、安全警示牌等;

(4) 編制典型倒閘操作票;

(5) 《并網(wǎng)安全協(xié)議》由中心與電力分公司在光伏電站投產(chǎn)前1個月簽訂;

(6) 《用能合同》由中心與電力分公司在光伏電站投產(chǎn)前1個月簽訂;

(7) 《并網(wǎng)調(diào)度協(xié)議》由中心與電力分公司在光伏電站投產(chǎn)前1個月簽訂;

(8) 相關(guān)技術(shù)文件準備。

工程完工后,組織接入電網(wǎng)工程內(nèi)部驗收。最后電站并網(wǎng)調(diào)試、試運行。

5.2 注意事項

在現(xiàn)場勘察時,要注意搜集集控站或變電站接入線路負荷情況,特別是無功潮流,以便確定無功補償方案、線路消納能力。要盡量避免通過變壓器向上送電的情況。

在現(xiàn)場勘察時,要注意已有電力設(shè)施情況,如變電站線路保護配置情況,以及產(chǎn)品廠家、架空線路線徑、配電室配電柜開關(guān)情況,以便電網(wǎng)配合和公共連接點達到電網(wǎng)管理要求。

統(tǒng)籌分布式新能源的總體布局,以110 kV變電站為中心,下一級35 kV變電站、6 kV線路遞推,層層落實系統(tǒng)潮流負荷情況,以便確定電站裝機規(guī)模。

加強溝通交流。光伏電站電網(wǎng)接入設(shè)計、接入工程設(shè)計涉及電力公司、設(shè)計院、建設(shè)單位各方,工期短,任務(wù)重,要統(tǒng)籌安排,抓好窗口期,以供電管理區(qū)為落實單元,統(tǒng)籌推進,杜絕重復落實、反復調(diào)整。開好評審會,注意總結(jié)分析,舉一反三,積累經(jīng)驗,形成工作流程化、標準化。

6 結(jié)束語

筆者對光伏電站接入勝利油田電網(wǎng)進行研究,通過明確光伏發(fā)電并網(wǎng)接入的配套內(nèi)容及基本技術(shù)要求,最終建設(shè)安全、可靠、經(jīng)濟、高效的光伏發(fā)電運營管理系統(tǒng)。光伏電站并網(wǎng)接入后,實現(xiàn)調(diào)度遠程監(jiān)控、潮流分布平衡、操作安全簡捷、運行靈活可靠的基本目標。