鋼廠分布式電源并網(wǎng)計量方式研究

馬啟震, 彭楊東, 李海峰, 桂樹強

(中冶武勘工程技術(shù)有限公司, 湖北 武漢 430080)

0 引 言

鋼廠屬于耗電大戶,利用鋼廠屋頂建設(shè)分布式光伏發(fā)電項目,實現(xiàn)綠電替代火電,可以有效減少二氧化碳排放。鋼廠分布式光伏發(fā)電項目通常采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”發(fā)電模式。該種模式下,光伏發(fā)電優(yōu)先供鋼廠負荷使用,多余的電量返送電網(wǎng),當光伏發(fā)電不夠負載使用時,由電網(wǎng)進行電量補充。由于光伏“自發(fā)自用”和“余電上網(wǎng)”電費結(jié)算主體不同(前者是鋼廠,后者是電網(wǎng)公司),需要對鋼廠消納的電量和返送電網(wǎng)的電量分開進行計量。通常情況下,分布式光伏發(fā)電廠產(chǎn)權(quán)屬于電力投資企業(yè),鋼廠煉鋼尾氣發(fā)電廠產(chǎn)權(quán)屬于鋼廠,需要區(qū)分光伏發(fā)電和煉鋼尾氣發(fā)電返送電網(wǎng)的電量,分開結(jié)算電費。由于缺少有效的計量手段,電網(wǎng)難以將兩種電源返送電網(wǎng)電量進行區(qū)分[1],進而無法進行電費結(jié)算。一些地區(qū)電網(wǎng)公司停止批復(fù)鋼廠多個電源的接入手續(xù),一些地區(qū)政府要求鋼廠接入的多個電源為同一投資主體。雖然從政策方面避免了對多種電源返送電進行區(qū)分計量和結(jié)算,同時也限制了分布式光伏發(fā)電項目在這類鋼廠的應(yīng)用。本文針對鋼廠多電源并網(wǎng)計量方式進行研究,提供分布式光伏發(fā)電項目適應(yīng)具有自備電廠的鋼廠應(yīng)用場景的并網(wǎng)解決途徑。

1 鋼廠電源和負荷特性

1.1 鋼廠自備電源特性

鋼廠通常采用焦炭冶煉鐵礦石生產(chǎn)工藝。在高溫條件下,高爐內(nèi)部焦炭與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳,一氧化碳作為還原劑與鐵礦石反應(yīng)生成鐵水和二氧化碳,鐵水從高爐底部流出進入轉(zhuǎn)爐。然后,二氧化碳、反應(yīng)不完全的一氧化碳以及其余氣體作為煉鋼尾氣從高爐頂部排出。類似的煉鋼尾氣來源還有焦爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣以及熔鑄還原爐煤氣等。為減少二氧化碳排放,通常采用高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置(TRT)收集煉鋼尾氣進行二次發(fā)電,或者采用煤氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置(CCPP)收集煉鋼尾氣和煉鋼余熱進行二次發(fā)電。兩種自備發(fā)電機組均具有“電隨荷動”的特性。當生產(chǎn)負荷大時,產(chǎn)生的煉鋼尾氣多,尾氣發(fā)電機組發(fā)電量大;當生產(chǎn)負荷小時,產(chǎn)生的煉鋼尾氣少,尾氣發(fā)電機組發(fā)電量小。雖然可以通過儲罐存儲煉鋼尾氣,短時間調(diào)整發(fā)電功率,但是從長時間來看,發(fā)電量并不會減少。在階段時間區(qū)間內(nèi),煉鋼尾氣發(fā)電量與鋼廠負荷大小成正比。因此,煉鋼尾氣發(fā)電為有限可調(diào)電源。

1.2 鋼廠光伏電源特性

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿囊环N技術(shù)。光伏組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過逆變器變?yōu)榻涣麟?再由變壓器升壓至標準電壓,并入電網(wǎng)。光伏發(fā)電出力受太陽能輻照強度影響,呈現(xiàn)短時波動特性、晝夜間歇特性、季節(jié)浮動特性[2]。在云霧天氣,光伏組件受云層遮擋,無法直接接收太陽光,發(fā)電出力會短時降低,隨著云層飄過,光伏組件恢復(fù)正常發(fā)電出力。晝夜循環(huán)期間,白天光伏組件發(fā)電出力隨太陽升起降落呈波峰分布,夜間光伏組件停止發(fā)電。四季變換過程中,夏季光伏發(fā)電出力最高,春秋光伏發(fā)電出力次之,冬季光伏發(fā)電出力最低,因此,光伏為非可調(diào)電源。

1.3 鋼廠用電負荷特性

鋼鐵生產(chǎn)電力主要用于高爐、轉(zhuǎn)爐、連鑄、軋鋼等重要設(shè)備的驅(qū)動和加熱,以及風(fēng)扇、吊車、照明、空調(diào)等輔助負荷使用。其用電特性具有耗電量大、負載波動性大、功率因數(shù)低等特點。其中,高爐、電弧爐負載波動范圍可以達到50%以上。軋鋼機等設(shè)備在運行過程中也會出現(xiàn)顯著的周期性的變化。這些沖擊負荷引起的有功功率和無功功率變化導(dǎo)致鋼廠總體用電負荷呈現(xiàn)周期波動性。

1.4 鋼廠電力平衡特性

據(jù)統(tǒng)計,國內(nèi)采用焦炭煉鋼工藝的鋼廠煉鋼尾氣發(fā)電自給率可達70%～90%。加上屋頂光伏發(fā)電出力,鋼廠自備電源總出力在短時間內(nèi)會超過鋼廠總負荷。受鋼廠自備電源不可調(diào)特性、峰谷特性以及負荷周期波動特性的影響,鋼廠的市電進線電力潮流會出現(xiàn)周期性下電和返送電現(xiàn)象[3]。鋼廠電力負荷曲線示意圖如圖1所示。

圖1 鋼廠電力負荷曲線示意圖

2 直接計量方式

鋼廠接入光伏電源通常采用分布式并網(wǎng),單個并網(wǎng)點容量不超過6 MW,并網(wǎng)電壓等級不超過10 kV。光伏發(fā)電模式為“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”。光伏發(fā)電大部分可由鋼廠消納,僅在鋼廠檢修或者暫時減產(chǎn)期間會出現(xiàn)向電網(wǎng)返送電現(xiàn)象。當光伏電源只有1家投資主體,無須分開計量光伏返送電量,可視為單一電源,采用直接計量方式。鋼廠單一光伏電源發(fā)電出力趨勢柱狀圖如圖2所示。鋼廠單一光伏電源電力平衡趨勢柱狀圖如圖3所示。

圖2 鋼廠單一光伏電源發(fā)電出力趨勢柱狀圖

圖3 鋼廠單一光伏電源電力平衡趨勢柱狀圖

為滿足電能計量要求,需要在分布式電源與鋼廠配電網(wǎng)連接處設(shè)置1套單向計量電能表Q1,用于計量分布式電源總發(fā)電量。在鋼廠配電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接處設(shè)置1套雙向計量電能表Q2,正向計量鋼廠消納大電網(wǎng)的電量,反向計量鋼廠返送至大電網(wǎng)的電量[4]。鋼廠單一電源電氣接線示意圖如圖4所示。

圖4 鋼廠單一電源電氣接線示意圖

鋼廠電能計量計算過程如下所示[5]:

Qv↑=Q2↑

(1)

Qg=Q2↓

(2)

Qv↓=Q1-Q2↑

(3)

式中:Qv↑——鋼廠返送電網(wǎng)的光伏發(fā)電量;Q2↑——2#電表計量的上行電量;Qg——鋼廠消納的大電網(wǎng)電量;Qv↓——鋼廠消納的光伏發(fā)電量;Q1——1#電表計量的電量;Q2↓——2#電表計量的下行電量。

由上述可知,直接計量方式接線簡單,光伏返送電網(wǎng)電量可直接通過抄表得出,可適用于只有一個投資主體的單一電源鋼廠電能計量,是較為常用的電能計量方式。

3 等比例電量算法計量方式

當鋼廠接入的光伏電源屬于2家甚至更多家投資主體,需要分別計量每個光伏電源返送電網(wǎng)的電量。由于鋼廠多種光伏電源發(fā)電出力趨勢相同,發(fā)電功率比值接近定值,可采用等比例電量算法計量方式。鋼廠雙光伏電源發(fā)電出力趨勢柱狀圖如圖5所示。鋼廠雙光伏電源電力平衡趨勢如圖6所示。

圖5 鋼廠雙光伏電源發(fā)電出力趨勢柱狀圖

圖6 鋼廠雙光伏電源電力平衡趨勢

為滿足電能計量要求,需要在每個電源與鋼廠配電網(wǎng)連接處設(shè)置1套單向計量電能表Q1、Q2,在鋼廠配電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接處設(shè)置1套雙向計量電能表Q3。鋼廠雙光伏電源電氣接線示意圖如圖7所示。

圖7 鋼廠雙光伏電源電氣接線示意圖

鋼廠電能計量計算過程如下所示:

(4)

(5)

Qg=Q3↓

(6)

Qv1↓=Q1-Qv1↑

(7)

Qv2↓=Q2-Qv2↑

(8)

式中:Qv1↑——1#光伏電源返送電網(wǎng)的電量;Q3↑——3#電表計量的上行電量;Qv2↑——2#光伏電源返送電網(wǎng)的電量;Qg——鋼廠消納的大電網(wǎng)電量;Q3↓——3#電表計量的下行電量;Qv1↓——鋼廠消納1#光伏電源的電量;Qv2↓——鋼廠消納2#光伏電源的電量。

由上述可知,等比例電量算法計量方式接線簡單,光伏返送電網(wǎng)電量可通過抄表結(jié)果進行等比例計算得出,可適用于具有相同功率曲線的多電源鋼廠電能計量。

4 等比例功率算法計量方式

當鋼廠同時接入光伏電源和煉鋼尾氣電源,并且電源屬于2家甚至更多家投資主體時,需要分別計量每個電源返送電網(wǎng)的電量。由于鋼廠煉鋼尾氣電源發(fā)電自給率較高,加上光伏電源出力,會產(chǎn)生返送電網(wǎng)電量,返送電量和返送時間存在隨機性,可采用等比例功率算法計量方式。鋼廠光伏電源+尾氣電源發(fā)電出力趨勢如圖8所示,鋼廠光伏電源+尾氣電源電力平衡趨勢如圖9所示。

圖8 鋼廠光伏電源+尾氣電源發(fā)電出力趨勢

圖9 鋼廠光伏電源+尾氣電源電力平衡趨勢

為滿足電能計量要求,需要在每個電源與鋼廠配電網(wǎng)連接處設(shè)置1套單向計量電能表Q1、Q2,在鋼廠配電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接處設(shè)置1套雙向計量電能表Q3,在后臺配置服務(wù)器,每個電能表通過數(shù)據(jù)線接入后臺服務(wù)器,實時上傳功率數(shù)據(jù),由服務(wù)器進行等比例積分計算。鋼廠光伏+尾氣電源電氣接線示意圖如圖10所示。

圖10 鋼廠光伏+尾氣電源電氣接線示意圖

計算過程如下所示:

(9)

(10)

Qg=Q3↓

(11)

Qv↓=Q1-Qv↑

(12)

Qr↓=Q2-Qr↑

(13)

式中:Qv↑——光伏電源返送電網(wǎng)的電量;Qr↑——煉鋼尾氣電源返送電網(wǎng)的電量;Qv↓——鋼廠消納光伏電源的電量;Qr↓——鋼廠消納煉鋼尾氣電源的電量;P1(t)——1#電表計量的瞬時功率;P2(t)——2#電表計量的瞬時功率;P3↑(t)——3#電表計量的上行瞬時功率。

由上述可知,等比例功率算法計量方式的電能表配置與等比例電量算法計量方式類似,但是通信接線較為復(fù)雜。該種方式可適用于有多種不同發(fā)電功率曲線電源的鋼廠返送電能計量。該種計量方式依托服務(wù)器對多點位電能表功率數(shù)據(jù)進行實時讀取、計算和累加,要求通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。一旦局部點位通信中斷,將會導(dǎo)致計量過程紊亂和整體結(jié)果失真。隨著電源并網(wǎng)點的增加,計算過程更加繁瑣,工程應(yīng)用較為不便。

5 并網(wǎng)點鏈式π接法計量方式

針對鋼廠同時接入光伏電源和煉鋼尾氣電源,并且電源屬于2家甚至更多家投資主體時場景,可以通過并網(wǎng)點鏈式π接法計量每個電源返送電網(wǎng)的電量。

為滿足電能計量要求,鋼廠分布式電源需采用π接方式集中接入鋼廠市電進線,所有并網(wǎng)π接點采用鏈式連接。分別在每個π接點的電源并網(wǎng)點設(shè)置1套單向計量電能表Q1、Q2,在π接點中間設(shè)置雙向計量電表Q3,在電源進線端設(shè)置雙向計量電表Q4。鋼廠光伏+尾氣電源π接并網(wǎng)電氣接線示意圖如圖11所示。

圖11 鋼廠光伏+尾氣電源π接并網(wǎng)電氣接線示意圖

計算過程如下所示:

Qv↑=Q3↑

(14)

Qr↑=Q4↑-Q3↑

(15)

Qg=Q4↓

(16)

Qv↓=Q1-Qv↑

(17)

Qr↓=Q2-Qr↑

(18)

式中:Q4↑——4#電表計量的上行電量;Q4↓——4#電表計量的下行電量。

由上述可知,并網(wǎng)點鏈式π接法可以適用于有多電源的鋼廠返送電網(wǎng)電量計量,光伏返送電網(wǎng)電量可直接通過抄表得出。但是,該種計量方式需要在電源進線新增多個π接點,接線較為復(fù)雜,并且會降低進線安全穩(wěn)定性,對π接點繼電保護和制動裝置性能要求較高。為提升電網(wǎng)穩(wěn)定性,應(yīng)將光伏電源和煉鋼尾氣電源采用集中并網(wǎng),以減少π接并網(wǎng)點。由于鋼廠進線電壓等級通常為110 kV或220 kV,π接點電壓等級也相應(yīng)為110 kV或220 kV,因此,該種計量方式適用于光伏裝機容量100 MWp以上的鋼廠應(yīng)用場景。

6 結(jié) 語

本文針對鋼廠電源負荷特性提出了直接計量、等比例電量算法計量、等比例功率算法計量、并網(wǎng)點鏈式π接法計量4種計量方式。其中,直接計量方式適用于單一電源應(yīng)用場景;等比例電量算法計量方式適用于具有相同功率曲線的多種電源的應(yīng)用場景;等比例功率算法計量方式適用于具有不同功率曲線的多種電源的應(yīng)用場景,要求系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠;并網(wǎng)點鏈式π接法計量方式,適用于具有不同功率曲線的多種電源的應(yīng)用場景,要求電源并網(wǎng)電壓等級在110 kV以上,裝機容量在100 MWp以上。在實際工程應(yīng)用中,須結(jié)合實際情況進行綜合評估,選擇合適的計量方式。