光伏接入石化電網(wǎng)安全影響分析*

陶麗楠,李 君,王美威,錢志紅

(中石化(大連)石油化工研究院有限公司,遼寧大連 116045)

0 前言

近年來,我國光伏產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從有到強的高質(zhì)量發(fā)展。石化企業(yè)光伏、風(fēng)電裝機容量顯著提高,一定程度上減少碳排放量,但隨著新能源接入容量不斷增加,企業(yè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量面臨新的挑戰(zhàn)[1]。石化行業(yè)生產(chǎn)裝置多為一級負荷且生產(chǎn)工藝復(fù)雜,聯(lián)鎖性強,對電能質(zhì)量要求較高,電能質(zhì)量惡化對于一次系統(tǒng)極易導(dǎo)致裝置停車,甚至引發(fā)安全事故,造成嚴重的社會問題。對于二次系統(tǒng)可能引發(fā)保護裝置靈敏度降低,保護裝置誤動使設(shè)備退出運行等,因此,保證石化企業(yè)電網(wǎng)良好的電能質(zhì)量對安全生產(chǎn)十分重要[2-4]。光伏系統(tǒng)接入石化企業(yè)電網(wǎng)后,導(dǎo)致原有電網(wǎng)的潮流大小和方向發(fā)生改變,影響石化企業(yè)電網(wǎng)的電壓分布、短路電流等,有可能影響裝置的穩(wěn)定運行,或降低原有繼電保護配置的可靠性和靈敏性[5-10]。為使光伏系統(tǒng)接入石化企業(yè)電網(wǎng)更加合理,保證裝置長周期運行,減少因光伏系統(tǒng)接入引發(fā)的安全生產(chǎn)問題,需要在接入光伏系統(tǒng)前進行合理性分析。

針對國內(nèi)某石化企業(yè)配電系統(tǒng),研究分布式光伏系統(tǒng)接入企業(yè)低壓配電網(wǎng)時,分別接入不同位置、不同容量,電網(wǎng)電壓、短路電流的變化情況,總結(jié)光伏系統(tǒng)接入對石化企業(yè)電網(wǎng)安全運行的影響。

1 石化企業(yè)電網(wǎng)模型

某石化企業(yè)電網(wǎng)包含1座220 kV變電站,雙母線接線,110 kV LYX變電站和110 kV JL變電站,均為單母分段接線方式。6條110 kV電纜線路分別輸送至JL變電站、LYX變電站、HG變電站,4條35 kV電纜線路分別輸送至HF變電站及LYL變電站。正常運行4爐5機,發(fā)電負荷220 MW,總用電負荷272 MW。主網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。選取LYX變電站、LYL變電站、JL變電站內(nèi)0.4 kV母線接入光伏系統(tǒng),其中B1、B2、B3、B4節(jié)點位于JL變電站內(nèi),站內(nèi)共6條6 kV母線,選擇JL6-2、JL6-3、JL6-4段母線接入光伏。B5節(jié)點位于LYL變電站內(nèi),站內(nèi)共6條6 kV母線,選擇LYL6-1段母線接入光伏。B6、B7節(jié)點位于LYX變電站內(nèi),站內(nèi)共12條6 kV母線,選擇S603-1、S603-2母線接入光伏。各變電站內(nèi)6 kV和0.4 kV母線均為單母線單分段接線,經(jīng)過6/0.4 kV變壓器,連接低壓側(cè)負荷,配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖及負荷大小如圖2所示。在DIgSILENT軟件中建模仿真,6 kV線路模型長期允許載流量355 A,單位長度阻抗正序為0.187+j0.087Ω/km,長度參數(shù)如表1所示,最大運行方式及最小運行方式下,外電網(wǎng)W1、W2正序阻抗X1、零序阻抗X0參數(shù)如表2所示,0.4 kV光伏接入未考慮線路長度。將用電負荷均等效為恒功率模型,光伏系統(tǒng)發(fā)電,向電網(wǎng)輸送功率,潮流值表示為負數(shù)[1]。

表1 6 kV線路模型參數(shù)

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖1 主網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 配網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負荷大小

根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu),建立仿真模型。研究光伏系統(tǒng)不同接入位置、不同接入容量,對石化企業(yè)電網(wǎng)電壓分布、短路電流的影響。

2 光伏接入對石化企業(yè)供電電壓的影響

石化企業(yè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,區(qū)域變眾多,且電壓等級較多,從220 kV到0.4 kV電壓等級。石化企業(yè)生產(chǎn)裝置對供電要求很高。在進行光伏系統(tǒng)接入時,首先要保證供電可靠性,同時具備調(diào)度靈活、維護方便的特性,合理規(guī)劃接入方案,提高供電可靠性,減少投資費用的同時,最大限度保證裝置安全穩(wěn)定運行[11,12]。部分石化企業(yè)場地有限,多選擇分布式光伏接入石化電網(wǎng)。分布式光伏優(yōu)先為用電負荷供電,富余或不足部分由電網(wǎng)進行調(diào)節(jié)[13]。由于光伏發(fā)電的波動性和隨機性,系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定性會降低。

采用DIgSILENT軟件進行仿真分析,軟件功能模塊齊全,功能強大;可以與多種軟件進行數(shù)據(jù)交互,兼容性好;用戶可以根據(jù)需求自定義仿真模型,從而更加全面地建立系統(tǒng)模型[14]。以下分別討論單個、多個光伏系統(tǒng)在不同位置、不同接入容量時,石化電網(wǎng)電壓分布情況。

2.1 分布式光伏不同接入位置對石化企業(yè)供電電壓的影響

假定僅在某一節(jié)點接入光伏系統(tǒng),容量分別為0.3,0.5,0.7 MW,分析單個光伏接入對母線電壓影響。選取的光伏系統(tǒng)接入位置分別為B1～B7,進行潮流計算,計算0.4,6 kV母線電壓結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 0.4 kV母線電壓變化趨勢

圖4 6 kV母線電壓變化趨勢

從圖3和圖4分析得到,僅在單一節(jié)點,接入光伏系統(tǒng)容量不同,得到各母線電壓變化規(guī)律大致相同。接入光伏系統(tǒng)后,接入點電壓隨光伏接入容量增加而升高,0.4 kV母線電壓提升效果更明顯。

假定接入3個分布式光伏系統(tǒng),接入容量分別為0.3,0.5,0.7 MW,編號分別為P1、P2、P3。隨機選取3個接入節(jié)點,分析多個光伏系統(tǒng)接入對母線電壓影響。按照表3選取的光伏系統(tǒng)接入位置,進行潮流計算,計算0.4,6 kV母線電壓結(jié)果如圖5、圖6所示。

表3 光伏系統(tǒng)接入位置

圖5 0.4 kV母線電壓變化趨勢

圖6 6 kV母線電壓變化趨勢

從圖5和圖6分析得到,接入光伏系統(tǒng)總?cè)萘肯嗤?接入位置隨機組合,得到各母線電壓變化規(guī)律大致相同。接入光伏系統(tǒng)后,光伏系統(tǒng)附近的母線電壓包括0.4,6 kV母線電壓基本都有所提升,單純考慮電壓支撐,0.4 kV母線電壓支撐效果更為明顯。但因光伏系統(tǒng)接入,導(dǎo)致了B4母線發(fā)生電壓越限,在一定程度內(nèi)可選擇調(diào)節(jié)變壓器檔位,使母線電壓控制在合理范圍內(nèi),因此在選擇接入位置時,注意避免發(fā)生電壓越限的問題。

對比分析單一節(jié)點與多節(jié)點接入光伏系統(tǒng),兩種接入方式下,接入光伏系統(tǒng)對接入點母線電壓影響較大,隨接入距離增加,對其他母線影響越小。但單一節(jié)點接入光伏母線電壓變化存在一定規(guī)律性,多節(jié)點接入光伏系統(tǒng),隨接入位置、容量不同,母線電壓變化不同,同時相鄰或相近母線電壓一定程度上存在相互影響,可能導(dǎo)致接入點或附近母線電壓越限。

2.2 分布式光伏不同接入容量對石化企業(yè)供電電壓的影響

假定光伏系統(tǒng)接入位置為節(jié)點B1、B3、B6,P1接入B1節(jié)點、P2接入B3節(jié)點、P3接入B6節(jié)點。改變接入光伏系統(tǒng)的容量,接入容量變化如表4所示,進行潮流計算,分析分布式光伏系統(tǒng)相同接入位置、不同接入容量對母線電壓影響。計算0.4,6 kV母線電壓結(jié)果圖7和圖8所示。

表4 光伏系統(tǒng)接入容量 MW

圖7 0.4 kV母線電壓變化趨勢

圖8 6 kV母線電壓變化趨勢

從圖7和圖8分析得到,分布式光伏接入容量影響母線電壓水平。光伏接入容量不斷增加,接入點及附近母線電壓不斷升高,對其他變電站母線影響很小。接入容量越大,對母線電壓支撐效果越明顯,但接入容量過大,會導(dǎo)致母線電壓發(fā)生越限。因此在規(guī)劃階段,需要綜合考慮接入點處負荷大小,若負荷較輕時,合理選擇光伏系統(tǒng)接入容量,避免發(fā)生電壓越限,設(shè)備退出運行等問題。同時由于光伏系統(tǒng)發(fā)電量存在波動,過大的安裝容量會導(dǎo)致母線電壓波動明顯,不利于裝置的穩(wěn)定運行。

光伏系統(tǒng)接入引發(fā)的電壓波動問題可采用有載變壓器進行調(diào)節(jié)或利用光伏電源調(diào)節(jié)電壓[15]?？刂颇孀兤魑铡⑤敵鰺o功功率,可實現(xiàn)母線電壓調(diào)節(jié)。當光伏電源運行在發(fā)電模式時,主要輸出有功功率,輸出無功功率非常小;當光伏電源運行在調(diào)度模式時,可以控制其輸出功率。當電壓過高時,可以輸出感性無功,電壓過低時,可以輸出容性無功,改善電壓水平[16]。

3 光伏接入對石化企業(yè)短路電流的影響

3.1 分布式光伏不同接入位置對石化企業(yè)短路電流的影響

分布式光伏的接入,短路點電流會增加,可能影響二次側(cè)保護裝置動作。當短路故障發(fā)生時,光伏電源輸出電流急劇上升,導(dǎo)致流過元件電流過大,同時因短路故障導(dǎo)致功率傳輸不平衡,直流電壓不可控,因此光伏電源逆變器均設(shè)置了限壓和限流環(huán)節(jié)。本文采用的并網(wǎng)逆變器模型為電流內(nèi)環(huán)控制的電壓型PWM變流器,限制逆變器輸出電流,逆變器輸出電流可以視為光伏發(fā)電系統(tǒng)的短路電流[17]。光伏電源提供的短路電流最大不超過額定電流的1.5倍。

選取JL變電站進行光伏系統(tǒng)接入對電網(wǎng)短路電流分析,從不同節(jié)點接入相同容量光伏,接入節(jié)點分別為B2、B3、B4,光伏發(fā)電系統(tǒng)接入容量為0.7 MW。計算三相短路故障,0.4 kV母線包括電網(wǎng)側(cè)和母線側(cè)短路電流如表5所示。

表5 不同接入位置0.4 kV母線短路電流 kA

通過表5分析可知,接入光伏系統(tǒng)后,接入點及附近短路電流會增加,接入位置越近,短路電流增加越大,接入點位置越遠,短路電流影響越小。

3.2 分布式光伏不同接入容量對石化企業(yè)短路電流的影響

接入位置選擇在JL變電站B2、B3、B4三個母線光伏系統(tǒng)接入光伏,B2、B3、B4變壓器容量0.8,1,1 MW,根據(jù)行業(yè)標準DL/T 2041—2019分布式電源接入電網(wǎng)承載力評估導(dǎo)則,新增光伏容量最大為變壓器容量的80%,故選擇接入光伏系統(tǒng)有功功率分別為0,0.4,0.6,0.8 MW,仿真結(jié)果如表6所示。

表6 不同接入容量0.4 kV母線短路電流

通過表6分析可知,母線短路電流隨光伏系統(tǒng)容量增加而增大,光伏系統(tǒng)提供短路電流占比2.9%～5.64%,占比較小。根據(jù)國家標準GB/T 32826—2016 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模導(dǎo)則,當交流側(cè)發(fā)生三相短路故障時,光伏系統(tǒng)等效為一個受控電流源,最大輸出電流表示如下:

Is=k·IN

(1)

式中:Is——逆變器最大輸出電流,pu;

IN——逆變器額定電流,pu;

k——逆變器電流飽和系數(shù),典型值取1.2～1.5。

發(fā)生交流測電網(wǎng)短路故障時,所有逆變器短路電流加和可認為是光伏發(fā)電系統(tǒng)短路電流[19]。因此,光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后,會引發(fā)短路電流變化,但由于光伏電源本身具有限流環(huán)節(jié),影響不明顯。只有當接入容量足夠大時,有可能會導(dǎo)致原有保護裝置靈敏度降低,引發(fā)誤動、拒動等問題。利用仿真分析手段,分析系統(tǒng)短路電流變化,優(yōu)化繼電保護配置,可以有效減少事故發(fā)生的頻次。

4 結(jié)論

本文基于某石化企業(yè)電網(wǎng)模型,對分布式光伏系統(tǒng)接入石化企業(yè)電網(wǎng),對生產(chǎn)安全運行的影響進行研究。

a) 光伏系統(tǒng)在單一節(jié)點及不同節(jié)點接入石化企業(yè)電網(wǎng)時,兩種方式均對接入位置附近母線電壓影響明顯,對上一級母線電壓影響較小,單一節(jié)點接入較不同節(jié)點接入光伏系統(tǒng)母線電壓變化更有規(guī)律性。光伏系統(tǒng)不同接入容量,接入容量越大對母線電壓支撐越明顯,但是容量過大可能發(fā)生電壓越限,影響裝置安全運行,因此需要合理匹配光伏接入位置處接入容量。

b) 分布式光伏接入石化企業(yè)電網(wǎng),當發(fā)生三相短路時,因光伏逆變器一般采用了限流措施,光伏系統(tǒng)提供的短路電流較小,短路電流隨光伏接入容量增大而增大,如果容量過大,有可能導(dǎo)致保護裝置誤動或拒動,由于石化企業(yè)裝置連鎖性強,某一裝置退出運行,可能引發(fā)一系列安全問題。

通過對石化企業(yè)分布式光伏系統(tǒng)不同位置、不同接入容量對電網(wǎng)電壓、短路電流的影響進行研究,有助于指導(dǎo)分布式光伏接入石化企業(yè)電網(wǎng)的規(guī)劃與運行,保證電網(wǎng)供電電能質(zhì)量,減少光伏系統(tǒng)接入企業(yè)電網(wǎng)對安全生產(chǎn)帶來的隱患。