新能源場站π 接或T 接已建線路對電網(wǎng)的影響對比分析

畢京斌，丁 斌，王佩玲

（山東魯中電力工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引 言

隨著全球能源轉(zhuǎn)型和可再生能源的快速發(fā)展，新能源場站成為電網(wǎng)體系中不可或缺的一環(huán)。作為連接新能源場站與電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，π 接和T 接接入方式的選擇對電網(wǎng)的穩(wěn)定性、潮流分布以及保護(hù)與控制系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)影響。在推動新能源高效接入電網(wǎng)的背景下，文章旨在比較π 接與T 接的技術(shù)特性及其對電網(wǎng)運(yùn)行的影響。通過深入分析，有助于優(yōu)化新能源并網(wǎng)方案，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論指導(dǎo)，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 技術(shù)原理

1.1 π 型接入方式的技術(shù)原理

π 型接入方式是一種將新能源發(fā)電站通過2 條傳輸線路斷開已有線路接入電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)類似于π 的形狀，發(fā)電站在中點(diǎn)（即π 的底部）產(chǎn)生電力，然后通過2 條外側(cè)傳輸線路（即π 的2 邊）連接到電網(wǎng)的2 個(gè)不同點(diǎn)上。在電氣工程中，這種并聯(lián)接入可以看作是在電網(wǎng)2 點(diǎn)之間加了一個(gè)具有確定阻抗值的新電源，意味著電力可以從這個(gè)中間點(diǎn)以2條路徑被送往電網(wǎng)的其他部分。π 型接入方式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供較好的電壓穩(wěn)定性和負(fù)載平衡能力。它允許電力在2 條傳輸線路上分配，因此有助于減輕單一線路的負(fù)載壓力，降低損失，并提高供電的可靠性[1]。

1.2 T 型接入方式的技術(shù)原理

T 型接入方式則是將新能源發(fā)電站直接接入電網(wǎng)的一條主干線上，形狀類似于字母“T”。這種方式是通過一條連接線將發(fā)電站接入主干線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使發(fā)電站產(chǎn)生的電力直接注入電網(wǎng)的該節(jié)點(diǎn)。T 型接入的好處主要是結(jié)構(gòu)上的簡潔性，與π 型接入相比，需要的傳輸線路較少，并且工程實(shí)施起來更為直接、成本較低[2]。然而，由于電力是通過單點(diǎn)注入，要求主干線在接入點(diǎn)具有充足的接收能力，否則可能引起電壓波動或?qū)е码娋W(wǎng)其他部分的負(fù)載不均衡。此外，T 型接入也可能對電網(wǎng)的保護(hù)和控制系統(tǒng)帶來額外的要求，因此需要確保故障時(shí)新能源發(fā)電站能夠迅速與電網(wǎng)解列，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 π 接和T 接性能對比

2.1 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性

在電力系統(tǒng)中，π 接和T 接作為新能源并網(wǎng)的2 種方案，對網(wǎng)絡(luò)的短路容量和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響有著本質(zhì)的不同。一方面，π 接方式提供了雙重接入點(diǎn)，通常能夠增加系統(tǒng)的短路容量。這是由于從2 個(gè)不同位置將發(fā)電功率注入系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的供電能力，從而在應(yīng)對電網(wǎng)造成的突擊負(fù)載或發(fā)生短路時(shí)，π 接入的重復(fù)路徑能夠分擔(dān)更多的電流，有助于限制故障后的電壓跌落，提高了電網(wǎng)的整體穩(wěn)定性[3]。此外，π 接可以通過其雙入口特性在發(fā)生故障時(shí)提供一定程度的備用路徑，增強(qiáng)了系統(tǒng)在面對單一點(diǎn)故障時(shí)的韌性，提升了故障響應(yīng)和恢復(fù)能力。但這也意味著π 接的保護(hù)和控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要在故障檢測和故障隔離上做出更快速和準(zhǔn)確的響應(yīng)，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

另一方面，T 接由于其設(shè)計(jì)的簡單性，當(dāng)新能源通過單一接入點(diǎn)并入電網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)的額外短路容量增加較少，可能導(dǎo)致系統(tǒng)在面臨大規(guī)模新能源注入時(shí)，對故障的承受能力沒有π 接方式強(qiáng)。T 接接入的新能源一旦發(fā)生故障，會導(dǎo)致整個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和穩(wěn)定性受到較大影響，從而對電網(wǎng)的穩(wěn)定性構(gòu)成挑戰(zhàn)。這樣的結(jié)構(gòu)在故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)的隔離更為迅速，但由于沒有備用路徑，系統(tǒng)的恢復(fù)能力較弱。因此，采用T 接的系統(tǒng)需要更多側(cè)重于預(yù)防措施和系統(tǒng)穩(wěn)定性控制技術(shù)的提升，以確保系統(tǒng)能迅速從局部故障中恢復(fù)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性和成本效益

π 接和T 接作為新能源接入電力網(wǎng)的2 種不同方式，在經(jīng)濟(jì)性和成本效益上存在顯著差異。一方面，由于π 接涉及在2 個(gè)接點(diǎn)接入電網(wǎng)，并包含更復(fù)雜的變電設(shè)施和保護(hù)系統(tǒng)，在建設(shè)階段的初期投資相對較高，其運(yùn)維費(fèi)用會因多個(gè)接入點(diǎn)而增加，需要在多個(gè)地方進(jìn)行維護(hù)和監(jiān)控[4]。然而，考慮π 接通常用于更大規(guī)模的項(xiàng)目，其成本在整個(gè)項(xiàng)目中會被較高的發(fā)電量和更優(yōu)的電網(wǎng)可靠性抵消，可以通過降低系統(tǒng)失效率和提高電網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量來提升整體的經(jīng)濟(jì)效益。

另一方面，T 接方式由于其直接的單點(diǎn)連接較為簡單，建設(shè)成本通常較低，對于小規(guī)?；蚍植际降男履茉错?xiàng)目，能夠?qū)崿F(xiàn)較快的投資回收。但如果新能源發(fā)電功率有大幅波動，會導(dǎo)致對電網(wǎng)穩(wěn)定性的額外投入，增加運(yùn)維成本。新能源接入后對電力市場的整體經(jīng)濟(jì)影響是多方面的，包括降低了能源成本。由于新能源通常具有較低的邊際成本，其接入大規(guī)模使用可以減少對化石燃料的依賴，使整體電力價(jià)格水平下降。此外，項(xiàng)目的投資回收期將受發(fā)電效率、運(yùn)維費(fèi)用以及市場電價(jià)等因素的直接影響。

2.3 功率質(zhì)量

當(dāng)新能源場站通過π 接或T 接方案接入電網(wǎng)時(shí)，這2 種結(jié)構(gòu)對電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、諧波污染、閃變以及三相不平衡等功率質(zhì)量指標(biāo)都會產(chǎn)生不同的影響。由于π 接提供了2 個(gè)接入點(diǎn)，在面對負(fù)載波動和發(fā)電不穩(wěn)定性時(shí)，這種結(jié)構(gòu)能更加有效地維持電壓穩(wěn)定性，分散風(fēng)險(xiǎn)和影響，減少任意接入點(diǎn)所承受的壓力。諧波污染在π 接方式下會得到一定程度的緩解，由于新能源場站的電力可以通過不同路徑進(jìn)入電網(wǎng)，分?jǐn)偟礁鱾€(gè)路徑上的非線性負(fù)載將會降低，相應(yīng)地減少了諧波的產(chǎn)生[5]。對于閃變現(xiàn)象，π 接結(jié)構(gòu)可以提供更穩(wěn)定的電壓，能夠在一定程度上減少由大型新能源設(shè)備產(chǎn)生的瞬時(shí)負(fù)載變化造成的電壓波動，進(jìn)而減輕閃變。至于三相不平衡問題，π 接方案能通過2 個(gè)接入點(diǎn)平衡電流分布，有利于維持三相電流的均衡。

而對于T 接方式，由于所有的新能源功率都是通過單一點(diǎn)并入電網(wǎng)，電網(wǎng)對電壓穩(wěn)定性的控制更具挑戰(zhàn)性，一旦發(fā)電功率突變對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，整個(gè)連接點(diǎn)的電壓都會受到較大波動。諧波污染在T 接方案中的影響會更加顯著。因?yàn)樗袕膱稣据敵龅碾娔芏技型ㄟ^這個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且諧波都將集中傳播，所以更有可能引起電網(wǎng)的諧波問題。T 接對閃變現(xiàn)象的抑制能力會比π 接弱，任何新能源發(fā)電造成的電壓波動都會直接通過單一連接點(diǎn)對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。在三相不平衡的問題上，與π 接相比，T 接并未提供附加的平衡機(jī)制，使得三相不平衡問題更加突出，尤其是當(dāng)場站出現(xiàn)一相的問題時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的平衡將受到?jīng)_擊。

2.4 調(diào)度和控制能力

在電力系統(tǒng)調(diào)度和控制方面，π 接與T 接方案會對靈活性和控制難度造成不同的影響。采用π 接方式，其雙重接入點(diǎn)的設(shè)計(jì)增加了調(diào)度的靈活性，使得對于供電路徑和容量的管理更加靈活，有助于實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)化的功率分配和優(yōu)化。在面對新能源出力的波動性時(shí)，能夠通過多個(gè)路徑分散風(fēng)險(xiǎn)并調(diào)整輸電路線，以適應(yīng)不同的發(fā)電和負(fù)載條件。然而這種復(fù)雜的接入方式也提高了控制的難度，要求使用更高級的監(jiān)控系統(tǒng)和智能控制算法來實(shí)時(shí)監(jiān)測和協(xié)調(diào)2 個(gè)接入點(diǎn)的狀態(tài)，以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。解決這一問題的方法包括采用先進(jìn)的電網(wǎng)管理系統(tǒng)，如集成了分布式能源管理系統(tǒng)（Distributed Energy Resource Management System，DERMS）或高度自動化的電網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)。

在對比π 接和T 接對新能源出力波動性的容納和調(diào)頻響應(yīng)方面，π 接因具備分散風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢，在容納新能源出力的波動性上表現(xiàn)更優(yōu)。例如，當(dāng)新能源出力突然增加或減少時(shí)，π 接方式可以調(diào)整2 個(gè)接入點(diǎn)中的1 個(gè)或2 個(gè)來應(yīng)對這種變化，不僅可以穩(wěn)定電網(wǎng)，還能減少對傳統(tǒng)電源的調(diào)頻需求。而T 接方案的單點(diǎn)進(jìn)入特性決定了對波動性的響應(yīng)可能會更加直接和劇烈。該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的任何出力波動都需要通過更傳統(tǒng)的調(diào)頻服務(wù)來平衡，會給調(diào)度帶來較大的壓力，并且需要更多的備用容量來處理突發(fā)的功率波動。

3 案例研究

以某個(gè)位于風(fēng)能資源豐富區(qū)域的大型風(fēng)電場站為例，該風(fēng)電場站決定接入現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)。由于該風(fēng)電場的規(guī)模較大，管理方在設(shè)計(jì)并網(wǎng)方案時(shí)面臨選擇π 接或T 接的決策。選擇π 接方案后，風(fēng)電場利用2 個(gè)分離的點(diǎn)接入電力系統(tǒng)，為電力調(diào)度和控制帶來了一系列的優(yōu)勢。具體而言，當(dāng)?shù)仫L(fēng)力的波動性較強(qiáng)，π 接方式使得該風(fēng)電場在風(fēng)速變化引起的輸出波動時(shí)，能夠通過2 個(gè)不同的路徑靈活地分配功率，確保對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響降至最低。同時(shí)，這2 個(gè)點(diǎn)分別接入電網(wǎng)意味著對于諧波污染、閃變及三相不平衡等問題有更好的緩解作用，可以利用并網(wǎng)點(diǎn)之間的冗余來調(diào)整電力輸出，以應(yīng)對這些問題。然而在控制和調(diào)度方面，該風(fēng)電場的管理團(tuán)隊(duì)需要使用智能算法和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析來同時(shí)監(jiān)控這2 個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，并確保風(fēng)電場的輸出與電網(wǎng)的需求和容量相匹配。

相比之下，如果選擇T 接方案，風(fēng)電場僅通過單一點(diǎn)并入電網(wǎng)。在初期，該方案對控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施的要求較低，因此更為簡單、成本效益更優(yōu)。然而，當(dāng)面臨風(fēng)速的快速變化時(shí)，通過單一并網(wǎng)點(diǎn)傳遞的所有功率波動會直接影響電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定性問題，增加了調(diào)頻和緊急響應(yīng)資源的需求。除此之外，風(fēng)電場的單點(diǎn)輸出成為諧波和三相不平衡問題的熱點(diǎn)。因?yàn)槿控?fù)載和不平衡都集中在單一輸出上，所以電力調(diào)度員需要更加頻繁地調(diào)整電網(wǎng)中的傳統(tǒng)電源，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定，增加了額外的運(yùn)營成本。

4 未來展望

隨著電網(wǎng)朝著智能化、低碳化、分布式發(fā)電以及高比例可再生能源并網(wǎng)的趨勢發(fā)展，π 接和T 接方案的適用性及其技術(shù)改進(jìn)方向成為重要的討論話題?？紤]電網(wǎng)的復(fù)雜性增加，以及人們對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性要求的提高，π 接方案更有助于滿足未來電網(wǎng)的需求，能夠提供更加靈活的能量流管理和更好的風(fēng)險(xiǎn)分散機(jī)制，尤其是在大規(guī)模分布式發(fā)電和波動性較大的新能源并網(wǎng)場景下。潛在的技術(shù)改進(jìn)方向包括發(fā)展更加先進(jìn)的電網(wǎng)管理軟件，利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)化調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)更高效和精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，并提升電網(wǎng)自適應(yīng)和自愈能力，從而有效處理復(fù)雜并網(wǎng)時(shí)的各種挑戰(zhàn)。

而T 接方案雖然在短期內(nèi)仍有簡潔性和成本效益的優(yōu)勢，但在適應(yīng)未來電網(wǎng)發(fā)展的過程中，該方案需要集成更多的技術(shù)創(chuàng)新以保持其競爭力，包括提高電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功率電子設(shè)備的性能。例如，應(yīng)用先進(jìn)的靜態(tài)同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator，STATCOM）或柔性交流輸電系統(tǒng)（Flexible Alternative Current Transmission Systems，F(xiàn)ACTS）以增強(qiáng)單點(diǎn)接入的電網(wǎng)支持能力，同時(shí)開發(fā)更靈敏的預(yù)測工具來管理由間歇性能源波動導(dǎo)致的電力輸出。

5 結(jié) 論

π 接方式因其靈活性和小幅度影響電網(wǎng)穩(wěn)定性，在新能源大規(guī)模接入背景下顯現(xiàn)優(yōu)勢，能夠解決接入難題，適應(yīng)電網(wǎng)變化。盡管初期成本高，運(yùn)營管理復(fù)雜，但適合處理高波動性和分布式資源。相比之下，T 接方式短期成本低，適用于小規(guī)模穩(wěn)定用電環(huán)境，但面對能源波動和系統(tǒng)穩(wěn)定性挑戰(zhàn)較大。未來，π 接方式需要技術(shù)創(chuàng)新與智能控制支持，而T 接方式需要在硬件和預(yù)測能力上提升。電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)考量當(dāng)前狀況和未來戰(zhàn)略，并促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，優(yōu)化系統(tǒng)管理。建議在新能源項(xiàng)目中優(yōu)先考慮π 接，結(jié)合智能化投資來提升效率，而對于小型或預(yù)算有限項(xiàng)目，可選T 接并運(yùn)用技術(shù)降低風(fēng)險(xiǎn)。電網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)持續(xù)動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和市場變化，確保電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。