《電子技術(shù)應(yīng)用》
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大規(guī)模新能源并網(wǎng)精準(zhǔn)計量方式探討
2018智能電網(wǎng)增刊
李 翀1,李 蕊2,劉林青1,李 兵1,韓桂楠1,王錦騰1
1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊050011; 2. 國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院,北京 100075
摘要: 為響應(yīng)國家環(huán)境保護(hù)政策要求,以清潔能源逐步替代傳統(tǒng)能源,未來能源結(jié)構(gòu)將會發(fā)生大的變革。清潔能源具有間歇性及雙向性等特點,加之目前儲能技術(shù)的不成熟,清潔能源作為能源補給手段并入電網(wǎng)時會對電網(wǎng)造成一定的沖擊和影響,尤其針對大規(guī)模電網(wǎng)。電網(wǎng)計量是能源并網(wǎng)過程中的安檢員,計量的準(zhǔn)確性及抗擊性都是對電網(wǎng)安全運轉(zhuǎn)的首道防線。針對大規(guī)模新能源并網(wǎng)對計量的要求提出新的計量模式,保障電能潮流平衡,并通過優(yōu)惠計量政策最大化鼓勵清潔能源發(fā)電比例。本文的研究成果有助于推進(jìn)新能源并網(wǎng)計量技術(shù)突破。
中圖分類號: TM71
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2018.S1.059
Abstract:
Key words :

0  引言

    清潔能源開發(fā)根據(jù)發(fā)電量大小分為兩種形式:分布式清潔能源發(fā)電和大規(guī)模清潔能源發(fā)電。分布式清潔能源發(fā)電一般是指小作坊型的太陽能發(fā)電,供個人或集體用戶自產(chǎn)自銷,并不需要并入核心電網(wǎng),通過逆變器連接計量電表直接與用戶相連,對計量系統(tǒng)會產(chǎn)生一些諧波或直流影響,但在可控范圍內(nèi)。在東北或者南方偏遠(yuǎn)山區(qū)集中采集風(fēng)能和太陽能,利用超級電容緩存電能,通過電纜直接并入35 kV高壓線路,輸送到鄰近城區(qū)。大規(guī)模能源并網(wǎng)由于需電網(wǎng)線路輸電,因此要求發(fā)電質(zhì)量、規(guī)格、規(guī)模都符合電網(wǎng)輸電標(biāo)準(zhǔn),才能在輸電線路上正常傳輸。大規(guī)模能源并網(wǎng)電源裝機容量較大,以“向外送電”為主,在夜間或無風(fēng)等不滿足發(fā)電條件下,也需要從電網(wǎng)獲取電能滿足電站自身的運轉(zhuǎn),因此計量的雙向性測量需保證精準(zhǔn)才能保持能量來回輸送的平衡。

    為了保證計量過程的精準(zhǔn)性以及計量設(shè)備部署的經(jīng)濟性,同時考慮大規(guī)模能源的接入點位置以及接入電壓等級等,針對不同的電壓接入點應(yīng)有不同高壓計量方式,相應(yīng)的設(shè)備性能也要根據(jù)實際運行工況來確定。本文探討更優(yōu)化的方式來解決大規(guī)模能源的計量問題。

1  大規(guī)模新能源并網(wǎng)特點

    建設(shè)大規(guī)模新能源主要目的是把偏遠(yuǎn)區(qū)域的寶貴能源充分開發(fā)利用起來,由于當(dāng)?shù)厝鄙倬用褡?,只能將能源遠(yuǎn)距離送點到鄰近地區(qū)或缺電城市消納。新能源開發(fā)的模式以及不同能源轉(zhuǎn)換過程中的差異性是存在的,即使進(jìn)行了能量逆變統(tǒng)一,但是在電流、電壓參數(shù)方面還是有略微的偏差,一般偏遠(yuǎn)地區(qū)的電網(wǎng)網(wǎng)架也較薄弱,一點偏差會有較大影響;而電網(wǎng)計量系統(tǒng)是以參數(shù)精準(zhǔn)性為前提,能源并網(wǎng)運行中面臨的各種問題都會影響計量的準(zhǔn)確性。下面綜合分析下并網(wǎng)過程中的特點和缺陷。

    (1)雙向性和間歇性:大規(guī)模新能源作為電網(wǎng)的能源補充方式,和傳統(tǒng)的發(fā)電廠形式不一樣,電廠發(fā)電作為獨立的系統(tǒng)不需從輸電線路中取電充電,新能源發(fā)電時潮流方向只是指向用戶一段,但在無法發(fā)電時段,就需電網(wǎng)補給供電,常規(guī)電網(wǎng)單向計量模式無法適應(yīng)雙向計量,在計量上需改造成上下行同時可發(fā)送控制信息。一般新能源發(fā)電都會受季節(jié)和時間的影響,例如在風(fēng)力充足的冬季夜間和陽光充足的夏季白天,風(fēng)電機組和太陽能電池基本是滿負(fù)荷工作,而之外的時間發(fā)電能力較弱或者基本電量為零。

    (2)無功電壓不穩(wěn)定:在大功率能源集中供電時,會給輸電網(wǎng)造成很大的沖擊,功率波動突然變大,可能導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動性增加,從而失去穩(wěn)定性。尤其是風(fēng)能這種能源介質(zhì)具有隨機性和波動性,很容易無法預(yù)測其電網(wǎng)潮流,無功電壓的波形出現(xiàn)驟升或驟降的可能,進(jìn)而導(dǎo)致鄰近電廠的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)過電壓或欠電壓動作而導(dǎo)致連鎖脫網(wǎng)故障,影響范圍無法估計。因此需通過設(shè)置合理的計量方式預(yù)估電壓變化幅度,調(diào)和局部電壓變化壓力。

    (3)穩(wěn)定性差和發(fā)電效率不高:清潔能源之所以前期沒有被大量開發(fā),主要原因在于電能轉(zhuǎn)換效率低,以效率換取能源的開發(fā)是不合理的,但目前考慮環(huán)境問題,所以將清潔能源作為主要補充手段,盡力增大能源轉(zhuǎn)化效率。風(fēng)輪的理論最大效率為 59.3%,而實際的效率則更低,水平軸的風(fēng)輪機實際效率通常在 20%~50%,垂直軸風(fēng)輪機的最大效率在30%~40%。因此通過計算能源轉(zhuǎn)化效率來預(yù)測可開發(fā)能源量,數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)潮流平衡計算的重要依據(jù)。大容量能源并網(wǎng)后會給電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來一定影響,尤其在發(fā)生并網(wǎng)故障時,同步機組功率極限值的變化對同步機組功角值的恢復(fù)產(chǎn)生影響。

    (4)調(diào)頻控制能力差:國家電網(wǎng)公司印發(fā)了關(guān)于風(fēng)能和太陽能并網(wǎng)接入的技術(shù)規(guī)定,對電源的總?cè)萘?、電壓等級及時頻范圍進(jìn)行了規(guī)范。并網(wǎng)過程中也會影響電能頻率的變化,出現(xiàn)頻率控制的問題。需通過參與電網(wǎng)的電源容量同步調(diào)頻,利用功率預(yù)測手段,實現(xiàn)有功功率自動控制,預(yù)測的精準(zhǔn)性還需計量裝置的配合。

    (5)送電量受網(wǎng)架質(zhì)量限制:清潔能源發(fā)電站附近的網(wǎng)架一般比較薄弱,有時對于大規(guī)模送電無法支撐,往往出現(xiàn)送出的能力低于額定送出功率,對發(fā)電端設(shè)備是一種勞損??赏ㄟ^靈活設(shè)計周邊網(wǎng)架輸電路由及策略,提升發(fā)電效率。

2  針對新能源并網(wǎng)計量應(yīng)對措施

    通過對新能源并網(wǎng)特征進(jìn)行全面分析,發(fā)現(xiàn)很多問題都需要計量手段去配合和控制才能提升并網(wǎng)的性能。電能計量是在發(fā)電過程中,通過一定的設(shè)備記錄下流過設(shè)備的電量,送端作為送電的可行性的依據(jù),收端作為電費消納的依據(jù)。計量裝置針對不同的應(yīng)用場景配置也不會相同,共有5類計量裝置,分別為有功電能表、無功電能表、電壓互感器和電流互感器,其準(zhǔn)確度等級各不相同,其中,0.2 級的電流互感器僅是指發(fā)電機出口處所配備的電能計量裝置,S是特殊用途的電能表的精度標(biāo)準(zhǔn)。在小負(fù)荷的情況下,S 級電能表與非 S 級電能表的主要區(qū)別在于對輕負(fù)載計量準(zhǔn)確度的要求不同,S 級要比非 S級具有更高的測量精度。因此大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電選擇電流互感器計量裝置,并網(wǎng)時會帶來一些不確定因素造成計量不準(zhǔn)確,需采取相應(yīng)的措施。

    (1)應(yīng)對諧波:新能源并網(wǎng)時需要輔助大量的電力電子元件參與控制和運行,發(fā)電機組都會引起電流和電壓的畸變,所謂的諧波產(chǎn)生。諧波的產(chǎn)生會造成設(shè)備壽命的損耗而且會導(dǎo)致設(shè)備的誤動,危害性很大。拿風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生諧波的過程來描述:風(fēng)電產(chǎn)生諧波的設(shè)備有電源、逆變器、整流器等,當(dāng)風(fēng)機運轉(zhuǎn)時,這些電力電子元器件一直處于交直交變頻狀態(tài),在轉(zhuǎn)變過程中,會出現(xiàn)諧波的干擾,導(dǎo)致直流轉(zhuǎn)交流時并非為正弦電壓波形,而是含有頻率寬帶不一致的含有諧波的交流電流。從硬件設(shè)計上可選擇提高逆變器切換速度來減少諧波的含量;從計量手段上來分析,可采用頻段較寬的電流互感器作為計量設(shè)備,或者通過功率預(yù)測,測量出基波和諧波所占比例,當(dāng)諧波值超出一定閾值時則對電能進(jìn)行抑制,不影響整體電能質(zhì)量。

    (2)應(yīng)對頻偏:一般當(dāng)新能源并網(wǎng)時,系統(tǒng)頻率會突然增加,在接入電網(wǎng)或離網(wǎng)的拉/合閘過程中會產(chǎn)生較大的沖擊電壓,會對電能計量設(shè)備造成不良影響??赏ㄟ^截頻濾波方式或頻率檢測方式,在不滿足電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時禁止并網(wǎng)。

    (3)應(yīng)對無功電壓控制安全問題:針對大規(guī)模新能源基地?zé)o功電壓控制問題,已研究出了各種控制手段,如通過設(shè)計類似AVC的控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)控制場內(nèi)無功設(shè)備,保障電廠出口電壓安全;結(jié)合功率預(yù)測的無功電壓控制技術(shù),將預(yù)測結(jié)果引入控制策略,利用動靜態(tài)調(diào)節(jié)手段對電壓進(jìn)行大小幅度補償?shù)?。以上采用的技術(shù)都要基于電網(wǎng)計量設(shè)備的測試值,因此計量的準(zhǔn)確性是要解決的關(guān)鍵問題,在計量側(cè)增加各類測試參數(shù),為電網(wǎng)控制提供更多參考基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3  新能源并網(wǎng)要求及計量方式

3.1  并網(wǎng)技術(shù)要求

    大規(guī)模能源并網(wǎng)時,由于轉(zhuǎn)化電能量級較大,會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊和潮流方向架構(gòu)的變化。電網(wǎng)為保障自身運行的可靠性和經(jīng)濟性,會對地方性大型能源并網(wǎng)提出補充要求,如針對容量、電能電壓質(zhì)量、諧波含量等都有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。具體要求說明如下。

    (1)并網(wǎng)電壓要求:大規(guī)模能源并網(wǎng)時,應(yīng)充分選擇合適的配變電系統(tǒng)對接,電壓等級應(yīng)保持一致,不需進(jìn)行降壓處理,在進(jìn)入輸電線路時應(yīng)考慮架構(gòu)落后等原因選擇輸送容量的大小,會有限流的可能,一定不能超過輸送容量限制量。

    (2)接入比例:新能源開發(fā)技術(shù)還不夠成熟,就目前情況依然以常規(guī)發(fā)電為主。電網(wǎng)規(guī)劃會在前期做好潮流計算,每個城市有各自用能飽和度,新能源接入容量會有一定比例要求,開發(fā)過多會導(dǎo)致能源無法消納而造成浪費。參考國外常規(guī)能源和新能源應(yīng)用比例來看,容量應(yīng)不大于30%。

    (3)電能質(zhì)量:電能質(zhì)量是電能入網(wǎng)的最基本要求,電網(wǎng)也根據(jù)輸電設(shè)備及電纜特性研究制定了多項相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),衡量電能質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)可以將電能的電壓、電流、功率是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),諧波產(chǎn)生方式及量級大小是否在可控范圍內(nèi)等作為依據(jù)。相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)主要包括:GB12325-90《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》,GB12326-2000《電能質(zhì)量電壓波動和閃變》,GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,GB/T15543-1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》,GB/T15945-1995《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)允許頻率偏差》,GB/T18481-2001《電能質(zhì)量電能暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》等。

    (4)繼電保護(hù)配置:大規(guī)模新能源其實等同于一個小型變電站,電網(wǎng)對安全保障要求很高,站內(nèi)都配置了繼電保護(hù)設(shè)備,主要是對線路、母線等一次設(shè)備進(jìn)行跳閘保護(hù),在并網(wǎng)線路上需裝設(shè)同方向過流過壓保護(hù)裝置,一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)電機容量、電壓等級、接口類型等不符合初始配置要求,則立即發(fā)生保護(hù)動作,以此提高供電的可靠性。

3.2  并網(wǎng)計量新模式

    大規(guī)模并網(wǎng)相對分布式能源并網(wǎng)更加復(fù)雜,大部分開發(fā)的電能需外送到其他地區(qū),因此在進(jìn)入高壓電網(wǎng)時需設(shè)置計量點,核算遠(yuǎn)送電量的大小。正如前面所描述新能源并網(wǎng)具備雙向性,在發(fā)電高峰期以向電網(wǎng)送電為主,需設(shè)置一個計量裝置;在發(fā)電淡期,以電網(wǎng)向站點送電為主,也需要設(shè)置一個計量裝置,因此并網(wǎng)采用雙向計量方式,需部署兩個計量裝置。根據(jù)部署關(guān)口位置的不同,有3種較典型的設(shè)置方式,如圖1所示。

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    方式一僅在進(jìn)入高壓電端線路兩側(cè)設(shè)置正反向計量點,正向計量新能源電站向電網(wǎng)輸送的電能量,反向計量電網(wǎng)向電站輸送的電能量。采用的計量裝置為電流互感器,電流互感器應(yīng)設(shè)置兩組抽頭,并分別進(jìn)行調(diào)校;光伏陣列發(fā)電產(chǎn)生的電能通過母線傳輸?shù)礁邏弘娋W(wǎng),一般對上下行能源潮流比例會有一定控制,計量裝置則控制關(guān)口能源量數(shù)值,一般上行進(jìn)電量在30%~50%之間,下行控制在小于10%。

    方式二為對稱式雙點設(shè)置,分別在鄰近接入變電站和光伏發(fā)電站部署計量點,在發(fā)電站側(cè)部署的是計量并網(wǎng)電量,在變電站側(cè)計量的是向發(fā)電站補充的電量。這樣計量,可以考慮新能源發(fā)電優(yōu)惠政策,兩個計量點電能售價不一樣,新能源電價低一些,這樣通過差級比較,能計算節(jié)省電量的比例。

    方式三可稱之為三點設(shè)置方式,綜合了方式一和方式二的優(yōu)勢,同時考慮了站內(nèi)用電的損耗及電價優(yōu)惠政策。在3點都設(shè)置了計量設(shè)備,M3可以控制總線路上的潮流方向,能及時通知M1和M2開啟計量工作。電站發(fā)電所得電費為:

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式中,k2為電網(wǎng)銷售電價,k1為新能源發(fā)電上網(wǎng)電價,W3為M3表計量的電能量,W2為M2表計量的電能量,W1為 M1表計量的電能量。

    新能源發(fā)電高壓并網(wǎng)電能計量點的3種設(shè)置方式各有特點:單點設(shè)置方式所需的計量設(shè)備數(shù)量最少,但對設(shè)備的調(diào)校要求較高;雙點設(shè)置方式所需的設(shè)備數(shù)量多于單點方式,但對設(shè)備的調(diào)校要求低于單點方式;三點設(shè)置方式所需的設(shè)備數(shù)量最多,對設(shè)備的調(diào)校要求與雙點方式相同,但該方式能區(qū)分站用電消耗的來源,可以配合國家對新能源發(fā)電的鼓勵政策。因此應(yīng)平衡建設(shè)資金及應(yīng)用需求,在投資充足的情況下,盡量選擇方式三,激勵用戶采用清潔能源,提升國家環(huán)保系數(shù)。

4  結(jié)論

    新能源并網(wǎng)是未來的能源提供的主流方式,將逐步替代常規(guī)能源,保障我國的能源可持續(xù)發(fā)展。新能源并網(wǎng)核心工作是確保計量方式的可靠性及安全性,計量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是判斷新能源電能是否能進(jìn)入電網(wǎng)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。新能源的多樣性及開發(fā)設(shè)備的差異性,容易導(dǎo)致開發(fā)的電能中產(chǎn)生不確定因素,通過在重要的電能出口或入口關(guān)口處部署合理的計量裝置,當(dāng)發(fā)現(xiàn)電能存在異常時,立即關(guān)閘切斷并網(wǎng)入口,直到測試達(dá)標(biāo)后才能進(jìn)入電網(wǎng)。本文提出了3種計量配置模式,可根據(jù)現(xiàn)場建設(shè)需求選擇恰當(dāng)?shù)姆绞浇鉀Q大規(guī)模能源安全并網(wǎng)問題。

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李  翀1,李  蕊2,劉林青1,李  兵1,韓桂楠1,王錦騰1

(1. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊050011;

2. 國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院,北京 100075)

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