豫北地区某6 MW分布式风电场接入系统方案研究

张义娜，史海博，张中宽，孙慧丽，王雅楠

(国网河南省电力公司濮阳供电公司，河南 濮阳457000)

0 引 言

河南省受资源条件限制，长期保持着以煤电为主的能源格局。这对河南省转变电力发展方式，积极调整能源结构，科学有序发展风力发电提出了迫切要求。

分布式风电开发虽为风电消纳提供了很好的解决途径，但是随着其在配电网中渗透率的提高，风速随机性、波动性引发的分布式风电出力波动以及风电机组自身特性将给配电网电压稳定、继电保护以及电能质量造成影响，威胁配电网的安全稳定运行[1]。主要体现在以下几点：

1)配电网发生短路故障时，分布式风电能为配电网提供一定容量的短路电流。分布式风电接入位置的差异和装机容量的不同将直接影响短路电流的大小，从而给配电网继电保护灵敏性、选择性带来一定的影响，而且在某种情况下导致保护误动或拒动。

2)分布式风电场一般位于负荷中心较近位置，基于风电机组自身的特点将会给配电网注入一定的谐波，会造成电压闪变。随着分布式风电装机规模的逐渐加大，配网谐波含量可能会超过国家标准，同时使得风电各分散点的接入点电压超越上限[2]。

3)分布式风电给配电继电保护中设备保护定值整定和继电保护的选择性、灵敏性带来影响。当配电网进行检修或者发生故障时，随着分布式风电渗透率的提高，会给配网造成一定的负荷转移，从而威胁整个电网的安全运行。

4)由于风电本身的多变性、不确定性，分布式风电接入配网可以将其等效看作配网负荷，随着风电出力随机性和波动性的加大，配网负荷的预测精度会下降。分布式风电渗透率的提高，给负荷预测及制定地区发电计划造成很大影响[3]。

5)分布式风电接入电网影响电网中保护装置的动作，配电网故障与大电网分离后，若分布式风电未及时与主网隔离，容易形成孤岛，从而对配电网中的用电装置造成威胁。

针对这些问题，对豫北地区某6 MW分布式风电场接入系统方案进行研究，实现风电场的顺利接入及后期可靠稳定运行。该6 MW分布式风电场项目位于某村庄附近，风机为3×2 MW，占地面积1 200 m2。

1 接入方案选择与系统方案

1.1 接入方案选择

1.1.1 接入电压等级分析

该6 MW分布式风电场项目,周边有一座35 kV变电站，容量为2×10 MVA，距离最近的线路为10 kV侯6号线，距项目位置约6.5 km，2019年10 kV侯6号线已改造，改造后为LGJ-240绝缘线；由10 kV侯6号线出的干支距风电场项目约1.7 km，线路需从周边村北头绕行，目前线路为裸铝导线，线径为70 cm，改造后为LGJ-185绝缘线；该项目周边有110 kV变电站一座，变压器容量为40+31.5 MVA，10 kV线路距项目位置约12 km。综合考虑，该6 MW分布式风电适合接入10 kV电压等级电网。

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1.1.2 负荷分析

1.1.2.1 周边35 kV变电站

35 kV变电站，变压器容量为2×10 MVA，距项目位置约6.5 km。站内10 kV目前空余间隔1回。2019年变电站最小负荷为0.689 MW。10 kV侧已接入光伏扶贫项目2.22 MW。其中35 kV变电站的典型年负荷、月负荷曲线图、负荷分析柱状图如图1～3所示。

图1 35 kV变电站2019年年负荷曲线Fig.1 Annual load curve of 35 kV substation in 2019

图2 35 kV变电站月负荷曲线Fig.2 Monthly load curve of 35 kV substation

图3 35 kV变电站最小负荷分析柱状图Fig.3 Histogram of minimum load analysis of 35 kV substation

由数据分析可知，35 kV变电站最小负荷全部在6 MW以下，其中大部分时间在2～3 MW之间，且已接入光伏扶贫项目2.22 MW，35 kV变电站无法消纳该项目所发电量。

1.1.2.2 周边110 kV变电站

周边110 kV变电站，变压器容量为40+31.5 MVA，距项目位置约12 km。站内目前10 kV空余间隔11回。排除极端少数情况，从D5000系统提取负荷数据。2019年该变电站35 kV侧最小负荷为1.13 MW，2019年变电站10 kV侧最小负荷为3.958 MW。其中110 kV变电站的典型月、日负荷曲线图、负荷分析柱状图如图4～6所示。

图4 2019年1号变10 kV侧年负荷曲线Fig.4 Annual load curve of 10 kV side of No.1 transformer in 2019

图5 2019年2号变10 kV侧年负荷曲线Fig.5 Annual load curve of 10 kV side of No.2 substation in 2019

图6 10 kV侧最小负荷分析柱状图Fig.6 Minimum load analysis histogram of 10 kV side

由图4～6数据分析可知：周边110 kV变电站10 kV侧最小负荷基本均在15 MW以下，其中大部分时间在5～9 MW，且变电站10 kV侧已接入光伏扶贫项目2.22 MW，该站消纳能力不足6 MW。

周边110 kV变电站10 kV侧最小负荷在2～3 MW的有3天，3～4 MW的有13天，4～5 MW的有35天，5 MW以上的有314天，除去母线故障及其他极端情况，2019年变电站10 kV侧最小负荷选取5 MW。

图7 2019年1号变35 kV侧年负荷曲线Fig.7 Annual load curve of 35 kV side of No.1 transformer in 2019

图8 2019年2号变35 kV侧年负荷曲线Fig.8 Annual load curve of 35 kV side of No.2 substation in 2019

图9 35 kV侧最小负荷分析柱状图Fig.9 Minimum load analysis histogram of 35 kV side

综上考虑，35 kV变电站基本无消纳空间；110 kV变电站35 kV侧消纳容量为2 MW，110 kV变电站10 kV侧消纳容量为5 MW，总体可消纳该6 MW分布式风电容量。

建议1：T接10 kV 6号线，改造后6号线为LGJ-240绝缘线；通过10 kV 6号线上返到35 kV变电站，通过周边110 kV变电站1号线上返到110 kV变电站35 kV侧、10 kV侧进行消纳，符合消纳原则；但6号线距风电场位置约6.5 km，距离过远。

建议2：T接10 kV 6号线3号干支末端，改造后3号干支为LGJ-185绝缘线；通过10 kV 6号线3号干支上返到35 kV变电站，通过110 kV变电站1号线上返到110 kV变电站35 kV侧、10 kV侧进行消纳，符合消纳原则；同时6号线3号干支末端距风电场位置约1.7 km，距离满足要求。

1.1.3 方案分析

建议1：风场内3台风机以一回线路T接入35 kV变电站10 kV侯6号线。

路径经现场勘查，地势平坦，无大障碍物，路径建设条件总体可行。

建议2：风场内3台风机以一回线路T接入35 kV变电站10 kV侯6号线干支。

路径经现场勘查，地势平坦，线路架设需要绕过周边村庄，从周边村庄北头绕行，绕行线路距干支接入点约1.7 km，路径建设条件总体可行。

1.2 接入系统方案

1.2.1 并网点、公共连接点及人工解列点

并网点设在分布式风电场并网线路10 kV侧断路器上。公共连接点设在“T”接点处，人工解列点设在6号线干支“T”接点断路器处。

1.2.2 电气计算

该6 MW分布式风电场接入系统短路电流计算：

1)分布式风电接入前

公共连接点短路电流：

IPCC=6.8 kA

公共连接点基准电压和并网点基准电压：

UN1=UN2=10.5 kV

并网点到公共连接点线路的阻抗：

XL=1.7×0.4=0.68 Ω

并网点短路电流:

式中:UN1为公共连接点基准电压，UN2为并网点基准电压，XL为并网点到公共连接点线路的阻抗。

2)分布式风电接入后

公共连接点短路电流：

并网点短路电流:

并网点短路电流计算结果见表1。

表1 并网点短路电流Table 1 Short circuit current of combined network point

由表1可知并网点短路电流均不大于25 kA，满足系统要求。

1.2.3 主要设备选择

1)升压站主变。升压用变压器容量采用3台2 000 kV变压器。

2)送出线路导线截面。送出线路出线优先采用架空线路，按持续允许电流并经短路热稳定计算，按电压损失校验，线路型号为YKLGYJ-150，长度约5 km。

3)电气设备。10 kV T接点断路器额定电流630 A，额定开断电流25 kA。 T接点处需要有明显的断开点，应配置隔离开关,额定电流1 250 A。

1.2.4 无功补偿

功率因数应实现在0.98(超前)～-0.98(滞后)范围内连续可调。

2 技术要求

2.1 系统对分布式风电的技术要求

2.1.1 电能质量

风力发电系统出力具有波动性和间歇性，谐波、电压波动、电压不平衡度、闪变等都会对配电网产生影响[4]。

对电压波动进行校验：风力发电机额定出口电压为690 V，随着风速变化电压波动范围为670～720 V，通过变压器升压后电压波动范围为10.20～10.96 kV。

式中：U1、U2、UN分别为风力发电机出口变压器10 kV侧电压最小值、最大值、额定值。

分布式风电接入电网后，各个并网点的电压波动满足GB/T 12326—2008《电能质量供电压波动和闪变》10 kV电压波动-3%～7%的规定。

2.1.2 电压异常时的响应特征

依据图10分布式电源低电压穿越要求，接入公共电网的风电类分布式电源，应具备以下低电压穿越能力，接入用户侧的分布式电源不要求具备低电压穿越能力。

图10 分布式电源低电压穿越要求Fig.10 Low voltage ride through requirements of distributed power supply

并网点考核电压在图10中电压轮廓线及以上的区域内，分布式电源应该保持并网运行状态；否则，允许分布式电源切出。

2.2 继电保护

2.2.1 线路保护

配置原则：为保障供电可靠性，减少停电范围，宜在分布式风电侧及T接点处断路器各配置1套线路过流保护,如图11所示，用于10 kV T接线路。校核系统侧变电站保护定值，做出适当调整。所需一次设备清单见表2。

表2 一次设备清单Table 2 Primary equipment list

图11 继电保护及安全自动装置配置示意图Fig.11 Schematic diagram of system relay protection and safety automatic device configuration

2.2.2 安全自动装置

在分布式风电侧设安全自动装置，目的是在频率和电压异常的时候，可以及时跳开分布式风电侧断路器。

2.2.3 设备清单

系统继电保护及安全自动装置配置清单详见表3。

表3 继电保护和安全自动装置设备清单Table 3 Relay protection and safety automatic equipment list

2.3 调度自动化

2.3.1 调度自动化配置及要求

2.3.1.1 电能计量

1)产权分界点。产权分界点设置在侯6号侯西线T接点断路器处。

2)安装位置与要求。应在产权分界点设置关口计量电能表。

3)技术要求。电能量计量装置的配置和技术要求应符合DL/T448和DL/T614的要求。要求有关10 kV高压计量电流互感器变比为400/5，电压互感器变比为10 000/100。

2.3.1.2 计量信息统计与传输

应在产权分界点配备用电信息采集终端1块，电能量数据通过采集终端上传至河南省电力公司用电信息采集系统。

2.3.1.3 电能质量在线监测装置

电能质量数据通过调度数据网上传至濮阳市地调调度端。

2.3.1.4 远动信息内容

分布式风电向电网调度机构提供的信号至少应该包括：分布式风电并网状态；分布式风电有功和无功输出、发电量、功率因数；并网点分布式风电升压变10 kV侧电压和频率、注入电网的电流；变压器分接头档位、主断路器开关状态等[5]。系统侧不增加新的间隔和出线，远动信息不变。

2.3.1.5 远动信息传输

分布式风电的远动信息传送到濮阳市地调调度端，采用专网方式。一般可采取基于DL/T 634.5101和DL/T 634.5104通信协议。

2.3.2 设备清单

表4为所需设备清单。

表4 设备清单Table 4 Equipment list

2.4 系统通信

2.4.1 通信方案

分布式风电场至35 kV变电站新架10 kV电力线路敷设1根ADSS-12B1光缆，长度约为5 km；35 kV变电站至110 kV变电站新架35 kV电力线路敷设1根ADSS-24B1光缆，长度约为10 km。

通信系统建议采用SDH光传输系统方案。在分布式风电场及系统侧分别配置1台SDH 155 M光端机，在风电场和调度端分别增加1套PCM接入设备，话机1部，将分布式风电场的通信、自动化、信息等业务接入系统，形成分布式风电至系统的通信通道。

通信设备供电采用站内直流系统通过DC/DC或UPS为设备供电。

通信需求：自动化通道业务(需要2个通道)、1部调度电话、电厂三区业务接入。

接入方式:SDH 和三层交换机的传输路径是从分布式风电场至35 kV变电站，从35 kV变电站至110 kV变电站，从110 kV变电站接到台前县调，进而将信息传递到濮阳市地调。

2.4.2 主要设备材料清单

采用同步数字体系方案，主要设备清单见表5。

表5 系统通信设备材料清单Table 5 System communication equipment material list

3 结 语

针对某6 MW分布式风电场能源消纳不足的现状，制定接入系统方案，通过计算公共连接点及并网点短路电流数值，验证了分布式风电场接入方案的有效性与建设路径的可行性；通过控制电能质量影响因素，确保并网点在电压轮廓线及以上区域；通过在分布式风电侧及T接点处配置线路过流保护，实现了继电保护；通过在产权分界点设置关口计量电能表，实现调度自动化；通过采用SDH方案，将分布式风电场接入系统，形成分布式风电至系统的通信通道。

分布式风电场接入系统可以起到降低网损、改善电压分布、提高供电可靠性、减轻环境污染等作用。从变电站规划、负荷等因素出发,制定分布式风电场接入系统方案，综合考虑豫北地区具体情况，统筹考虑，保障风电场顺利接入及后期稳定运行，提高了能源消纳率，为分布式风力发电的配电网规划问题提供参考。