光照水电站光伏电源接入改造设计研究

2023-11-10范开明曹宝英廖永峰

中国水能及电气化 2023年10期

范开明曹宝英廖永峰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081)

1 概述

光照光伏电站装机容量规模为 300MWp，光照水电站前期已采用 500kV 电压等级接入贵州电网，导线截面为 4×300mm2。考虑到光伏发电出力昼夜变幅大，为提高电能质量，减少光伏发电对电力系统的影响，光伏电站电量拟通过光照水电站现有500kV线路联合送出接入电网，通过水电站良好的调节性能，实现水光互补。

光照水电站装机规划为 1040MW，共安装4台260MW 水轮发电机组。发电机电压侧采用发变组联合单元接线方案，500kV升高电压侧采用三角形接线方案，2回500kV进线，1回500kV出线。550kV GIS室内预留了一个断路器扩建间隔空间，屋顶出线平台预留有一个间隔的出线设备安装空间，现场具备光伏电站接入的改造条件。

2 改造设计方案

根据前述初拟的水光互补送出方案，本期水电站的改造工作主要有：将光照水电站500kV升高电压侧接线进行改造，新增1个550kV GIS断路器间隔、1个光伏进线隔离间隔及相应的出线GIL和500kV出线设备；新增1套相应的二次控制、保护及通信系统设备(包含：开关站光伏接入LCU、500kV线路保护、500kV断路器保护、T区保护、电能质量在线监测装置、通信设备等)，对原相关二次设备进行改造升级(包括：调度端自动化、计算机监控系统、电能计量系统、同步向量测量装置、继电保护及故障录波信息管理系统、500kV故障录波装置、500kV变压器保护、断路器保护、T区保护、GIS汇控柜等)，新增1套500kV光伏电站架空线进线钢结构门型构架。

2.1 电气设备改造

将光照水电站现有500kV升高电压侧三角形接线方案改为四角形接线方案，扩建1回进线间隔作为光伏电站的接入，光伏电站电量采用光伏电站500kV升压站—500kV架空线—光照水电站出线平台门型架—SF6/空气套管—GIL母线—550kV GIS—水电站现有500kV线路—电网的传输路径。具体为在光照水电站550kV GIS室扩建1个断路器间隔(含隔离开关、接地开关、电流互感器等)和1个光伏进线隔离间隔(含隔离开关、接地开关、快速接地开关、电流互感器等)作为光伏电站接入回路，相应配置进线550kV GIL(含进线套管)和500kV户外进线高压设备，含1组氧化锌避雷器和2组电容式电压互感器(见图1、图2)。

图1 改造后500kV高压侧接线方案图

图2 改造后550kV GIS设备布置图

2.2 控制、保护及通信改造

2.2.1 计算机监控系统

光照水电站原计算机监控系统设电厂控制级和现地控制级，网络采用全开放的分层分布式冗余双星型工业以太网。电厂控制级按功能设置不同的服务器及工作站，主要设备采用双套热备冗余配置；现地控制级按对象分散设置4套机组LCU、1套开关站LCU、1套公用LCU、1套坝区LCU，PLC的CPU、电源模块、通信模块等采用双套热备冗余配置。原计算机监控系统为南京南瑞集团提供的 NC2000 V3.0 系列产品，LCU-PLC采用的施耐德昆腾系列产品。

本次改造在水电站500kV开关站新增1回500kV光伏进线，500kV电气主接线形式由三角形接线改为四角形接线。为实现对新增的1个进线间隔、1个断路器间隔及配套线路保护等设备的监视和控制，并减少对原监控系统的影响，在原计算机监控系统基础上新增1套独立的开关站光伏进线LCU柜，以双星型网络接入原计算机监控系统；同时升级改造监控系统数据库及工作画面等。

新增开关站光伏进线LCU柜，主要完成对新增间隔断路器、隔离开关的控制，新增GIS设备及相应的保护及安全自动装置等的数据采集和处理、报警、通信、自诊断功能等功能。

2.2.2 继电保护系统及安全自动装置

a.500kV线路保护。光伏电站至水电站500kV开关站的1回500kV线路两侧各配置2套独立的光纤纵联保护装置，其中主一保护采用集成过电压及远跳保护、光纤纵联距离保护功能的保护装置，主二保护采用集成过电压及远跳保护功能的光纤分相电流差动保护装置。每套线路保护均具有三段式相间距离、接地距离以及定时限、反时限零序电流保护等完善的后备保护装置。每套线路保护装置均具有两个光纤通道接口，其中一个通道采用专用光纤通道，另一个通道采用复用光纤通道，两通道采用不同的路由。

b.500kV T区保护。在光伏进线及相邻两侧断路器三侧设置T区保护，保护按双重化配置，每套T区保护设置分相电流差动保护和两段过电流保护。

c.500kV 断路器保护。新增的断路器保护按单套配置，保护功能包含断路器失灵保护、自动重合闸、三相不一致保护、过流保护(两段相电流过流保护与一段零序过流保护)等功能。同时设置一套双跳分相操作箱。

d.电能质量在线监测。在水电站侧新增1套电能质量在线监测装置，用于500kV开关站1路光伏进线及1路500kV送出线路电能质量的监测(含基波、谐波、不平衡度、闪变、波动、简谐波)，并将数据上送至本站计算机监控系统及上级调度中心主站系统。

2.2.3 其他相关设备的升级改造

a.对原有计算机监控系统电厂级、现地级设备的数据库、显示画面、控制流程等进行升级改造，完成对新增间隔相关电气设备的监控。

b.针对新增500kV间隔，修改原有微机五防系统闭锁逻辑，完成500kV新增间隔的五防闭锁功能，并完善受新增间隔影响的相邻间隔的五防闭锁功能。

c.对受新增500kV间隔影响的2套T区保护、2套断路器保护、4套主变保护等继保逻辑进行升级改造。

d.对受新增500kV间隔影响的同期装置、500kV故障录波装置、继电保护及故障录波信息管理系统、同步向量测量装置/电能计量系统、主变压器冷却器控制柜、GIS汇控柜、交直流电源等进行相应的升级改造。

2.3 金属结构改造

光照水电站已建成出线构架一跨，位于GIS楼顶625.00m高程出线平台上，人字柱根开6m，横梁跨度31m，导线分三相挂点，挂点高度25m，相间距8.5m，地线挂点高33m，并设有端撑，端撑根开为5.8m。

本次改造在靠近1号机组侧扩建一套500kV钢结构门型构架，扩建门架共用已建部分的一侧立柱，新增横梁、人字柱立柱、地线柱和爬梯等结构。人字柱根开6m，横梁跨度31m，导线分三相挂点，挂点高度25m，相间距8.5m，地线挂点高33m。构架柱采用无缝钢管人字柱结构，构架横梁采用三角形断面钢管弦杆角钢腹杆空间钢结构，横梁三角形断面垂直高度2.2m，导线挂点设于横梁下弦杆上；构架柱设置有2层横撑，柱脚埋入混凝土基础中。立柱之间及横梁的弦杆之间均采用法兰连接，横梁的腹杆与弦杆采用螺栓连接(见图3)。

图3 扩建门架布置方案图

根据已建工程及扩建间隔的荷载资料对构架进行受力分析验算。已建工程的导线拉力为30kN/相，地线拉力为10kN/根；扩建间隔的导线及地线初步估算荷载与已建工程一致，但扩建间隔的线路档距略小于已建工程，导线的垂直偏角要小于已建工程的垂直偏角。应用钢结构分析软件对整个构架进行分析验算，场地条件为B类，基本风压0.35kN/m2。考虑风振系数及风压高度变化系数的影响，构架根部风压取0.6kN/m2。按照《变电构架设计手册》要求，抗拔计算时永久荷载分项系数取0.9，对结构不利时永久荷载分项系数取1.3，可变荷载分项系数取1.4(见图4、图5)。

图4 最不利工况下扩建门架受力

图5 最不利工况下扩建门架基础反力

通过钢结构分析软件STAAD.Pro对门架进行简化(横梁简化)建模分析计算，门架的强度及稳定性均满足规范要求，其中最大应力构件为共用地线柱，应力比为0.801，横梁构件的应力结合已建成构架的计算稿进行复核(见表1)。

根据对横梁受力工况的分析，横梁最不利工况为顺导线风方向的组合工况：1.2×横梁自重+1.35×导线拉力+1.4×顺导线风力(见图6)。横梁角钢采用φ194×10mm的圆钢管，底面垂直腹杆为等边角钢80mm×6mm，其余腹杆为等边角钢90mm×7mm、100mm×7mm，材质均为Q235B。

通过三维结构分析软件STAAD.Pro对横梁进行检验，3根弦杆为受拉压弯构件，腹杆为轴心受力构件。根据钢结构设计标准规定，当杆件内力设计值不大于承载能力的50%时，允许长细比可取200，受拉构件允许长细比为250，计算长度系数均取1.0，以此进行计算(见图7)。结果表明：横梁所有构件均满足钢结构设计标准要求，其中最大应力比为0.763，控制条件为腹杆的受压构件最大长细比；弦杆最大应力比为0.265，控制条件为梁的整体稳定性。