钢厂分布式电源并网计量方式研究

马启震, 彭杨东, 李海峰, 桂树强

(中冶武勘工程技术有限公司, 湖北 武汉 430080)

0 引 言

钢厂属于耗电大户,利用钢厂屋顶建设分布式光伏发电项目,实现绿电替代火电,可以有效减少二氧化碳排放。钢厂分布式光伏发电项目通常采用“自发自用、余电上网”发电模式。该种模式下,光伏发电优先供钢厂负荷使用,多余的电量返送电网,当光伏发电不够负载使用时,由电网进行电量补充。由于光伏“自发自用”和“余电上网”电费结算主体不同(前者是钢厂,后者是电网公司),需要对钢厂消纳的电量和返送电网的电量分开进行计量。通常情况下,分布式光伏发电厂产权属于电力投资企业,钢厂炼钢尾气发电厂产权属于钢厂,需要区分光伏发电和炼钢尾气发电返送电网的电量,分开结算电费。由于缺少有效的计量手段,电网难以将两种电源返送电网电量进行区分[1],进而无法进行电费结算。一些地区电网公司停止批复钢厂多个电源的接入手续,一些地区政府要求钢厂接入的多个电源为同一投资主体。虽然从政策方面避免了对多种电源返送电进行区分计量和结算,同时也限制了分布式光伏发电项目在这类钢厂的应用。本文针对钢厂多电源并网计量方式进行研究,提供分布式光伏发电项目适应具有自备电厂的钢厂应用场景的并网解决途径。

1 钢厂电源和负荷特性

1.1 钢厂自备电源特性

钢厂通常采用焦炭冶炼铁矿石生产工艺。在高温条件下,高炉内部焦炭与氧气反应生成一氧化碳,一氧化碳作为还原剂与铁矿石反应生成铁水和二氧化碳,铁水从高炉底部流出进入转炉。然后,二氧化碳、反应不完全的一氧化碳以及其余气体作为炼钢尾气从高炉顶部排出。类似的炼钢尾气来源还有焦炉煤气、转炉煤气以及熔铸还原炉煤气等。为减少二氧化碳排放,通常采用高炉煤气余压透平发电装置(TRT)收集炼钢尾气进行二次发电,或者采用煤气—蒸汽联合循环发电装置(CCPP)收集炼钢尾气和炼钢余热进行二次发电。两种自备发电机组均具有“电随荷动”的特性。当生产负荷大时,产生的炼钢尾气多,尾气发电机组发电量大;当生产负荷小时,产生的炼钢尾气少,尾气发电机组发电量小。虽然可以通过储罐存储炼钢尾气,短时间调整发电功率,但是从长时间来看,发电量并不会减少。在阶段时间区间内,炼钢尾气发电量与钢厂负荷大小成正比。因此,炼钢尾气发电为有限可调电源。

1.2 钢厂光伏电源特性

光伏发电是利用半导体PN结的光生伏特效应将光能转变为直流电能的一种技术。光伏组件产生的直流电经过逆变器变为交流电,再由变压器升压至标准电压,并入电网。光伏发电出力受太阳能辐照强度影响,呈现短时波动特性、昼夜间歇特性、季节浮动特性[2]。在云雾天气,光伏组件受云层遮挡,无法直接接收太阳光,发电出力会短时降低,随着云层飘过,光伏组件恢复正常发电出力。昼夜循环期间,白天光伏组件发电出力随太阳升起降落呈波峰分布,夜间光伏组件停止发电。四季变换过程中,夏季光伏发电出力最高,春秋光伏发电出力次之,冬季光伏发电出力最低,因此,光伏为非可调电源。

1.3 钢厂用电负荷特性

钢铁生产电力主要用于高炉、转炉、连铸、轧钢等重要设备的驱动和加热,以及风扇、吊车、照明、空调等辅助负荷使用。其用电特性具有耗电量大、负载波动性大、功率因数低等特点。其中,高炉、电弧炉负载波动范围可以达到50%以上。轧钢机等设备在运行过程中也会出现显著的周期性的变化。这些冲击负荷引起的有功功率和无功功率变化导致钢厂总体用电负荷呈现周期波动性。

1.4 钢厂电力平衡特性

据统计,国内采用焦炭炼钢工艺的钢厂炼钢尾气发电自给率可达70%～90%。加上屋顶光伏发电出力,钢厂自备电源总出力在短时间内会超过钢厂总负荷。受钢厂自备电源不可调特性、峰谷特性以及负荷周期波动特性的影响,钢厂的市电进线电力潮流会出现周期性下电和返送电现象[3]。钢厂电力负荷曲线示意图如图1所示。

图1 钢厂电力负荷曲线示意图

2 直接计量方式

钢厂接入光伏电源通常采用分布式并网,单个并网点容量不超过6 MW,并网电压等级不超过10 kV。光伏发电模式为“自发自用、余电上网”。光伏发电大部分可由钢厂消纳,仅在钢厂检修或者暂时减产期间会出现向电网返送电现象。当光伏电源只有1家投资主体,无须分开计量光伏返送电量,可视为单一电源,采用直接计量方式。钢厂单一光伏电源发电出力趋势柱状图如图2所示。钢厂单一光伏电源电力平衡趋势柱状图如图3所示。

图2 钢厂单一光伏电源发电出力趋势柱状图

图3 钢厂单一光伏电源电力平衡趋势柱状图

为满足电能计量要求,需要在分布式电源与钢厂配电网连接处设置1套单向计量电能表Q1,用于计量分布式电源总发电量。在钢厂配电网与大电网连接处设置1套双向计量电能表Q2,正向计量钢厂消纳大电网的电量,反向计量钢厂返送至大电网的电量[4]。钢厂单一电源电气接线示意图如图4所示。

图4 钢厂单一电源电气接线示意图

钢厂电能计量计算过程如下所示[5]:

Qv↑=Q2↑

(1)

Qg=Q2↓

(2)

Qv↓=Q1-Q2↑

(3)

式中:Qv↑——钢厂返送电网的光伏发电量;Q2↑——2#电表计量的上行电量;Qg——钢厂消纳的大电网电量;Qv↓——钢厂消纳的光伏发电量;Q1——1#电表计量的电量;Q2↓——2#电表计量的下行电量。

由上述可知,直接计量方式接线简单,光伏返送电网电量可直接通过抄表得出,可适用于只有一个投资主体的单一电源钢厂电能计量,是较为常用的电能计量方式。

3 等比例电量算法计量方式

当钢厂接入的光伏电源属于2家甚至更多家投资主体,需要分别计量每个光伏电源返送电网的电量。由于钢厂多种光伏电源发电出力趋势相同,发电功率比值接近定值,可采用等比例电量算法计量方式。钢厂双光伏电源发电出力趋势柱状图如图5所示。钢厂双光伏电源电力平衡趋势如图6所示。

图5 钢厂双光伏电源发电出力趋势柱状图

图6 钢厂双光伏电源电力平衡趋势

为满足电能计量要求,需要在每个电源与钢厂配电网连接处设置1套单向计量电能表Q1、Q2,在钢厂配电网与大电网连接处设置1套双向计量电能表Q3。钢厂双光伏电源电气接线示意图如图7所示。

图7 钢厂双光伏电源电气接线示意图

钢厂电能计量计算过程如下所示:

(4)

(5)

Qg=Q3↓

(6)

Qv1↓=Q1-Qv1↑

(7)

Qv2↓=Q2-Qv2↑

(8)

式中:Qv1↑——1#光伏电源返送电网的电量;Q3↑——3#电表计量的上行电量;Qv2↑——2#光伏电源返送电网的电量;Qg——钢厂消纳的大电网电量;Q3↓——3#电表计量的下行电量;Qv1↓——钢厂消纳1#光伏电源的电量;Qv2↓——钢厂消纳2#光伏电源的电量。

由上述可知,等比例电量算法计量方式接线简单,光伏返送电网电量可通过抄表结果进行等比例计算得出,可适用于具有相同功率曲线的多电源钢厂电能计量。

4 等比例功率算法计量方式

当钢厂同时接入光伏电源和炼钢尾气电源,并且电源属于2家甚至更多家投资主体时,需要分别计量每个电源返送电网的电量。由于钢厂炼钢尾气电源发电自给率较高,加上光伏电源出力,会产生返送电网电量,返送电量和返送时间存在随机性,可采用等比例功率算法计量方式。钢厂光伏电源+尾气电源发电出力趋势如图8所示,钢厂光伏电源+尾气电源电力平衡趋势如图9所示。

图8 钢厂光伏电源+尾气电源发电出力趋势

图9 钢厂光伏电源+尾气电源电力平衡趋势

为满足电能计量要求,需要在每个电源与钢厂配电网连接处设置1套单向计量电能表Q1、Q2,在钢厂配电网与大电网连接处设置1套双向计量电能表Q3,在后台配置服务器,每个电能表通过数据线接入后台服务器,实时上传功率数据,由服务器进行等比例积分计算。钢厂光伏+尾气电源电气接线示意图如图10所示。

图10 钢厂光伏+尾气电源电气接线示意图

计算过程如下所示:

(9)

(10)

Qg=Q3↓

(11)

Qv↓=Q1-Qv↑

(12)

Qr↓=Q2-Qr↑

(13)

式中:Qv↑——光伏电源返送电网的电量;Qr↑——炼钢尾气电源返送电网的电量;Qv↓——钢厂消纳光伏电源的电量;Qr↓——钢厂消纳炼钢尾气电源的电量;P1(t)——1#电表计量的瞬时功率;P2(t)——2#电表计量的瞬时功率;P3↑(t)——3#电表计量的上行瞬时功率。

由上述可知,等比例功率算法计量方式的电能表配置与等比例电量算法计量方式类似,但是通信接线较为复杂。该种方式可适用于有多种不同发电功率曲线电源的钢厂返送电能计量。该种计量方式依托服务器对多点位电能表功率数据进行实时读取、计算和累加,要求通信系统稳定可靠。一旦局部点位通信中断,将会导致计量过程紊乱和整体结果失真。随着电源并网点的增加,计算过程更加繁琐,工程应用较为不便。

5 并网点链式π接法计量方式

针对钢厂同时接入光伏电源和炼钢尾气电源,并且电源属于2家甚至更多家投资主体时场景,可以通过并网点链式π接法计量每个电源返送电网的电量。

为满足电能计量要求,钢厂分布式电源需采用π接方式集中接入钢厂市电进线,所有并网π接点采用链式连接。分别在每个π接点的电源并网点设置1套单向计量电能表Q1、Q2,在π接点中间设置双向计量电表Q3,在电源进线端设置双向计量电表Q4。钢厂光伏+尾气电源π接并网电气接线示意图如图11所示。

图11 钢厂光伏+尾气电源π接并网电气接线示意图

计算过程如下所示:

Qv↑=Q3↑

(14)

Qr↑=Q4↑-Q3↑

(15)

Qg=Q4↓

(16)

Qv↓=Q1-Qv↑

(17)

Qr↓=Q2-Qr↑

(18)

式中:Q4↑——4#电表计量的上行电量;Q4↓——4#电表计量的下行电量。

由上述可知,并网点链式π接法可以适用于有多电源的钢厂返送电网电量计量,光伏返送电网电量可直接通过抄表得出。但是,该种计量方式需要在电源进线新增多个π接点,接线较为复杂,并且会降低进线安全稳定性,对π接点继电保护和制动装置性能要求较高。为提升电网稳定性,应将光伏电源和炼钢尾气电源采用集中并网,以减少π接并网点。由于钢厂进线电压等级通常为110 kV或220 kV,π接点电压等级也相应为110 kV或220 kV,因此,该种计量方式适用于光伏装机容量100 MWp以上的钢厂应用场景。

6 结 语

本文针对钢厂电源负荷特性提出了直接计量、等比例电量算法计量、等比例功率算法计量、并网点链式π接法计量4种计量方式。其中,直接计量方式适用于单一电源应用场景;等比例电量算法计量方式适用于具有相同功率曲线的多种电源的应用场景;等比例功率算法计量方式适用于具有不同功率曲线的多种电源的应用场景,要求系统通信稳定可靠;并网点链式π接法计量方式,适用于具有不同功率曲线的多种电源的应用场景,要求电源并网电压等级在110 kV以上,装机容量在100 MWp以上。在实际工程应用中,须结合实际情况进行综合评估,选择合适的计量方式。