光伏接入石化电网安全影响分析*

陶丽楠,李 君,王美威,钱志红

(中石化(大连)石油化工研究院有限公司,辽宁大连 116045)

0 前言

近年来,我国光伏产业实现从有到强的高质量发展。石化企业光伏、风电装机容量显著提高,一定程度上减少碳排放量,但随着新能源接入容量不断增加,企业电网的电能质量面临新的挑战[1]。石化行业生产装置多为一级负荷且生产工艺复杂,联锁性强,对电能质量要求较高,电能质量恶化对于一次系统极易导致装置停车,甚至引发安全事故,造成严重的社会问题。对于二次系统可能引发保护装置灵敏度降低,保护装置误动使设备退出运行等,因此,保证石化企业电网良好的电能质量对安全生产十分重要[2-4]。光伏系统接入石化企业电网后,导致原有电网的潮流大小和方向发生改变,影响石化企业电网的电压分布、短路电流等,有可能影响装置的稳定运行,或降低原有继电保护配置的可靠性和灵敏性[5-10]。为使光伏系统接入石化企业电网更加合理,保证装置长周期运行,减少因光伏系统接入引发的安全生产问题,需要在接入光伏系统前进行合理性分析。

针对国内某石化企业配电系统,研究分布式光伏系统接入企业低压配电网时,分别接入不同位置、不同容量,电网电压、短路电流的变化情况,总结光伏系统接入对石化企业电网安全运行的影响。

1 石化企业电网模型

某石化企业电网包含1座220 kV变电站,双母线接线,110 kV LYX变电站和110 kV JL变电站,均为单母分段接线方式。6条110 kV电缆线路分别输送至JL变电站、LYX变电站、HG变电站,4条35 kV电缆线路分别输送至HF变电站及LYL变电站。正常运行4炉5机,发电负荷220 MW,总用电负荷272 MW。主网结构如图1所示。选取LYX变电站、LYL变电站、JL变电站内0.4 kV母线接入光伏系统,其中B1、B2、B3、B4节点位于JL变电站内,站内共6条6 kV母线,选择JL6-2、JL6-3、JL6-4段母线接入光伏。B5节点位于LYL变电站内,站内共6条6 kV母线,选择LYL6-1段母线接入光伏。B6、B7节点位于LYX变电站内,站内共12条6 kV母线,选择S603-1、S603-2母线接入光伏。各变电站内6 kV和0.4 kV母线均为单母线单分段接线,经过6/0.4 kV变压器,连接低压侧负荷,配网结构图及负荷大小如图2所示。在DIgSILENT软件中建模仿真,6 kV线路模型长期允许载流量355 A,单位长度阻抗正序为0.187+j0.087Ω/km,长度参数如表1所示,最大运行方式及最小运行方式下,外电网W1、W2正序阻抗X1、零序阻抗X0参数如表2所示,0.4 kV光伏接入未考虑线路长度。将用电负荷均等效为恒功率模型,光伏系统发电,向电网输送功率,潮流值表示为负数[1]。

表1 6 kV线路模型参数

表2 系统参数

图1 主网结构

图2 配网结构及负荷大小

根据企业电网结构,建立仿真模型。研究光伏系统不同接入位置、不同接入容量,对石化企业电网电压分布、短路电流的影响。

2 光伏接入对石化企业供电电压的影响

石化企业电网结构复杂,区域变众多,且电压等级较多,从220 kV到0.4 kV电压等级。石化企业生产装置对供电要求很高。在进行光伏系统接入时,首先要保证供电可靠性,同时具备调度灵活、维护方便的特性,合理规划接入方案,提高供电可靠性,减少投资费用的同时,最大限度保证装置安全稳定运行[11,12]。部分石化企业场地有限,多选择分布式光伏接入石化电网。分布式光伏优先为用电负荷供电,富余或不足部分由电网进行调节[13]。由于光伏发电的波动性和随机性,系统母线电压稳定性会降低。

采用DIgSILENT软件进行仿真分析,软件功能模块齐全,功能强大;可以与多种软件进行数据交互,兼容性好;用户可以根据需求自定义仿真模型,从而更加全面地建立系统模型[14]。以下分别讨论单个、多个光伏系统在不同位置、不同接入容量时,石化电网电压分布情况。

2.1 分布式光伏不同接入位置对石化企业供电电压的影响

假定仅在某一节点接入光伏系统,容量分别为0.3,0.5,0.7 MW,分析单个光伏接入对母线电压影响。选取的光伏系统接入位置分别为B1～B7,进行潮流计算,计算0.4,6 kV母线电压结果如图3、图4所示。

图3 0.4 kV母线电压变化趋势

图4 6 kV母线电压变化趋势

从图3和图4分析得到,仅在单一节点,接入光伏系统容量不同,得到各母线电压变化规律大致相同。接入光伏系统后,接入点电压随光伏接入容量增加而升高,0.4 kV母线电压提升效果更明显。

假定接入3个分布式光伏系统,接入容量分别为0.3,0.5,0.7 MW,编号分别为P1、P2、P3。随机选取3个接入节点,分析多个光伏系统接入对母线电压影响。按照表3选取的光伏系统接入位置,进行潮流计算,计算0.4,6 kV母线电压结果如图5、图6所示。

表3 光伏系统接入位置

图5 0.4 kV母线电压变化趋势

图6 6 kV母线电压变化趋势

从图5和图6分析得到,接入光伏系统总容量相同,接入位置随机组合,得到各母线电压变化规律大致相同。接入光伏系统后,光伏系统附近的母线电压包括0.4,6 kV母线电压基本都有所提升,单纯考虑电压支撑,0.4 kV母线电压支撑效果更为明显。但因光伏系统接入,导致了B4母线发生电压越限,在一定程度内可选择调节变压器档位,使母线电压控制在合理范围内,因此在选择接入位置时,注意避免发生电压越限的问题。

对比分析单一节点与多节点接入光伏系统,两种接入方式下,接入光伏系统对接入点母线电压影响较大,随接入距离增加,对其他母线影响越小。但单一节点接入光伏母线电压变化存在一定规律性,多节点接入光伏系统,随接入位置、容量不同,母线电压变化不同,同时相邻或相近母线电压一定程度上存在相互影响,可能导致接入点或附近母线电压越限。

2.2 分布式光伏不同接入容量对石化企业供电电压的影响

假定光伏系统接入位置为节点B1、B3、B6,P1接入B1节点、P2接入B3节点、P3接入B6节点。改变接入光伏系统的容量,接入容量变化如表4所示,进行潮流计算,分析分布式光伏系统相同接入位置、不同接入容量对母线电压影响。计算0.4,6 kV母线电压结果图7和图8所示。

表4 光伏系统接入容量 MW

图7 0.4 kV母线电压变化趋势

图8 6 kV母线电压变化趋势

从图7和图8分析得到,分布式光伏接入容量影响母线电压水平。光伏接入容量不断增加,接入点及附近母线电压不断升高,对其他变电站母线影响很小。接入容量越大,对母线电压支撑效果越明显,但接入容量过大,会导致母线电压发生越限。因此在规划阶段,需要综合考虑接入点处负荷大小,若负荷较轻时,合理选择光伏系统接入容量,避免发生电压越限,设备退出运行等问题。同时由于光伏系统发电量存在波动,过大的安装容量会导致母线电压波动明显,不利于装置的稳定运行。

光伏系统接入引发的电压波动问题可采用有载变压器进行调节或利用光伏电源调节电压[15]。控制逆变器吸收、输出无功功率,可实现母线电压调节。当光伏电源运行在发电模式时,主要输出有功功率,输出无功功率非常小;当光伏电源运行在调度模式时,可以控制其输出功率。当电压过高时,可以输出感性无功,电压过低时,可以输出容性无功,改善电压水平[16]。

3 光伏接入对石化企业短路电流的影响

3.1 分布式光伏不同接入位置对石化企业短路电流的影响

分布式光伏的接入,短路点电流会增加,可能影响二次侧保护装置动作。当短路故障发生时,光伏电源输出电流急剧上升,导致流过元件电流过大,同时因短路故障导致功率传输不平衡,直流电压不可控,因此光伏电源逆变器均设置了限压和限流环节。本文采用的并网逆变器模型为电流内环控制的电压型PWM变流器,限制逆变器输出电流,逆变器输出电流可以视为光伏发电系统的短路电流[17]。光伏电源提供的短路电流最大不超过额定电流的1.5倍。

选取JL变电站进行光伏系统接入对电网短路电流分析,从不同节点接入相同容量光伏,接入节点分别为B2、B3、B4,光伏发电系统接入容量为0.7 MW。计算三相短路故障,0.4 kV母线包括电网侧和母线侧短路电流如表5所示。

表5 不同接入位置0.4 kV母线短路电流 kA

通过表5分析可知,接入光伏系统后,接入点及附近短路电流会增加,接入位置越近,短路电流增加越大,接入点位置越远,短路电流影响越小。

3.2 分布式光伏不同接入容量对石化企业短路电流的影响

接入位置选择在JL变电站B2、B3、B4三个母线光伏系统接入光伏,B2、B3、B4变压器容量0.8,1,1 MW,根据行业标准DL/T 2041—2019分布式电源接入电网承载力评估导则,新增光伏容量最大为变压器容量的80%,故选择接入光伏系统有功功率分别为0,0.4,0.6,0.8 MW,仿真结果如表6所示。

表6 不同接入容量0.4 kV母线短路电流

通过表6分析可知,母线短路电流随光伏系统容量增加而增大,光伏系统提供短路电流占比2.9%～5.64%,占比较小。根据国家标准GB/T 32826—2016 光伏发电系统建模导则,当交流侧发生三相短路故障时,光伏系统等效为一个受控电流源,最大输出电流表示如下:

Is=k·IN

(1)

式中:Is——逆变器最大输出电流,pu;

IN——逆变器额定电流,pu;

k——逆变器电流饱和系数,典型值取1.2～1.5。

发生交流测电网短路故障时,所有逆变器短路电流加和可认为是光伏发电系统短路电流[19]。因此,光伏发电系统接入后,会引发短路电流变化,但由于光伏电源本身具有限流环节,影响不明显。只有当接入容量足够大时,有可能会导致原有保护装置灵敏度降低,引发误动、拒动等问题。利用仿真分析手段,分析系统短路电流变化,优化继电保护配置,可以有效减少事故发生的频次。

4 结论

本文基于某石化企业电网模型,对分布式光伏系统接入石化企业电网,对生产安全运行的影响进行研究。

a) 光伏系统在单一节点及不同节点接入石化企业电网时,两种方式均对接入位置附近母线电压影响明显,对上一级母线电压影响较小,单一节点接入较不同节点接入光伏系统母线电压变化更有规律性。光伏系统不同接入容量,接入容量越大对母线电压支撑越明显,但是容量过大可能发生电压越限,影响装置安全运行,因此需要合理匹配光伏接入位置处接入容量。

b) 分布式光伏接入石化企业电网,当发生三相短路时,因光伏逆变器一般采用了限流措施,光伏系统提供的短路电流较小,短路电流随光伏接入容量增大而增大,如果容量过大,有可能导致保护装置误动或拒动,由于石化企业装置连锁性强,某一装置退出运行,可能引发一系列安全问题。

通过对石化企业分布式光伏系统不同位置、不同接入容量对电网电压、短路电流的影响进行研究,有助于指导分布式光伏接入石化企业电网的规划与运行,保证电网供电电能质量,减少光伏系统接入企业电网对安全生产带来的隐患。