豫北地區某6 MW分布式風電場接入系統方案研究

張義娜，史海博，張中寬，孫慧麗，王雅楠

(國網河南省電力公司濮陽供電公司，河南 濮陽457000)

0 引 言

河南省受資源條件限制，長期保持著以煤電為主的能源格局。這對河南省轉變電力發展方式，積極調整能源結構，科學有序發展風力發電提出了迫切要求。

分布式風電開發雖為風電消納提供了很好的解決途徑，但是隨著其在配電網中滲透率的提高，風速隨機性、波動性引發的分布式風電出力波動以及風電機組自身特性將給配電網電壓穩定、繼電保護以及電能質量造成影響，威脅配電網的安全穩定運行[1]。主要體現在以下幾點：

1)配電網發生短路故障時，分布式風電能為配電網提供一定容量的短路電流。分布式風電接入位置的差異和裝機容量的不同將直接影響短路電流的大小，從而給配電網繼電保護靈敏性、選擇性帶來一定的影響，而且在某種情況下導致保護誤動或拒動。

2)分布式風電場一般位于負荷中心較近位置，基于風電機組自身的特點將會給配電網注入一定的諧波，會造成電壓閃變。隨著分布式風電裝機規模的逐漸加大，配網諧波含量可能會超過國家標準，同時使得風電各分散點的接入點電壓超越上限[2]。

3)分布式風電給配電繼電保護中設備保護定值整定和繼電保護的選擇性、靈敏性帶來影響。當配電網進行檢修或者發生故障時，隨著分布式風電滲透率的提高，會給配網造成一定的負荷轉移，從而威脅整個電網的安全運行。

4)由于風電本身的多變性、不確定性，分布式風電接入配網可以將其等效看作配網負荷，隨著風電出力隨機性和波動性的加大，配網負荷的預測精度會下降。分布式風電滲透率的提高，給負荷預測及制定地區發電計劃造成很大影響[3]。

5)分布式風電接入電網影響電網中保護裝置的動作，配電網故障與大電網分離后，若分布式風電未及時與主網隔離，容易形成孤島，從而對配電網中的用電裝置造成威脅。

針對這些問題，對豫北地區某6 MW分布式風電場接入系統方案進行研究，實現風電場的順利接入及后期可靠穩定運行。該6 MW分布式風電場項目位于某村莊附近，風機為3×2 MW，占地面積1 200 m2。

1 接入方案選擇與系統方案

1.1 接入方案選擇

1.1.1 接入電壓等級分析

該6 MW分布式風電場項目,周邊有一座35 kV變電站，容量為2×10 MVA，距離最近的線路為10 kV侯6號線，距項目位置約6.5 km，2019年10 kV侯6號線已改造，改造后為LGJ-240絕緣線；由10 kV侯6號線出的干支距風電場項目約1.7 km，線路需從周邊村北頭繞行，目前線路為裸鋁導線，線徑為70 cm，改造后為LGJ-185絕緣線；該項目周邊有110 kV變電站一座，變壓器容量為40+31.5 MVA，10 kV線路距項目位置約12 km。綜合考慮，該6 MW分布式風電適合接入10 kV電壓等級電網。

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1.1.2 負荷分析

1.1.2.1 周邊35 kV變電站

35 kV變電站，變壓器容量為2×10 MVA，距項目位置約6.5 km。站內10 kV目前空余間隔1回。2019年變電站最小負荷為0.689 MW。10 kV側已接入光伏扶貧項目2.22 MW。其中35 kV變電站的典型年負荷、月負荷曲線圖、負荷分析柱狀圖如圖1～3所示。

圖1 35 kV變電站2019年年負荷曲線Fig.1 Annual load curve of 35 kV substation in 2019

圖2 35 kV變電站月負荷曲線Fig.2 Monthly load curve of 35 kV substation

圖3 35 kV變電站最小負荷分析柱狀圖Fig.3 Histogram of minimum load analysis of 35 kV substation

由數據分析可知，35 kV變電站最小負荷全部在6 MW以下，其中大部分時間在2～3 MW之間，且已接入光伏扶貧項目2.22 MW，35 kV變電站無法消納該項目所發電量。

1.1.2.2 周邊110 kV變電站

周邊110 kV變電站，變壓器容量為40+31.5 MVA，距項目位置約12 km。站內目前10 kV空余間隔11回。排除極端少數情況，從D5000系統提取負荷數據。2019年該變電站35 kV側最小負荷為1.13 MW，2019年變電站10 kV側最小負荷為3.958 MW。其中110 kV變電站的典型月、日負荷曲線圖、負荷分析柱狀圖如圖4～6所示。

圖4 2019年1號變10 kV側年負荷曲線Fig.4 Annual load curve of 10 kV side of No.1 transformer in 2019

圖5 2019年2號變10 kV側年負荷曲線Fig.5 Annual load curve of 10 kV side of No.2 substation in 2019

圖6 10 kV側最小負荷分析柱狀圖Fig.6 Minimum load analysis histogram of 10 kV side

由圖4～6數據分析可知：周邊110 kV變電站10 kV側最小負荷基本均在15 MW以下，其中大部分時間在5～9 MW，且變電站10 kV側已接入光伏扶貧項目2.22 MW，該站消納能力不足6 MW。

周邊110 kV變電站10 kV側最小負荷在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，除去母線故障及其他極端情況，2019年變電站10 kV側最小負荷選取5 MW。

圖7 2019年1號變35 kV側年負荷曲線Fig.7 Annual load curve of 35 kV side of No.1 transformer in 2019

圖8 2019年2號變35 kV側年負荷曲線Fig.8 Annual load curve of 35 kV side of No.2 substation in 2019

圖9 35 kV側最小負荷分析柱狀圖Fig.9 Minimum load analysis histogram of 35 kV side

綜上考慮，35 kV變電站基本無消納空間；110 kV變電站35 kV側消納容量為2 MW，110 kV變電站10 kV側消納容量為5 MW，總體可消納該6 MW分布式風電容量。

建議1：T接10 kV 6號線，改造后6號線為LGJ-240絕緣線；通過10 kV 6號線上返到35 kV變電站，通過周邊110 kV變電站1號線上返到110 kV變電站35 kV側、10 kV側進行消納，符合消納原則；但6號線距風電場位置約6.5 km，距離過遠。

建議2：T接10 kV 6號線3號干支末端，改造后3號干支為LGJ-185絕緣線；通過10 kV 6號線3號干支上返到35 kV變電站，通過110 kV變電站1號線上返到110 kV變電站35 kV側、10 kV側進行消納，符合消納原則；同時6號線3號干支末端距風電場位置約1.7 km，距離滿足要求。

1.1.3 方案分析

建議1：風場內3臺風機以一回線路T接入35 kV變電站10 kV侯6號線。

路徑經現場勘查，地勢平坦，無大障礙物，路徑建設條件總體可行。

建議2：風場內3臺風機以一回線路T接入35 kV變電站10 kV侯6號線干支。

路徑經現場勘查，地勢平坦，線路架設需要繞過周邊村莊，從周邊村莊北頭繞行，繞行線路距干支接入點約1.7 km，路徑建設條件總體可行。

1.2 接入系統方案

1.2.1 并網點、公共連接點及人工解列點

并網點設在分布式風電場并網線路10 kV側斷路器上。公共連接點設在“T”接點處，人工解列點設在6號線干支“T”接點斷路器處。

1.2.2 電氣計算

該6 MW分布式風電場接入系統短路電流計算：

1)分布式風電接入前

公共連接點短路電流：

IPCC=6.8 kA

公共連接點基準電壓和并網點基準電壓：

UN1=UN2=10.5 kV

并網點到公共連接點線路的阻抗：

XL=1.7×0.4=0.68 Ω

并網點短路電流:

式中:UN1為公共連接點基準電壓，UN2為并網點基準電壓，XL為并網點到公共連接點線路的阻抗。

2)分布式風電接入后

公共連接點短路電流：

并網點短路電流:

并網點短路電流計算結果見表1。

表1 并網點短路電流Table 1 Short circuit current of combined network point

由表1可知并網點短路電流均不大于25 kA，滿足系統要求。

1.2.3 主要設備選擇

1)升壓站主變。升壓用變壓器容量采用3臺2 000 kV變壓器。

2)送出線路導線截面。送出線路出線優先采用架空線路，按持續允許電流并經短路熱穩定計算，按電壓損失校驗，線路型號為YKLGYJ-150，長度約5 km。

3)電氣設備。10 kV T接點斷路器額定電流630 A，額定開斷電流25 kA。 T接點處需要有明顯的斷開點，應配置隔離開關,額定電流1 250 A。

1.2.4 無功補償

功率因數應實現在0.98(超前)～-0.98(滯后)范圍內連續可調。

2 技術要求

2.1 系統對分布式風電的技術要求

2.1.1 電能質量

風力發電系統出力具有波動性和間歇性，諧波、電壓波動、電壓不平衡度、閃變等都會對配電網產生影響[4]。

對電壓波動進行校驗：風力發電機額定出口電壓為690 V，隨著風速變化電壓波動范圍為670～720 V，通過變壓器升壓后電壓波動范圍為10.20～10.96 kV。

式中：U1、U2、UN分別為風力發電機出口變壓器10 kV側電壓最小值、最大值、額定值。

分布式風電接入電網后，各個并網點的電壓波動滿足GB/T 12326—2008《電能質量供電壓波動和閃變》10 kV電壓波動-3%～7%的規定。

2.1.2 電壓異常時的響應特征

依據圖10分布式電源低電壓穿越要求，接入公共電網的風電類分布式電源，應具備以下低電壓穿越能力，接入用戶側的分布式電源不要求具備低電壓穿越能力。

圖10 分布式電源低電壓穿越要求Fig.10 Low voltage ride through requirements of distributed power supply

并網點考核電壓在圖10中電壓輪廓線及以上的區域內，分布式電源應該保持并網運行狀態；否則，允許分布式電源切出。

2.2 繼電保護

2.2.1 線路保護

配置原則：為保障供電可靠性，減少停電范圍，宜在分布式風電側及T接點處斷路器各配置1套線路過流保護,如圖11所示，用于10 kV T接線路。校核系統側變電站保護定值，做出適當調整。所需一次設備清單見表2。

表2 一次設備清單Table 2 Primary equipment list

圖11 繼電保護及安全自動裝置配置示意圖Fig.11 Schematic diagram of system relay protection and safety automatic device configuration

2.2.2 安全自動裝置

在分布式風電側設安全自動裝置，目的是在頻率和電壓異常的時候，可以及時跳開分布式風電側斷路器。

2.2.3 設備清單

系統繼電保護及安全自動裝置配置清單詳見表3。

表3 繼電保護和安全自動裝置設備清單Table 3 Relay protection and safety automatic equipment list

2.3 調度自動化

2.3.1 調度自動化配置及要求

2.3.1.1 電能計量

1)產權分界點。產權分界點設置在侯6號侯西線T接點斷路器處。

2)安裝位置與要求。應在產權分界點設置關口計量電能表。

3)技術要求。電能量計量裝置的配置和技術要求應符合DL/T448和DL/T614的要求。要求有關10 kV高壓計量電流互感器變比為400/5，電壓互感器變比為10 000/100。

2.3.1.2 計量信息統計與傳輸

應在產權分界點配備用電信息采集終端1塊，電能量數據通過采集終端上傳至河南省電力公司用電信息采集系統。

2.3.1.3 電能質量在線監測裝置

電能質量數據通過調度數據網上傳至濮陽市地調調度端。

2.3.1.4 遠動信息內容

分布式風電向電網調度機構提供的信號至少應該包括：分布式風電并網狀態；分布式風電有功和無功輸出、發電量、功率因數；并網點分布式風電升壓變10 kV側電壓和頻率、注入電網的電流；變壓器分接頭檔位、主斷路器開關狀態等[5]。系統側不增加新的間隔和出線，遠動信息不變。

2.3.1.5 遠動信息傳輸

分布式風電的遠動信息傳送到濮陽市地調調度端，采用專網方式。一般可采取基于DL/T 634.5101和DL/T 634.5104通信協議。

2.3.2 設備清單

表4為所需設備清單。

表4 設備清單Table 4 Equipment list

2.4 系統通信

2.4.1 通信方案

分布式風電場至35 kV變電站新架10 kV電力線路敷設1根ADSS-12B1光纜，長度約為5 km；35 kV變電站至110 kV變電站新架35 kV電力線路敷設1根ADSS-24B1光纜，長度約為10 km。

通信系統建議采用SDH光傳輸系統方案。在分布式風電場及系統側分別配置1臺SDH 155 M光端機，在風電場和調度端分別增加1套PCM接入設備，話機1部，將分布式風電場的通信、自動化、信息等業務接入系統，形成分布式風電至系統的通信通道。

通信設備供電采用站內直流系統通過DC/DC或UPS為設備供電。

通信需求：自動化通道業務(需要2個通道)、1部調度電話、電廠三區業務接入。

接入方式:SDH 和三層交換機的傳輸路徑是從分布式風電場至35 kV變電站，從35 kV變電站至110 kV變電站，從110 kV變電站接到臺前縣調，進而將信息傳遞到濮陽市地調。

2.4.2 主要設備材料清單

采用同步數字體系方案，主要設備清單見表5。

表5 系統通信設備材料清單Table 5 System communication equipment material list

3 結 語

針對某6 MW分布式風電場能源消納不足的現狀，制定接入系統方案，通過計算公共連接點及并網點短路電流數值，驗證了分布式風電場接入方案的有效性與建設路徑的可行性；通過控制電能質量影響因素，確保并網點在電壓輪廓線及以上區域；通過在分布式風電側及T接點處配置線路過流保護，實現了繼電保護；通過在產權分界點設置關口計量電能表，實現調度自動化；通過采用SDH方案，將分布式風電場接入系統，形成分布式風電至系統的通信通道。

分布式風電場接入系統可以起到降低網損、改善電壓分布、提高供電可靠性、減輕環境污染等作用。從變電站規劃、負荷等因素出發,制定分布式風電場接入系統方案，綜合考慮豫北地區具體情況，統籌考慮，保障風電場順利接入及后期穩定運行，提高了能源消納率，為分布式風力發電的配電網規劃問題提供參考。