分布式調(diào)相機(jī)在某大型光伏項(xiàng)目的設(shè)計(jì)研究

唐 榕，何文宇

(中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州？貴陽？550081)

0 引 言

我國(guó)豐富的光資源決定了能源建設(shè)發(fā)展方向?qū)⒀刂伴_發(fā)大基地、依托大電網(wǎng)、融入大市場(chǎng)”的道路持續(xù)推進(jìn)，但大規(guī)模新能源基地在接入電網(wǎng)系統(tǒng)的過程中出現(xiàn)了很多電網(wǎng)穩(wěn)定性方面的問題；如電能跨區(qū)外送時(shí)系統(tǒng)抵御沖擊的能力較弱，暫態(tài)過程中的無功大范圍波動(dòng)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓劇烈變化引發(fā)連鎖脫網(wǎng)事故等；因此需在新能源場(chǎng)站配置足夠的無功備用容量。根據(jù)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(GB 38755—2019)要求，電力系統(tǒng)應(yīng)具備基本的慣量和短路容量支持能力，在新能源并網(wǎng)發(fā)電比重較高的地區(qū)，新能源場(chǎng)站應(yīng)提供必要慣量與短路容量支撐。

1 分布式調(diào)相機(jī)補(bǔ)償優(yōu)勢(shì)

目前新能源場(chǎng)站配置的無功補(bǔ)償設(shè)備主要為SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其主要原理是通過快速響應(yīng)的電子元件控制，準(zhǔn)確地測(cè)量電力系統(tǒng)的無功功率，并與電力系統(tǒng)中的負(fù)載所需無功功率進(jìn)行匹配；它在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，不僅可以提高電能的質(zhì)量和效率，還可以降低能耗和電能的損耗。

分布式調(diào)相機(jī)是另一種向電力系統(tǒng)提供或者吸收無功功率的同步電機(jī)無功功率補(bǔ)償裝置，它能自動(dòng)在電網(wǎng)電壓下降時(shí)增加無功輸出，在電網(wǎng)電壓上升時(shí)吸收無功功率，以維持電壓，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)供電質(zhì)量。

與SVG動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置相比，分布式調(diào)相機(jī)因其機(jī)械性質(zhì)具備較高的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在系統(tǒng)瞬時(shí)電壓支撐方面優(yōu)勢(shì)突出；且過負(fù)荷能力遠(yuǎn)高于 SVG等電力電子式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備。在運(yùn)行電壓跌落幅度較大時(shí)，分布式調(diào)相機(jī)能夠在很短時(shí)間內(nèi)提供高于2倍額定容量的無功。分布式調(diào)相機(jī)的高壓和低壓穿越能力更強(qiáng)，一定程度上可以提高新能源系統(tǒng)的短路容量，在穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓和抑制新能源脫網(wǎng)方面發(fā)揮了重要作用。各發(fā)電公司已在青海、西藏、內(nèi)蒙等地區(qū)新能源項(xiàng)目使用分布式調(diào)相機(jī)。

2 工程設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 工程概況

某大型光伏項(xiàng)目位于西藏芒康縣境內(nèi)，距芒康縣城直線距離約45 km，與金沙江直線距離約60 km，規(guī)劃面積88 km2。場(chǎng)區(qū)多丘陵，整體較為平緩，場(chǎng)址區(qū)海拔高程在4 200～4 800 m之間，場(chǎng)址區(qū)南距G318國(guó)道直線距離30 km，項(xiàng)目總占地面積約31.7 km2。生產(chǎn)區(qū)包括光伏陣列、35 kV 箱式變及道路等，管理區(qū)包括綜合樓、生產(chǎn)樓、設(shè)備用房等。該項(xiàng)目為光伏復(fù)合項(xiàng)目，采用高支架設(shè)計(jì)方案，組件下沿距地高度為2 m，線纜采用架空敷設(shè)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為1 800 MW，采用540 Wp 單晶硅光伏組件，電站共設(shè)572個(gè)子方陣，采用組串式逆變器方案，每個(gè)子陣容量 3.15 MW。光伏電站在運(yùn)行期25 a內(nèi)總上網(wǎng)電量為8 894 637.2萬kW·h，平均年上網(wǎng)電量為355 785.5萬kW·h。

2.2 調(diào)相機(jī)電氣接線設(shè)計(jì)

工程建設(shè)2座220 kV升壓站，1、2號(hào)升壓站主變規(guī)模為4×240 MVA，主變低壓側(cè)35 kV側(cè)采用擴(kuò)大單元接線方式，每臺(tái)主變35 kV側(cè)設(shè)置兩段母線。根據(jù)主變建設(shè)規(guī)模及系統(tǒng)無功補(bǔ)償容量需求，需在1、2號(hào)升壓站每臺(tái)主變下裝設(shè)1臺(tái)50 Mvar調(diào)相機(jī)及裝設(shè)1組20 Mvar電容器。主變低壓側(cè)對(duì)應(yīng)一段母線接入電容器成套裝置，另一段母線接入調(diào)相機(jī)組，每臺(tái)調(diào)相機(jī)組采用“調(diào)相機(jī)—升壓變壓器組”單元接線，以35 kV 電壓等級(jí)接入220 kV 匯集站對(duì)應(yīng)的220 kV 主變低壓側(cè)35 kV 母線上，詳見圖1。

圖1 調(diào)相機(jī)系統(tǒng)接線圖

接線方案中，SFC起動(dòng)電源及廠用電源取自升壓站35 kV母線，不考慮10 kV 調(diào)相機(jī)出口斷路器，主勵(lì)磁電源由調(diào)相機(jī)機(jī)端獲得。

2.3 調(diào)相機(jī)設(shè)備選擇及布置方式

(1)設(shè)備選擇

分布式調(diào)相機(jī)站系統(tǒng)設(shè)備包括調(diào)相機(jī)、變壓器、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、變頻啟動(dòng)系統(tǒng)、開關(guān)設(shè)備、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、同期裝置、繼電保護(hù)裝置等。其中，調(diào)相機(jī)主機(jī)轉(zhuǎn)子有凸極和隱極兩種構(gòu)造形式，相對(duì)于凸極機(jī)的調(diào)相機(jī)，隱極機(jī)的調(diào)相機(jī)具有暫態(tài)特性好、占地較小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。目前50 Mvar級(jí)調(diào)相機(jī)主機(jī)采用空氣冷卻，即定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵心及端部結(jié)構(gòu)件全部采用空氣冷卻，借助轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)路循環(huán)。

本工程每座升壓站配置4套50 Mvar調(diào)相機(jī)組，每套設(shè)備具體參數(shù)配置如下：

(2)布置方式

本光伏項(xiàng)目升壓站站址區(qū)域海拔高、日夜溫差大，為了保證調(diào)相機(jī)主機(jī)及潤(rùn)滑油系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、變頻啟動(dòng)系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高供電可靠性，減少工作人員在高海拔缺氧地區(qū)的檢修維護(hù)工作量，本工程推薦調(diào)相機(jī)及附屬設(shè)施采用戶內(nèi)廠房式布置。

調(diào)相機(jī)布置在廠房0 m層，其主出線為共箱封閉母線上出線，直流勵(lì)磁母線上進(jìn)線。調(diào)相機(jī)出線從調(diào)相機(jī)側(cè)面通過封閉母線引出穿過廠房與升壓變相連，升壓變壓器高壓側(cè)出線采用電纜形式。封閉母線在主廠房外部分用鋼支架支撐，在廠房?jī)?nèi)采用吊裝方式。根據(jù)總平面布置，目前無法實(shí)現(xiàn)升壓變與調(diào)相機(jī)廠房墻凈空滿足10 m的要求；根據(jù)相關(guān)防火技術(shù)規(guī)定，已要求建筑專業(yè)對(duì)調(diào)相機(jī)廠房墻體做了防火處理，詳見圖2。

圖2 調(diào)相機(jī)組設(shè)備布置方式

2.4 控制及繼電保護(hù)配置

(1)控制

本工程電氣設(shè)備的監(jiān)視和控制由DCS完成，監(jiān)控范圍主要包括：機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)、機(jī)組變頻起動(dòng)系統(tǒng)(SFC)、機(jī)組同期、35 kV斷路器、220 V直流系統(tǒng)、交流不間斷電源系統(tǒng)、發(fā)變組保護(hù)、發(fā)變組測(cè)量系統(tǒng)、主變以及中、低壓廠用電系統(tǒng)等。 調(diào)相機(jī)房不設(shè)置控制室，操作員站設(shè)置在原升壓站集控室進(jìn)行集中控制。

(2)繼電保護(hù)

根據(jù)《同步調(diào)相機(jī)控制保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T 2250)和《調(diào)相機(jī)變壓器組保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(Q/GDW 11767—2017)，調(diào)相機(jī)主要配置如下保護(hù)：差動(dòng)保護(hù)、定子匝間、定子接地保護(hù)、復(fù)壓過流保護(hù)、過勵(lì)磁保護(hù)、過電壓保護(hù)、失磁保護(hù)、定子過負(fù)荷保護(hù)、負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)、勵(lì)磁繞組過負(fù)荷保護(hù)、啟機(jī)差動(dòng)保護(hù)、啟機(jī)過電流保護(hù)、啟機(jī)零序電壓保護(hù)、誤上電保護(hù)及低壓解列保護(hù)等。

2.5 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)的配置力求經(jīng)濟(jì)適用、簡(jiǎn)單高效，在保證機(jī)組安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行的前提下，對(duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，合理減少了備用設(shè)備數(shù)量和備用容量，簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了系統(tǒng)阻力及工質(zhì)損失，減少了能耗；因此既降低了初投資，又減少了運(yùn)行成本。

輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度選用以及流速、最小計(jì)算壁厚的計(jì)算均按照《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5054—2016)中的有關(guān)規(guī)定。

輔助系統(tǒng)中主要設(shè)施為調(diào)相機(jī)廠房外設(shè)置的事故油池，調(diào)相機(jī)事故油池與變壓器事故油池共用，容量按調(diào)相機(jī)事故放油量與變壓器事故放油量的最大者考慮。調(diào)相機(jī)潤(rùn)滑油主油箱設(shè)有事故放油管道，排油至事故油池。

3 結(jié) 語

依托實(shí)體工程，根據(jù)當(dāng)前國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)分布式調(diào)相機(jī)的電氣接線設(shè)計(jì)方案、設(shè)備選擇及布置方式、繼電保護(hù)配置方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，類似新能源場(chǎng)站分布式同步調(diào)相機(jī)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)可參考執(zhí)行。