鄭超銘,陳義宣,李玲芳
(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)研究中心,昆明 650011)
力爭2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1],是黨中央作出的重大戰(zhàn)略決策,加快以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[2]建設(shè)對推動“雙碳”目標(biāo)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。
“十四五”期間,云南電網(wǎng)主動融入云南省打造“綠色能源牌”發(fā)展戰(zhàn)略,積極推動2022年云南省部署新增8GW風(fēng)電+3GW光伏(以下簡稱:“8+3”)新能源投產(chǎn)建設(shè)。至2022年末,云南省全省電源裝機(jī)容量達(dá)1.11億kW,其中新能源裝機(jī)容量占比約達(dá)20 %。
大規(guī)模新能源機(jī)組接入對云南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了更大的挑戰(zhàn),場站短路電流水平接近/超過斷路器額定遮斷電流問題日益突出,這就要求我們結(jié)合新能源的投產(chǎn)建設(shè),在規(guī)劃階段對短路電流進(jìn)行全面計(jì)算分析,從中發(fā)現(xiàn)問題并提出合理的解決措施,為后續(xù)大規(guī)模新能源接入下的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)保障。
在云南“8+3”新能源規(guī)劃項(xiàng)目中,風(fēng)電主要分布于曲靖3940 MW、文山1810 MW、紅河2150 MW,光伏主要分布于楚雄2280 MW、昭通440 MW、昆明280 MW,具體明細(xì)見表1所示。
表1 云南“8+3”新能源風(fēng)光項(xiàng)目明細(xì)
其中,曲靖風(fēng)電主要接入500 kV曲靖變、喜平變供電區(qū)域,文山風(fēng)電主要接入500 kV天星變供電區(qū)域,紅河風(fēng)電主要接入500 kV紅河變、圭山變供電區(qū)域;楚雄光伏主要接入新建500 kV麥沖匯流站后送至500 kV仁和變。
進(jìn)行短路電流計(jì)算時(shí),采用的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算方法、數(shù)據(jù)模型等不同時(shí),短路電流的計(jì)算結(jié)論也不同[3-5]。目前,我國電力系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的短路電流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),且不同計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對等效電壓源、線路電容、無功補(bǔ)償?shù)忍幚泶嬖谝欢ǖ牟町?。結(jié)合云南電網(wǎng)實(shí)際,本文采用的計(jì)算條件如下:
1)計(jì)算方法:考慮基于網(wǎng)架的計(jì)算結(jié)果獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),采用基于網(wǎng)架的計(jì)算方法,機(jī)端電壓系數(shù)取1.08,且考慮全開機(jī)方式。
2)負(fù)荷模型:所有負(fù)荷均按靜態(tài)負(fù)荷模型(等值阻抗模型)考慮。計(jì)及靜態(tài)負(fù)荷時(shí),短路等值阻抗幅值減小,短路電流增大。
3)并聯(lián)無功補(bǔ)償:考慮并聯(lián)無功補(bǔ)償對短路電流的影響,包括容性及感性無功補(bǔ)償。
4)線路充電功率:考慮線路充電功率對短路電流的影響。計(jì)及故障側(cè)的線路充電功率時(shí),短路等值阻抗幅值增大,短路電流減小。
5)電解鋁負(fù)荷:根據(jù)相關(guān)調(diào)研結(jié)果,鋁負(fù)荷中95 %為整流負(fù)荷(不提供短路電流),5 %為動力變負(fù)荷,考慮一定裕度按總負(fù)荷的20 %計(jì)入靜態(tài)負(fù)荷。
6)考慮短路電流的理論計(jì)算值與實(shí)際值存在一定差異,理論計(jì)算值應(yīng)保留一定裕度,按小于斷路器遮斷電流2 kA選取。
基于云南電網(wǎng)2022年枯大方式基礎(chǔ)數(shù)據(jù),根據(jù)以上計(jì)算條件,采用PSD-SCCP軟件[6]計(jì)算220 kV及以上母線單相、三相短路電流:
考慮新能源投產(chǎn)前后對500 kV母線短路電流的影響,對其進(jìn)行全面計(jì)算,部分結(jié)果見表2所示。
表2 短路電流超過40 kA的500 kV母線(單位:kA)
由表2可知,“8+3”新能源投產(chǎn)后,500 kV母線短路電流超過40 kA的變電站共有14座,其中七甸、廠口500 kV母線短路電流接近/超過開關(guān)的額定遮斷電流48 kA,建議更換相應(yīng)開關(guān),其余場站500 kV母線短路電流離額定遮斷電流還有較大裕度;此外,“8+3”新能源投產(chǎn)后,500 kV母線短路電流均有所增加,其中仁和、曲靖、紅河變短路電流增幅最大,這是由于該地區(qū)新能源增加較多,在故障期間注入了較多的短路電流,從而導(dǎo)致短路點(diǎn)短路電流水平上升。
考慮新能源投產(chǎn)前后對220 kV母線短路電流的影響,對其進(jìn)行全面計(jì)算,部分結(jié)果見表3所示。
表3 短路電流超過40 kA的220 kV母線(單位:kA)
由表3可知,“8+3”新能源投產(chǎn)后,220 kV母線短路電流超過40 kA的變電站共有17座,其中黃坪、通寶、紅河、墨江、硯山220 kV母線單相短路電流超過開關(guān)的額定遮斷電流48 kA,建議在主變加裝中性點(diǎn)小電抗;此外,黃坪220 kV母線三相短路電流超過開關(guān)的額定遮斷電流48 kA,建議大理-黃坪電磁環(huán)網(wǎng)斷環(huán)運(yùn)行;再者,“8+3”新能源投產(chǎn)后,220 kV母線短路電流均有所增加,其中曲靖、天星、喜平變短路電流增幅最大。
采取主變加裝中性點(diǎn)小電抗限制措施后部分變電站計(jì)算結(jié)果見表4所示:
表4 加裝小電抗后部分220 kV母線短路電流(單位:kA)
此外,由于黃坪變與周邊500 kV變電站保持了500/220 kV電磁環(huán)網(wǎng),造成三相短路電流也達(dá)到48 kA,需要斷開部分電磁環(huán)網(wǎng)降低短路電流。
綜上,采取上述短路電流限制措施后,所有場站220 kV母線短路電流均小于開關(guān)的額定遮斷電流48 kA,短路電流水平滿足安全運(yùn)行要求。
新能源在故障情況下向電網(wǎng)注入短路電流,從而導(dǎo)致短路點(diǎn)短路電流水平上升。為進(jìn)一步研究新能源接入對短路電流的具體影響,下面以文山天馬山風(fēng)電為例進(jìn)行分析:
文山天馬山風(fēng)電裝機(jī)容量250 MW,以1回220 kV線路接入500 kV天星變,升壓站預(yù)置2臺150MVA主變(其中一臺主變中性點(diǎn)接地),考慮天馬山風(fēng)電不斷增加容量對短路電流影響,每次增加125 MW風(fēng)機(jī)與150MVA升壓變(保持一臺主變中性點(diǎn)接地),則天馬山風(fēng)電不同容量下計(jì)算結(jié)果見表5所示:
表5 不同容量下天星220 kV母線短路電流(單位:kA)
由上表可知,天馬山風(fēng)電每增容125 MW,天星變220 kV母線單相短路電流對應(yīng)增加約0.06 kA、三相短路電流對應(yīng)增加約0.26 kA,單相短路電流與三相短路電流均呈線性增加趨勢,且三相短路電流增幅大于單相短路電流增幅。
為進(jìn)一步研究新能源機(jī)組模型對短路電流的影響,考慮將天馬山風(fēng)電等容量替換為光伏,升壓站主變采用相同容量和型號以確保接入阻抗相同,則光伏同等容量下計(jì)算結(jié)果見表6所示:
表6 光伏同等容量下天星220 kV母線短路電流(單位:kA)
由上表可知,將天馬山風(fēng)電依次等容量替換為光伏,光伏每增容125 MW,對應(yīng)增容1臺150MVA主變,天星變220 kV母線單相短路電流對應(yīng)增加約0.06 kA、三相短路電流對應(yīng)增加約0.24 kA,單相短路電流與三相短路電流均呈線性增加趨勢,且三相短路電流增幅大于單相短路電流增幅。
通過表5與表6對比分析可知,同等容量的風(fēng)電和光伏接入,對天星變220 kV母線短路電流的助增作用相近。
本文針對云南“8+3”新能源規(guī)劃項(xiàng)目,結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)短路電流較高的突出問題,開展了“8+3”新能源規(guī)劃投產(chǎn)前后的短路電流對比分析,研究了新能源機(jī)組容量和模型對短路電流的具體影響,得出以下結(jié)論:
1)新能源機(jī)組接入對所有場站500 kV和220 kV母線單相、三相短路電流均有助增作用,且集中接入的場站短路電流增幅最為明顯;
2)短路點(diǎn)短路電流的大小與近區(qū)新能源機(jī)組的容量近似呈線性關(guān)系;
3)同等容量的風(fēng)電和光伏接入同一并網(wǎng)點(diǎn),對短路點(diǎn)短路電流的貢獻(xiàn)相近;
4)對短路電流接近/超過斷路器額定遮斷電流的場站提出了合理的限制措施,對保障“8+3”新能源投產(chǎn)后電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和后續(xù)新能源規(guī)劃接入具有一定指導(dǎo)價(jià)值。