独立运行风光储互补发电系统优化设计研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：汤吟露（1988）女，汉族，江苏南京人，中级职称，本科，南京四方亿能电力自动化有限公司，研究方向为电力系统及其自动化。-114-独立运行风光储互补发电系统优化设计研究 汤吟露 南京四方亿能电力自动化有限公司，江苏 南京 210000 摘要：摘要：本文研究了独立运行风光储互补发电系统的优化设计。通过对内蒙古化德蒙能能源有限公司化德县 100 万千瓦风光储项目的工程建设必要性和可再生能源政策支持进行分析，确定了该项目的重要性和可行性。接着，对项目的接入系统方案进行了探讨，包括分区和电力网络接入。在系统对风光储项目的电气参数要求方面，研究了升压站的要求和配置、设备短路电流水平以及风电场和光伏电站的要求。此外，还研究了系统二次部分，包括系统继电保护和系统调度自动化。最后，对系统通信进行了探讨，包括光纤通信的应用和通信设备与电力调度的关系。通过本文的研究，以期为其他类似系统的设计和优化提供参考和借鉴。关键词：关键词：风光储互补发电系统；优化设计；独立运行 中图分类号：中图分类号：TM7 0 引言 随着能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，可再生能源的利用成为全球能源领域的热门话题。风光储互补发电系统作为一种新型的能源利用方式，具有很大的潜力和优势。该系统通过结合风能和太阳能的利用，以及储能技术的应用，能够实现能源的高效利用和稳定供应。然而，目前风光储互补发电系统在实际应用中还存在一些问题和挑战。首先，系统的设计和优化是一个复杂的工程问题，需要考虑多个因素的综合影响，如风能和太阳能资源的变化、储能设备的容量和效率、电网的接入等。其次，系统的运行和控制策略也需要进行深入研究，以实现系统的高效运行和稳定性。因此，本文旨在对独立运行风光储互补发电系统进行优化设计研究，以提高系统的能源利用效率和经济性。1 工程建设地必要性 1.1 项目概述 内蒙古化德蒙能能源有限公司化德县 100 万千瓦风光储项目的建设是为了推动可再生能源发电产业的发展。根据国家出台的中华人民共和国可再生能源法等法规文件，可再生能源的开发和利用得到了立法保护1。内蒙古自治区地理位置优越，拥有丰富的风能和光伏资源，因此开发利用风光储发电项目具有广阔的前景。该项目的总容量为 100 万千瓦，其中风电容量为 80 万千瓦，光伏容量为 20 万千瓦，配套的储能容量为 15 万千瓦/30 万千瓦时。通过建设这个项目，可以促进内蒙古自治区能源绿色低碳转型，符合国家制定的能源战略方针，也是实现“碳达峰、碳中和”的重要途径之一。此外，该项目的建设还能带动相关产业的发展，如风力发电设备制造、光伏组件生产、储能设备制造等。这将为当地经济增长提供新的动力，创造就业机会，促进区域经济的繁荣。总之，内蒙古化德蒙能能源有限公司化德县 100 万千瓦风光储项目的建设具有重要的必要性。它不仅有利于推动可再生能源发电产业的发展，也符合国家能源战略方针，同时还能带动相关产业的发展，促进区域经济的繁荣。因此，对于该项目的工程建设是非常必要的。1.2 可再生能源政策支持 根据内蒙古自治区能源局关于内蒙古能源集团有限公司开发建设蒙西 570 万千瓦风光基地事宜的答复（内能新能字20221019 号）和内蒙古电力公司关于内蒙古化德蒙能能源有限公司化德县 100 万千瓦风光储项目并网意向的复函（内电计划202337 号），该项目已经得到相关部门的支持和批准。这意味着政府部门认可该项目的重要性和可行性，认为其对于内蒙古自治区能源发展具有积极意义。因此，进行该项目的工程建设是必要的。此外，可再生能源政策的支持也是推动风光储互补发电系统建设的重要因素。政府部门对可再生能源项目的支持包括财中国科技期刊数据库 工业 A-115-政补贴、优惠税收政策、电力购买政策等。这些政策的出台和实施，为风光储互补发电系统的建设提供了良好的政策环境，降低了项目的投资风险，提高了项目的经济效益和可持续发展能力。因此，可再生能源政策的支持是该项目工程建设的必要条件之一。2 接入系统方案 2.1 项目分区和电力网络接入 根据会议审定的结果，内蒙古化德蒙能能源有限公司化德县 100 万千瓦风光储项目将分为东区和西区两个区进行建设。东区将建设 30 万千瓦风电、20 万千瓦光伏及配套储能，西区将建设 50 万千瓦风电。为了实现项目的接入，分别在东区和西区将建设 1 座 220千伏升压站。东区升压站将通过 1 回 220 千伏线路接入康德 220 千伏变的 220 千伏侧，线路长度约为 80 千米。具体线路导线型号将在可研阶段进一步确定。这条 220 千伏线路将承担东区 30 万千瓦风电、20 万千瓦光伏及配套储能的输电任务。西区升压站将通过 1 回220千伏线路接入在建的德义500千伏变的220千伏侧，线路长度约为 65 千米。同样，线路导线型号也将在可研阶段进一步确定。这条 220 千伏线路将承担西区 50万千瓦风电的输电任务。此外，本期 80 万千瓦风电、20 万千瓦光伏及储能装置将通过集电线路接入两座升压站的 35 千伏侧。具体的集电线路规划和导线型号也将在可研阶段进一步确定。这条 35 千伏集电线路将把东区和西区的风电和光伏发电装置的电能输送到相应的升压站。通过以上的规划和接入设计，项目将实现东区和西区的风光储项目与电力网络的有效连接，确保项目的电能输送和供应2。2.2 最新的项目规模调整 最新的项目规模调整包括东区和西区的建设规模调整。根据技术经济综合比选的结果，东区的建设规模调整为 30 万千瓦风电、20 万千瓦光伏以及配套储能。而西区的建设规模调整为 50 万千瓦风电。根据最新的调整，东区的升压站将通过一条 220 千伏线路接入康德 220 千伏变的 220 千伏侧，线路长度约为 80 千米。线路导线型号将在可研阶段进一步确定。西区的升压站将通过一条 220 千伏线路接入正在建设中的德义500 千伏变的 220 千伏侧，线路长度约为 65 千米。为了满足项目的接入需求，康德变的 220 千伏侧规划了 6条出线，目前已经建设了 5 条。德义变的 220 千伏侧规划了 16 条出线，一期已经建设了 9 条。为了满足本项目的接入需求，将会占用康德变和德义变的一个 220千伏空余间隔，并且完善相应的一二次设备。3 系统对风光储项目的电气参数要求 3.1 升压站的要求和配置 风光储项目需要建设东区和西区各一座 220 千伏升压站，主变容量应满足各分区风光储项目的送出要求，并留有扩建余地。升压站的电压等级为 220/35 千伏，容量比为 100/100。建议东区升压站本期采用单母线接线型式，220 千伏侧建设 1 回出线至康德 220 千伏变的 220 千伏侧。同样地，建议西区升压站本期采用单母线接线型式，220 千伏侧建设 1 回出线至德义 500千伏变的 220 千伏侧。3.2 设备短路电流水平 根据规定，风光储项目的东、西区升压站 220 千伏侧设备的短路电流水平应按照 50 千安进行考虑。这意味着在设计和选择设备时，需要确保设备能够承受最大 50 千安的短路电流。这样可以保证设备在发生短路故障时能够正常运行，并且不会对电网造成不可逆的损坏。3.3 风电场和光伏电站的要求 风电场和光伏电站需要具备有功功率调节能力，其有功功率及有功功率变化应与电力系统调度机构下达的给定值一致。对于接入 35 千伏及以上电压等级的风电场和接入 10 千伏电压等级装机容量超过 5 兆瓦的集中式风电场，还需要具备无功功率调节及电压控制能力。风电场应能够控制风电场并网点电压在标称电压的 97%107%范围内。单台风电机组的功率因数应在超前 0.95 到滞后 0.95 的范围内动态可调。如果风力发电机组的无功容量及其调节能力不满足系统电压调节要求，应在风电场中加装适当容量的动态无功补偿装置，且其频率和电压适应能力不低于风电机组的要求3。对于光伏电站，同样需要具备有功功率调节能力，并且其电压和频率耐受能力应满足电力系统安全稳定导则的规定。光伏电站还需要具备一定的过电流能力，并且在事故情况下不应先于同步发电机组脱网。光伏电站并网运行时，向电网馈送的直流电流分量不应超过其交流额定值的 0.5%。光伏电站的逆变器应具备有功、无功调节能力，并开放接收外部控制命令的接口。中国科技期刊数据库 工业 A-116-光伏电站送入电网公共连接点的电能质量必须满足国家相关标准的要求，包括电压偏差、闪变值、谐波值和三相电压不平衡度等。在并网点电能质量满足要求的情况下，光伏电站应能正常运行。3.4 电化学储能系统的要求 电化学储能系统需要具备有功功率控制功能，并满足电化学储能系统接入电网技术规定的要求。储能系统还需要具备无功功率控制和电压调节功能，并满足电化学储能系统接入电网技术规定的要求。储能系统应具有高/低电压穿越能力，以及满足电化学储能系统接入电网技术规定的电压偏差、闪变值、谐波值和三相电压不平衡度等要求。储能系统还应满足电化学储能系统接入电网技术规定的频率运行适应性要求。4 系统二次部分 4.1 系统继电保护 在风光储项目中，系统继电保护的配置如下：（1）东区升压站至康德变单回 220 千伏线路和西区升压站至德义变单回 220 千伏线路，每回线路两侧分别配置 2套微机型分相电流差动保护及完善的后备保护。线路保护信号传输通道采用复用 2M 光纤通道。（2）东区和西区升压站的每回35千伏集电线路出口均配置电流速断保护及过电流保护。（3）东区和西区升压站的每组220千伏母线分别配置2套220千伏母线保护装置。（4）东区和西区升压站的每段 35 千伏母线分别配置 1套 35 千伏母线保护装置4。（5）东区和西区升压站分别配置 1 套微机型故障录波器和 1-10 套保护及故障信息远传系统子站。（6）东区升压站、西区升压站、德义变和康德变分别配置 1 套电能质量在线监测装置。（7）东区升压站应配置防孤岛保护，同时具备主动式和被动式两种防孤岛保护。（8）需同步开展安全稳定控制系统专题研究。4.2 系统调度自动化 在风光储项目中，系统调度自动化的配置如下：（1）东区和西区升压站分别由内蒙古中调和乌兰察布地调实施两级调度管理。储能系统发电总出力接受内蒙古中调的直接调度，远动信息直采直送内蒙古中调、备调及乌兰察布地调。远动主备通道采用电力调度数据网省地互备方式。（2）东区和西区升压站分别配置1 台综合通信管理终端，以及有功功率控制（AGC）系统、无功电压控制（AVC）系统、宽频相量测量及处理系统和功率预测系统。（3）上网用网关口计量点设在产权分界处，按 I 类设置计量装置。线路两侧配置相同规格、准确度等级为有功 0.2S、无功 0.5 级主副电能表。储能进线配置有功 0.2S、无功 0.5 级主副电能表。光伏和风电集电线路配置有功 0.2S、无功 0.5 级电能表。配置 2 套电能量采集终端，通过电力调度数据网省地互备方式上传至内蒙中调、备调计量主站及乌兰察布地调计量主站，并通过 2M 专线上传至电力公司营销采控主站，同时具备 GPRS 上传功能。（4）计量设备配置和通信接口符合内蒙古电力公司企业标准关口电能计量装置管理办法。（5）根据要求，东区和西区升压站按接入点以省地互备方式配置 2 套调度数据网传输设备及相应的二次系统安全防护设备，同时配置 1 套网络安全监测装置。防护措施符合相关文件的要求，严禁远程连接生产控制大区的业务系统及设备。（6）根据相关要求，风光储项目应具备一次调频功能，一次调频参数和性能应满足电力系统网源协调技术规范的要求，并在并网后 6 个月内完成一次调频试验。5 系统通信 5.1 光纤通信的应用 风光储项目的东区和西区都采用光纤通信作为系统通信的主要和备用方式。为了实现这一目标，东区升压站至康德变单回 220 千伏线路建设了两条 24 芯OPGW 光缆，光缆的长度约为 286 千米。而西区升压站至德义变单回220千伏线路也建设了两条24芯OPGW光缆，光缆的长度约为 270 千米。这些光缆都采用了 G.652 型纤芯配置。5.2 通信设备和电力调度 为了支持系统通信，东区至康德变和西区至德义变都开设了两条 622Mbit/s（1+1）光纤电路。为了实现这一目标，东区和西区的升压站分别配置了两套地区网 SDH STM-4/16 光传输设备，每套设备都配置了两块 STM-4 光口板。康德变和德义变现有的地区网光传输设备也进行了扩容，分别增加了两块 STM-4 多光口板5。除了光纤通信，东区和西区还配置了 PCM 设备，用于与内蒙古中调和乌兰察布地调进行通信。内蒙古中调侧和乌兰察布地调侧的东区和西区共用 PCM 扩容板卡接入业务。此外，还对内蒙古中调侧的光电一体中国科技期刊数据库 工业 A-117-机和乌兰察布地调侧的 PCM 进行了扩容，增加了相应的板卡和缆线。为了支持电力调度，东区和西区的升压站都配置了内蒙古电网调度综合管理网设备。此外，每个升压站还配置了两部调度电话，具备录音功能，并分别接入内蒙古中调和乌兰察布低调的调度交换网。6 相关项目案例 广西河池市环江毛南族自治县明伦镇柳平村石板屯附近的环江县 500MW 风光储综合能源一体化项目。项 目 规 模 为1150MVA，电 压 等 级 为230kV/37kV/10.5kV。项目位于低山丘陵内一个较为平坦的山包上，地面自然高程为 698.84738.32m。交通条件一般，有乡村公路临近穿过。电力系统情况为系统标称电压为 220kV，最高电压为 252kV，额定频率为50Hz。220kV 侧中性点经隔离开关接地，配套设备为中心点避雷器加放电间隙，35kV 侧中性点经小电阻接地。本项目拟建设 1 台有载调压电力变压器，主变容量为150MW，220kV 侧规划为单母接线，220kV 出线规划 1回，35kV 侧为单母线设计，35kV 光伏汇集线 6 回，35kV储能汇集线 2 回。主变低压侧各安装 136Mvar 的动态无功补偿装置，主变 35kV 侧中性点安装 1400A 的小电阻接地装。站用变容量为 500kVA，采用双电源供电，其中 1 路引自升压站外 10kV 配网，1 路引自本升压站 35kV 母线。正常情况下，站用电由升压站站用变供电，当站内电源停电时，由外部 10kV 电源供电，两路电源互为备用。7 结语 综上所述，独立运行风光储互补发电系统的优化设计研究具有重要的必要性和实际意义。通过该系统的建设和运行，可以推动可再生能源发电产业的发展，促进能源绿色低碳转型，符合国家能源战略方针。同时，该系统的建设还能带动相关产业的发展，促进区域经济的繁荣。在系统接入方案、电气参数要求、二次部分和通信等方面，都需要进行合理的设计和优化，以确保系统的安全稳定运行。因此，独立运行风光储互补发电系统的优化设计研究具有重要的理论和实践价值，对于推动可再生能源发电产业的发展和促进区域经济的繁荣具有积极意义。参考文献 1马春林.风光互补发电并网系统优化设计研究J.建筑工程技术与设计,2020(4):393.2陈凯.风光储互补发电系统的容量优化研究综述J.科技风,2022(3):54.3翁訸,张建华,蔡炯晖;王健.并网型风光互补发电系统储能优化调度研究J.电力设备管理,2021(4):133.4宋宇,李涵,楚皓翔,李斌.计及可靠性的风光互补发电系统容量优化配比研究J.电气技术,2022(4):11.5风光互补发电系统运行优化控制策略研究D.北京:北京科技大学,2020.