李桂平 劉永乾 李來鴻 高東升 馮海林

1.勝利石油管理局有限公司新能源開發(fā)中心 山東東營 257000 2.勝利石油管理局有限公司電力分公司 山東東營 257000

“十四五”規(guī)劃期間,用戶側(cè)分布式電源在勝利油田開展規(guī)?；ㄔO(shè)。在政策的支持下,油田用戶側(cè)分布式光伏項目全面開花,進(jìn)入加速發(fā)展的快車道。一方面,分布式電源的環(huán)境友好性和循環(huán)再生性為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染提供了幫助。另一方面,由于分布式發(fā)電受到自然條件的限制,輸出功率具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,大規(guī)模分布式電源并入電網(wǎng),會對現(xiàn)有電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此,研究油田用戶側(cè)分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行特征和孤島應(yīng)對策略、檢測方法,具有重要意義。

1 并網(wǎng)方式

勝利油田利用輸站庫、油氣井場、鹽堿灘涂等閑置土地資源和辦公區(qū)場地、屋面等閑置資源,靠近用電負(fù)荷進(jìn)行光伏、風(fēng)電等分布式發(fā)電項目建設(shè),通過企業(yè)電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng),實現(xiàn)新能源綠電接入及消納。用戶側(cè)分布式電源接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前,油田用戶側(cè)分布式電源的容量都比較小,在現(xiàn)有的裝機(jī)水平下,分布式電源不會對大電網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。但是,隨著分布式電源的發(fā)展,如果小型機(jī)組的數(shù)量達(dá)到一定水平,就有可能影響整個電力系統(tǒng)的特性。分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行,對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為對電壓波動的影響和諧波問題。

圖1 用戶側(cè)分布式電源接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

分布式電源采用的發(fā)電技術(shù)不同,輸出的電壓類型也不同,有工頻交流量、直流量、非工頻交流量三種。第一種類型分布式電源一般可以直接并網(wǎng),第二種類型分布式電源需要經(jīng)逆變器并網(wǎng),第三種類型分布式電源需要整流后再經(jīng)逆變器并網(wǎng)。分布式電源的并網(wǎng)方式見表1。

表1 分布式電源并網(wǎng)方式

2 孤島特征和應(yīng)對策略

2.1 孤島運(yùn)行產(chǎn)生原因

當(dāng)包含分布式發(fā)電機(jī)的配電系統(tǒng)由于某種原因引起跳閘,使一部分配電網(wǎng)與主系統(tǒng)分開,形成獨(dú)立的區(qū)域,稱為孤島運(yùn)行,如圖2所示。

圖2 孤島運(yùn)行

配電網(wǎng)中形成孤島的原因如圖3所示。配電網(wǎng)發(fā)生故障后,變電站保護(hù)動作,斷路器斷開。另一方面,小型風(fēng)電場、光伏電場的保護(hù)根據(jù)本地測量量進(jìn)行判定。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有特殊故障特性,如過流能力有限,故障電流具有多態(tài)性等,風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)的保護(hù)可能會難以識別故障,沒有跳閘而繼續(xù)向負(fù)荷供電。

圖3 配電網(wǎng)中孤島形成原因

2.2 孤島運(yùn)行主要特征

配電網(wǎng)主要為輻射狀結(jié)構(gòu),分布式電源經(jīng)配電變電站與系統(tǒng)連接。孤島運(yùn)行,穩(wěn)定性存在一定風(fēng)險,需要完善運(yùn)行操作和控制系統(tǒng)。組合孤島包含多個單元組和多個負(fù)荷,是一種混合孤島運(yùn)行。由于配電變電站下接多個單元組和負(fù)荷,可能會有很多種單元組與負(fù)荷的組合,可以形成范圍不等的孤島。為了簡化運(yùn)行方式,只考慮兩個層次的孤島劃分,即最大范圍的組合孤島和最小范圍的單元孤島。最大范圍的組合孤島并不是指包括整個變電站的孤島,而是指在某一區(qū)域中的最大功率平衡區(qū)域,其層次不屬于單個用戶,而是屬于變電站級別。

2.3 孤島應(yīng)對策略

分布式電源的特性、容量大小,以及接入配電網(wǎng)的等級和方式不同,孤島發(fā)生后對電網(wǎng)、用戶及分布式電源自身造成的影響也不同,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況采取不同的應(yīng)對措施。在眾多孤島情況中,存在一種分層孤島。在分層孤島運(yùn)行條件下,分布式電源的解列可以采取單元孤島解列、組合孤島解列或分層孤島解列方式。合理的應(yīng)對策略應(yīng)該是在保證電網(wǎng)、用戶及分布式電源安全的前提下,最大限度兼顧三者的利益及需求。

3 孤島檢測標(biāo)準(zhǔn)

孤島運(yùn)行狀態(tài)會帶來諸多潛在危害,由此,世界各國關(guān)于交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn),如美國IEEE Std 929—2000和IEEE Std 1547—2018、我國GB/T 29319—2012、英國BS EN 62116:2014等,都對新能源交流并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的孤島檢測能力進(jìn)行了明確規(guī)定。IEEE Std 1547—2018中提出,應(yīng)尋求可以利用非計劃孤島運(yùn)行的方法,從而充分利用光伏電源的發(fā)電容量,確保重要用戶的用電安全。這需要在孤島后維持系統(tǒng)電壓、頻率均不越限,不但對光伏并網(wǎng)變換器的功能提出了極高要求,而且還要求光伏電源出力與本地負(fù)載大致匹配,實現(xiàn)難度較大?，F(xiàn)階段更重要的是保證孤島運(yùn)行狀態(tài)不會對人員和相關(guān)設(shè)備造成危害,尤其是對于裝設(shè)了自動重合閘的系統(tǒng)而言。因此目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定,檢出孤島運(yùn)行后應(yīng)使各光伏源斷電,從而解除孤島運(yùn)行狀態(tài)。

GB/T 29319—2012《光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》、GB/T 19964—2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中均明確規(guī)定,光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)能夠快速檢測到孤島,并在檢測到孤島之后將光伏電源切斷,防孤島保護(hù)的動作時間應(yīng)不長于2 s。但是,上述兩項標(biāo)準(zhǔn)中均沒有明確指定用以判斷孤島運(yùn)行狀態(tài)的電氣量。一般而言,孤島檢測方法最終通過對系統(tǒng)電壓或頻率設(shè)置閾值來判斷孤島運(yùn)行的發(fā)生,這樣做也有利于防孤島保護(hù)與其它繼電保護(hù)方式進(jìn)行配合。GB/T 29319—2012中對光伏系統(tǒng)接入配電網(wǎng)時允許的電壓、頻率范圍進(jìn)行了明確規(guī)定,并網(wǎng)點(diǎn)電壓在85%～110%額定電壓UN范圍內(nèi),頻率在47.5～50.2 Hz范圍內(nèi)時,光伏電站可以保持與配電網(wǎng)同步運(yùn)行。超出上述電壓、頻率范圍時,根據(jù)越限的多少規(guī)定不同的保護(hù)最長動作時間,見表2。IEEE Std 929—2000中則明確給出了利用電壓、頻率檢測孤島運(yùn)行時的檢測時間,見表3,fN為額定頻率。

表2 GB/T 29319—2012電壓、頻率保護(hù)動作時間

表3 IEEE Std 929—2000電壓、頻率保護(hù)動作時間

由表2、表3可知,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支持采用電壓、頻率閾值進(jìn)行孤島檢測。一般應(yīng)用的本地孤島檢測方法,無論是主動法還是被動法,防孤島保護(hù)均最終通過過、欠電壓保護(hù)及過、欠頻率保護(hù)進(jìn)行動作。由于存在允許并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的電壓、頻率區(qū)間,孤島后光伏電源與本地負(fù)載的有功功率和無功功率均近似匹配時,孤島后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、頻率不會發(fā)生太大變化,仍保持在允許并網(wǎng)運(yùn)行的區(qū)間內(nèi)。

4 孤島檢測適用電氣量

以分布式光伏電站并入交流系統(tǒng)為例,交流側(cè)配電網(wǎng)絡(luò)如圖4所示,對孤島運(yùn)行狀態(tài)下各電氣量的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

圖4 交流側(cè)配電網(wǎng)絡(luò)

4.1 電壓

當(dāng)圖4所示交流光伏系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時,輸出功率為P+jQ,交流電網(wǎng)向本地負(fù)載送出的功率為本地負(fù)載總計消耗的功率,即Pload+jQload。在光伏機(jī)組、本地負(fù)載、交流電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)處,由于電網(wǎng)的穩(wěn)壓作用,電壓幅值不會發(fā)生變化。有:

(1)

P=Pload-ΔP=V0I0cosθ0

(2)

式中:V0為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下光伏并網(wǎng)逆變器輸出端的電壓;I0為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下光伏并網(wǎng)逆變器輸出端的電流;θ0為上述電壓、電流的相角差。

光伏交流并網(wǎng)逆變器一般采用電流控制策略,因此光伏并網(wǎng)逆變器輸出的電流幅值及與電壓間的相角差在系統(tǒng)進(jìn)入孤島狀態(tài)后將不會發(fā)生變化,即:

θ=θ0

(3)

I=I0

(4)

式中:I為光伏機(jī)組與本地負(fù)載進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后的電流幅值;θ為光伏機(jī)組與本地負(fù)載進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后電壓、電流的相角差。

進(jìn)入孤島狀態(tài)后,系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓V可以表示為:

V=IRcosθ

(5)

式中:R為本地負(fù)載中阻性成分的阻值。

由于光伏機(jī)組沒有輸出無功功率的能力,因此一般運(yùn)行于單位功率因數(shù)模式下,即θ與θ0均趨近于0。考慮這一條件,聯(lián)立式(1)～式(5),可以得到孤島狀態(tài)下V的表達(dá)式為:

V=V0(1-ΔP/Pload)

(6)

當(dāng)光伏電源發(fā)出的有功功率不能滿足本地負(fù)載的全部有功需求,本地負(fù)載與電網(wǎng)存在有功功率交換時,系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后公共連接點(diǎn)電壓將會發(fā)生變化。根據(jù)GB/T 29319—2012,光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常并網(wǎng)運(yùn)行時允許的電壓波動范圍為85%～110%額定電壓。經(jīng)過計算,當(dāng)本地負(fù)載與光伏電源之間的有功功率差額達(dá)到本地負(fù)載有功負(fù)載的15%時,進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后公共連接點(diǎn)電壓將越過電壓閾值,孤島運(yùn)行狀態(tài)可以被快速而準(zhǔn)確檢測出。

4.2 頻率

并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下公共連接點(diǎn)電壓頻率受電網(wǎng)控制,維持50 Hz且?guī)缀醪话l(fā)生變化。在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下,Qload和θ0可以表示為:

(7)

(8)

式中:ω為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下公共連接點(diǎn)電壓角頻率。

系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后,有:

(9)

聯(lián)立相關(guān)各式,得到孤島運(yùn)行狀態(tài)下公共連接點(diǎn)電壓角頻率的表達(dá)式為:

(10)

式中:q為本地負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。

由式(10)可知,當(dāng)光伏電源發(fā)出的無功功率不能滿足本地負(fù)載的全部有功需求,本地負(fù)載與電網(wǎng)存在無功功率交換時,系統(tǒng)進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后公共連接點(diǎn)電壓頻率將會發(fā)生變化。由于光伏電源無法發(fā)出無功功率,本地負(fù)載的無功消耗通常由系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償設(shè)備提供,因此孤島后系統(tǒng)頻率的變化情況實際上取決于本地?zé)o功補(bǔ)償容量是否能夠滿足需求。

4.3 電壓與電流相角差

當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)處于正常并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時,并網(wǎng)逆變器輸出的電流將保持與電網(wǎng)電壓相同的頻率和相位,以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。在這一情況下,本地負(fù)載的全部無功需求由本地?zé)o功補(bǔ)償設(shè)備和電網(wǎng)共同提供。在進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)的瞬間,光伏并網(wǎng)逆變器采用電流控制模式,輸出的電流不發(fā)生變化,同時系統(tǒng)的頻率還沒有發(fā)生改變,即負(fù)載的阻抗角仍然保持不變。與此同時,由于失去電網(wǎng)的穩(wěn)壓作用,公共連接點(diǎn)電壓將發(fā)生相位跳變,公共連接點(diǎn)電壓V可以表示為:

V=I0Z=I0|Z|∠(θ0+θload)

(11)

式中:Z為阻抗;θload為并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下本地負(fù)載的阻抗角。

并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)時,電壓和電流的相角差為0,進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)的瞬間,公共連接點(diǎn)電壓和電流將出現(xiàn)幅值等同于本地負(fù)載阻抗角的相角跳變。在本地負(fù)載為非純阻性負(fù)載,且本地?zé)o功補(bǔ)償不能完全滿足本地負(fù)載需求的情況下,這一相角變化可以被用于檢測交流系統(tǒng)的孤島運(yùn)行狀態(tài)。

4.4 有功功率與無功功率

由電壓、頻率分析可知,當(dāng)光伏電源與本地負(fù)載存在功率不平衡時,孤島后系統(tǒng)工作點(diǎn)將發(fā)生移動。若光伏電源在孤島后輸出功率不發(fā)生變化,則隨著電壓、頻率的變化,本地負(fù)載吸收的功率將從原值Pload+jQload逐漸變化為光伏電源發(fā)出的功率,從而達(dá)到功率平衡狀態(tài)。因此,在進(jìn)入孤島運(yùn)行后,通過公共連接點(diǎn)的有功功率和無功功率變化情況也能夠識別孤島運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)生。但是,與電壓、電流情況相似,當(dāng)本地負(fù)載與光伏電源的功率匹配度較高,有功功率差額小于15%,無功功率差額小于5%時,依靠對應(yīng)功率的被動檢測方法無法有效對孤島運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。交流系統(tǒng)中功率變化與系統(tǒng)電壓、頻率變化是相統(tǒng)一的,因此為方便檢測,被動方法一般直接對系統(tǒng)的電壓和頻率整定閾值。

4.5 阻抗

阻抗測量法是交流系統(tǒng)內(nèi)孤島檢測方法中具有代表性的一種。與大多數(shù)主動方法迫使系統(tǒng)工作點(diǎn)在進(jìn)入孤島后快速移動導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)不同,阻抗測量法利用系統(tǒng)阻抗在孤島前后的變化情況對孤島運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。交流光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時,電網(wǎng)可以近似看作理想電壓源,具有極小的內(nèi)阻。并網(wǎng)時,在光伏機(jī)組的輸出端測得的阻抗ZGrid為:

(12)

式中:Z0為電網(wǎng)阻抗;Zload為本地負(fù)載阻抗。

由于電網(wǎng)內(nèi)阻極小,Zload具有較小的幅值。當(dāng)光伏機(jī)組與本地負(fù)載進(jìn)入孤島運(yùn)行狀態(tài)后,在光伏機(jī)組處測得的阻抗與本地交流負(fù)載值相同。

并網(wǎng)運(yùn)行與孤島運(yùn)行狀態(tài)下,在光伏發(fā)電系統(tǒng)端口測得的阻抗數(shù)值差異較大。根據(jù)這一阻抗變化,可以明確判斷系統(tǒng)是否處于孤島運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

通過對用戶側(cè)分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行和孤島應(yīng)對策略、孤島檢測方法的分析,確認(rèn)交流系統(tǒng)內(nèi)基于電壓、頻率及相角差的被動方法均對進(jìn)入孤島時的功率匹配程度具有要求。在功率匹配度較低的系統(tǒng)中,上述方法可以準(zhǔn)確檢測出孤島運(yùn)行狀態(tài)。但在功率匹配度較高的系統(tǒng)中,會相應(yīng)進(jìn)入檢測盲區(qū)。因此,在交流系統(tǒng)內(nèi)可以采用電壓與頻率進(jìn)行配合檢測的方法,利用檢測盲區(qū)不完全重疊的部分盡可能縮小孤島檢測的盲區(qū),或使用主動擾動破壞孤島后的功率平衡。