電廠引入儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)廠用電系統(tǒng)的影響分析

引言

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中,火電機(jī)組的AGC調(diào)頻性能與電網(wǎng)期望相比有較大差距,表現(xiàn)為調(diào)節(jié)延遲、偏差(超調(diào)和欠調(diào)）等現(xiàn)象。一臺(tái)火電機(jī)組跟蹤電網(wǎng)AGC指令進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的實(shí)際過(guò)程如圖1所示。

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)而言,在額定功率范圍內(nèi),可以在1s內(nèi)、以99%以上的精度完成指定功率的輸出。10MW的儲(chǔ)能系統(tǒng)從＋10MW到-10MW只需要2s,即對(duì)于一個(gè)折返的20MWAGC指令,儲(chǔ)能技術(shù)可在2s內(nèi)完成。如圖2所示,儲(chǔ)能調(diào)頻效果要遠(yuǎn)好于火電機(jī)組。

某電廠機(jī)組受制于設(shè)備狀況和煤種,其綜合調(diào)頻性能指數(shù)K值目前只有0.5～0.6,在輔助調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中毫無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)增加儲(chǔ)能,聯(lián)合機(jī)組調(diào)頻能夠顯著提高機(jī)組調(diào)節(jié)性能、提升K值。

本文將介紹某電廠9MW儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行實(shí)際情況,重點(diǎn)分析增加9MW儲(chǔ)能系統(tǒng)后充放電過(guò)程中對(duì)機(jī)組廠用電系統(tǒng)的影響,研究成果對(duì)于后續(xù)儲(chǔ)能聯(lián)合火電調(diào)頻工程建設(shè)具有重大的指導(dǎo)意義,有助于推動(dòng)南方輔助調(diào)頻市場(chǎng)的發(fā)展。

1擬接入儲(chǔ)能的廠側(cè)變壓器容量核算

1.1電廠廠用電現(xiàn)狀

目前電廠高廠變配置為:每臺(tái)機(jī)組各配置一臺(tái)高廠變(分裂變壓器）,公用一臺(tái)啟備變(分裂變壓器）,二者的容量相同,保護(hù)配置基本相同。本文以#1高廠變?yōu)槔M(jìn)行分析,#2高廠變、啟備變不再重復(fù)分析及計(jì)算。

儲(chǔ)能調(diào)頻電氣一次回路擬采用兩路電力電纜分別連接至電廠#1機(jī)組和#2機(jī)組的6kV工作B段,接入電廠廠用電系統(tǒng)1600A間隔。儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)通過(guò)此開(kāi)關(guān)間隔接入#1、#2機(jī)組6kV工作B段。

1.2最大負(fù)荷核對(duì)

1.2.1實(shí)際最大廠用電負(fù)荷率核算

1.2.1.1電廠2018年1月1日一4月8日負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

從統(tǒng)計(jì)區(qū)間得知,2018-01-05T09:20,電廠兩臺(tái)發(fā)電機(jī)功率到達(dá)同期最大值:#1發(fā)電機(jī)功率最大323.26MW,#2發(fā)電機(jī)功率最大309.4MW,廠用段電流電壓1A1段:1219.5A、6.084kV,1B1段:1681.5A、6.012kV。

1.2.1.2對(duì)應(yīng)的最大功率計(jì)算

同理,計(jì)算出#2高廠變負(fù)荷率為53.6%。

1.2.2將儲(chǔ)能電源接入到高廠變低壓B側(cè)容量核算

(1）儲(chǔ)能系統(tǒng)按照9MW配置,額定電流825A,取1600A一次負(fù)荷開(kāi)關(guān)。

(2）未接入儲(chǔ)能系統(tǒng)前,高廠變低壓B側(cè)的最大額定電流=1681A(從1590A到1681A,再返回到1590A,持續(xù)時(shí)間約2h45min）,低壓A側(cè)的最大額定電流=1219A。

(3）接入儲(chǔ)能系統(tǒng)后,高廠變低壓B側(cè)的最大電流=1681＋825=2506A<2887A(對(duì)應(yīng)高壓側(cè)1444A）。對(duì)應(yīng)低壓B側(cè)容量S1'=√3×2506×6.3≈27.34MVA。低壓A側(cè)容量S2=12.85MVA。

(4）總負(fù)荷率=(S1'＋S2）/Se=(27.34＋12.85）/50=40.19/50≈80.3%。

高廠變一次原有配置滿足增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求。

2儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后對(duì)電廠廠用電系統(tǒng)的短路電流影響

2.1高廠變低壓B側(cè)6.3kV三相短路時(shí)

(1）高廠變低壓B側(cè)(6.3kV）母線三相短路時(shí),原系統(tǒng)供給的短路電流Ⅰd=19361.3A。該值取自《廣州華潤(rùn)熱電有限公司繼電保護(hù)校核計(jì)算書(shū)》。

(2）儲(chǔ)能系統(tǒng)供給的6kV系統(tǒng)B段最大可能短路電流Ⅰcn(不考慮逆變器限流作用）:

Se=4×2200＋1100=9900kVA(9.9MVA）:Ud%=6:Ue=6.3kV(按照一般干式變壓器參數(shù)取值）:系統(tǒng)的其他短路阻抗參數(shù)未知,取0。則:

(3）經(jīng)過(guò)短路點(diǎn)的最大可能短路電流:

Ⅰ=Ⅰd＋Ⅰcn=34482.83A<40000A(6kV設(shè)備的額定短路開(kāi)斷電流）

滿足動(dòng)穩(wěn)定要求。

(4）實(shí)際當(dāng)機(jī)端發(fā)生單相或三相短路故障時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器所能提供的最大短路電流受逆變器功率器件所能承受的最大電流約束,不超過(guò)并網(wǎng)逆變裝置額定電流的1.5倍。即9MW儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后對(duì)機(jī)端短路電流的最大影響不應(yīng)超過(guò):

2.2高廠變低壓A側(cè)6.3kV三相短路時(shí)

高廠變低壓A側(cè)6.3kV三相短路,短路計(jì)算時(shí),因儲(chǔ)能系統(tǒng)接在高廠變低壓B側(cè),短路電流可以忽略不計(jì)。

3儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電廠對(duì)繼電保護(hù)的影響

3.1電廠高廠變及6kV負(fù)荷保護(hù)配置分析

3.1.1高廠變高壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)

(1）過(guò)流Ⅰ段定值,整定原則:按與低壓側(cè)速斷保護(hù)配合整定(包括定值和時(shí)間）:實(shí)取:二次電流21A,一次電流8400A,動(dòng)作時(shí)間0.9S,跳閘。

(2）過(guò)流Ⅱ段定值,整定原則:按與低壓側(cè)分支過(guò)流Ⅱ段保護(hù)配合整定(包括定值和時(shí)間）:實(shí)取:二次電流4.2A,一次電流1680A,動(dòng)作時(shí)間1.2S,跳閘。

3.1.2高廠變過(guò)負(fù)荷保護(hù)

整定原則:按變壓器額定電流整定:實(shí)取:二次電流3.99A,一次電流1596A,動(dòng)作時(shí)間10S,報(bào)警。

3.1.3高廠變分支復(fù)壓過(guò)流保護(hù)

(1）過(guò)流I段定值,整定原則:按躲過(guò)在正常的最大負(fù)荷電流下單獨(dú)一臺(tái)最大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)過(guò)流保護(hù)安裝,即按照廠高變低壓側(cè)額定電流來(lái)整定,取單側(cè)電流2887A。定值實(shí)取:二次電流8.5A,一次電流6800A,動(dòng)作時(shí)間0.5S。

(2）過(guò)流I段定值,整定原則:同上,定值實(shí)取:二次電流7.5A,一次電流6000A,動(dòng)作時(shí)間1.0S。

3.1.4高廠變分支過(guò)負(fù)荷保護(hù)配置

按變壓器低壓側(cè)額定電流能可靠返回整定。取單側(cè)電流1.11×2887=3204.57A,定值實(shí)取:二次電流4A,一次電流3190A,動(dòng)作時(shí)間10S,報(bào)警。

3.1.56kV各負(fù)荷保護(hù)

低廠變、電動(dòng)機(jī)差動(dòng)保護(hù)定值參數(shù)的計(jì)算不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后增加的短路電流影響。

低廠變、電動(dòng)機(jī)過(guò)電流保護(hù)因母線短路電流增大,靈敏度增加,動(dòng)作更可靠。定值參數(shù)的計(jì)算不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后增加的短路電流影響。

6kV饋線過(guò)電流保護(hù)整定以負(fù)載電流為基礎(chǔ)整定,不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后增加的短路電流影響。

高廠變一次原有保護(hù)配置滿足按照按變壓器高壓側(cè)及低壓側(cè)額定電流整定的各保護(hù)要求。6kV母線各負(fù)荷保護(hù)不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入影響。

3.2發(fā)變組保護(hù)配置分析

儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)有兩種運(yùn)行工況,分別為充電工況和放電工況,充電過(guò)程可將儲(chǔ)能系統(tǒng)視為一恒定用電負(fù)荷,放電過(guò)程可將儲(chǔ)能系統(tǒng)視為一受控電流源。當(dāng)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)為充電運(yùn)行工況時(shí),可視為機(jī)組高壓廠變廠用段上增加了一恒功率負(fù)荷,但不參與母線低電壓時(shí)的自啟動(dòng),當(dāng)某處發(fā)生短路時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)向短路點(diǎn)輸出短路電流,由于儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際提供的短路電流值不大,對(duì)發(fā)變組和廠用電短路時(shí)的電流貢獻(xiàn)值有限,影響不大。因此,儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)對(duì)發(fā)變組、廠用電繼電保護(hù)配置和定值無(wú)影響,原有保護(hù)不需要調(diào)整[3]。

發(fā)電機(jī)、主變差動(dòng)保護(hù)定值主要包括最小動(dòng)作電流、拐點(diǎn)電流、制動(dòng)系數(shù)斜率、差動(dòng)速斷動(dòng)作電流,上述定值參數(shù)的計(jì)算不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后增加的短路電流影響。

發(fā)電機(jī)對(duì)稱過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定與發(fā)電機(jī)額定電流、機(jī)端三相短路時(shí)發(fā)電機(jī)供給的短路電流有關(guān),定值參數(shù)的計(jì)算不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后增加的短路電流影響。

發(fā)電機(jī)不對(duì)稱過(guò)負(fù)荷保護(hù)整定與發(fā)電機(jī)額定電流、發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行允許的負(fù)序電流相對(duì)值等參數(shù)有關(guān),定值參數(shù)的計(jì)算不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后增加的短路電流影響。

發(fā)電機(jī)低頻、過(guò)頻保護(hù)定值僅與頻率有關(guān),定值參數(shù)不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入影響。

發(fā)電機(jī)失步保護(hù)整定值與發(fā)電機(jī)額定二次阻抗值、變壓器阻抗相對(duì)值、系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下的最小系統(tǒng)阻抗相對(duì)值等參數(shù)有關(guān),定值計(jì)算參數(shù)不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后影響。

發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)中的發(fā)電機(jī)機(jī)端零序過(guò)電壓取自機(jī)端三相電壓互感器開(kāi)口三角形繞組,定值計(jì)算參數(shù)不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后影響。

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)、程序逆功率保護(hù)取自機(jī)端三相電壓和三相電流,逆功率定值計(jì)算參數(shù)不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后影響。

發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁能力由發(fā)電機(jī)自身制造情況決定,其整定計(jì)算參數(shù)過(guò)勵(lì)磁倍數(shù)與發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和頻率相關(guān),與儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入無(wú)關(guān),不受影響。

發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)有關(guān)的電量為機(jī)端三相電壓、發(fā)電機(jī)三相電流、主變高壓側(cè)三相電壓、勵(lì)磁直流電壓,其整定計(jì)算參數(shù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入無(wú)關(guān),不受影響。

發(fā)電機(jī)啟停機(jī)保護(hù)反映發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),發(fā)變組的定子繞組、高廠變高壓繞組、主變低壓繞組、勵(lì)磁變高壓側(cè)繞組的接地故障及發(fā)電機(jī)、主變壓器、高廠變、勵(lì)磁變的相間短路故障,發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后保護(hù)自動(dòng)退出。儲(chǔ)能系統(tǒng)是在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行且投入AGC功能時(shí)投運(yùn),與儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入無(wú)關(guān),不受影響。發(fā)電機(jī)突加電壓保護(hù)主要用于保護(hù)發(fā)電機(jī)在盤(pán)車(chē)和減速過(guò)程中發(fā)生的誤合閘,出現(xiàn)某種原因突然合上并網(wǎng)斷路器的情況,此種工況儲(chǔ)能系統(tǒng)未投入,不考慮受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入的影響。

發(fā)電機(jī)過(guò)電壓保護(hù)取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓,與儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入無(wú)關(guān),不受影響。

主變高壓側(cè)零序電流取自主變高壓側(cè)接地零序電流互感器,其保護(hù)定值整定計(jì)算僅與高壓側(cè)及其與之配合的高壓出線零序電流有關(guān),不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入廠用電的影響。

主變高壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)整定計(jì)算與發(fā)電機(jī)額定電流、機(jī)端電壓等參數(shù)有關(guān),上述電氣量不受儲(chǔ)能系統(tǒng)接入廠用電的影響。

高廠變差動(dòng)保護(hù)定值計(jì)算取值參數(shù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后的短路電流增加值無(wú)關(guān),不受影響。

綜上所述,儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)接入機(jī)組廠用電電源后,不會(huì)對(duì)機(jī)組原有繼電保護(hù)的配置造成影響。由于儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)參與AGC調(diào)節(jié),可在發(fā)變組保護(hù)中增加對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)跳接口,當(dāng)發(fā)變組保護(hù)跳閘動(dòng)作時(shí),聯(lián)跳儲(chǔ)能輔助調(diào)頻系統(tǒng)退出運(yùn)行。

4儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電廠對(duì)廠用6kV用電質(zhì)量的影響

儲(chǔ)能系統(tǒng)主功率回路接入電廠6kV原有母線段,儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)功率因數(shù)>0.99。

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后,對(duì)廠用6kV母線段電能質(zhì)量主要表現(xiàn)為諧波和電壓波動(dòng)影響兩個(gè)方面,具體分析如下。

4.1對(duì)接入點(diǎn)諧波的影響

儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)采用高頻功率變換裝置,并網(wǎng)諧波總量符合IEEE519標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)要求電流諧波總量<5%,分次諧波要求如表1所示。

4.1.1最嚴(yán)重情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)接入點(diǎn)電壓諧波的影響

最嚴(yán)重情況下,儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流全部進(jìn)入高廠變6kV母線,在該母線上產(chǎn)生諧波電壓,該諧波電壓的有效值(標(biāo)幺值）約為諧波電流(標(biāo)幺值）與6kV母線短路阻抗(標(biāo)幺值）的乘積。按照10%短路阻抗計(jì)算,則高廠變的短路容量不低于300MVA,從而計(jì)算得到的6kV總諧波電壓約為:

即機(jī)端儲(chǔ)能調(diào)頻裝置產(chǎn)生的最大諧波電流注入6kV母線,在該母線上產(chǎn)生的諧波電壓THD不會(huì)超過(guò)0.15%。

4.1.2最嚴(yán)重情況下儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電流諧波的影響

最嚴(yán)重情況下,儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電流全部進(jìn)入發(fā)電機(jī),諧波電流的總有效值不超過(guò):

而對(duì)應(yīng)地進(jìn)入到高廠變低壓側(cè)(6kV）的諧波電流的總有效值不超過(guò):

考慮到諧波電流還會(huì)分流到高廠變負(fù)載和電林,實(shí)際注入發(fā)電機(jī)/高廠變低壓側(cè)的諧波電流要比上面計(jì)算得到的值小。

總體來(lái)說(shuō),機(jī)端儲(chǔ)能調(diào)頻裝置產(chǎn)生的諧波電壓、電流量值很小,不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)、變壓器和電林的運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

4.2對(duì)接入點(diǎn)電壓的影響

儲(chǔ)能系統(tǒng)并林功率因數(shù)90.99,基本不向機(jī)組6kV段注入或吸收無(wú)功功率,因此對(duì)6kV段內(nèi)電壓偏差影響極小。

根據(jù)儲(chǔ)能調(diào)頻投產(chǎn)電廠使用經(jīng)驗(yàn),全充向全放轉(zhuǎn)換過(guò)程中6kV母線電壓波動(dòng)在100V左右,不影響廠用電負(fù)荷運(yùn)行。

5結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn),當(dāng)適當(dāng)容量的儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)連接至電廠廠用電系統(tǒng)后,對(duì)電廠原電氣系統(tǒng)的保護(hù)配置、電能質(zhì)量、短路電流等因素均無(wú)影響。作為能快速響應(yīng)電林負(fù)荷需求的系統(tǒng),可以預(yù)見(jiàn)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)將對(duì)電林穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生良好的推動(dòng)作用。