整县区屋顶分布式光伏开发规划研究

引言

2021年9月,国家能源局下发了《国家能源局综合司关于公布整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点名单的通知》(国能综通新能(2021)84号),广东江门新会区被列为试点,要求在2023年底前完成规定比例的屋顶分布式光伏安装。

电网企业要在分析电网承载力的基础上,配合做好省级电力规划和试点县建设方案,充分考虑分布式光伏大规模接入的需要,积极做好相关县区电网规划,加强县区配电网建设改造,做好屋顶分布式光伏接网服务和调控运行管理。

1屋顶资源及光伏装机摸查

对新会区范围内的现状屋顶资源进行筛选统计,挑选出各镇、街内适宜建设光伏项目的优质屋顶进行统一规划布局,分阶段、有计划地开发园区光伏清洁能源。

预计新会区各工业园区厂房建筑,党政机关等公共机构建筑,学校、医院、商场、写字楼等公共建筑以及居民建筑等可供连片集中规模化开发的建筑屋顶资源约677.52万m2,预计2025年可累计建成总装机容量约365.81Mwp的分布式光伏电站。屋顶资源及光伏装机摸查情况如表1所示。

2区域电网承载能力分析

分布式光伏原则上按照国家要求全额消纳,可优先考虑接入所在供电片区就地消纳。对新会区220kV变电站级、110kV变电站级承载能力分析如下:

(1)220kV层面,分布式光伏项目主要接入220kV新会站、古井站、能达站、石名站、银湖站、礼乐站、三江站等7个220kV供电片区,其中新会站、石名站、古井站接入分布式光伏容量较多,占比分别为51%、26.6%、20.3%。经消纳能力测算,江门市新会区"十四五"期间各220kV变电站对分布式光伏的承载能力充裕,分布式光伏接入不受限,各站点的消纳裕度均较高。

(2)110kV层面,分布式光伏接入新会区26个110kV变电站,其中接入分布式光伏容量超过20Mw的有仁义站、苍山站、濠冲站、崖南站等4个站点。经消纳能力测算,江门市新会区"十四五"期间各110kV变电站对分布式光伏的承载能力充裕,分布式光伏接入不受限,其中仁义站区域内拟接入的分布式装机最多(58.4Mw),剩余的承载装机裕度较低,其余110kV站点消纳裕度均较高。

"十四五"期间新会各供电片区可满足试点方案整县区屋顶分布式光伏接入,暂无主网配套建设需求。电网负载及光伏分布情况如表2所示。

3区域配电网建设投资需求

3.1接入方案概况

新会区工业园区厂房光伏规划总容量为306.25Mwp,共64项。并网方案如下:

(1)单个容量在6Mw及以上的共16项,其中单个容量最大为30Mw。采用10kV电压等级接入,并网方案主要分为:专线接入110kV及以上变电站10kV母线,公共电网配电站或户外开关箱等10kV母线,用户配电站10kV母线。

(2)单个容量在6Mw以下的共48项,采用380V或10kV电压等级,从公共电网配电箱、用户侧高压室或专变房并网接入。

新会区党政机关等公共机构建筑,学校、医院、商场、写字楼等公共建筑及居民建筑光伏规划总容量59.56Mwp,共80项,主要采用380V电压等级并网。

3.2电网配套工程建设规模及投资

预计"十四五"期间新会区新建及改造中低压配网10kV电缆线路13.0km,10kV架空线路27.9km,新建及改造配变39台,涉及容量24570kVA,新建0.4kV低压线路长度约62.6km,新建及改造自动化终端9个,光伏接入配套电网工程投资4661.5万元。

4整县区分布式光伏对电网的影响

4.1对电网运行的影响

(1)影响分析:当大规模分布式光伏并网时,实时发电功率不断变化可能带来各级主配网设备潮流在正反向中不断逆转。目前380V侧并网光伏的发电量由现场计量终端一计量系统一调度系统的传输路径发送至调度系统,每天仅发送当天总的发电量一个数据,未实现实时监测。在未来整县区光伏接入情况下,该问题将更普遍且监控难度加大,可能导致设备、断面不可预知的过载风险。根据《江门供电局配电网规划建设改造技术指导原则》,超过400kw的项目一般情况下应接入10kV电压等级。考虑到经济性等问题,目前新会区也存在不少超过400kw分布式光伏接入380V侧的情况。

(2)解决措施:完善计量自动化系统与调度系统之间数据的发送机制,实现光伏发电量数据通过计量终端一计量自动化系统一调度系统按每15min一个点的频次的实时传送。完善相关技术标准指引,要求分布式光伏接入方案对并网电压等级开展技术经济性的深入分析,明确负荷就地消纳情况,校核短路电流及无功补偿容量,明确开关选型并核实继保保护适配性等。

4.2对继电保护的影响

(1)影响分析:分布式光伏并网改变了传统配电网潮流单向流动的特性。故障时,并网的分布式光伏同大电网一起向故障点提供短路电流,会引起新会配电网馈线过电流保护不正确动作、主站集中式自愈故障点定位错误等风险:当110kV变压器10kV侧并网的分布式光伏电源总发电功率大于1.04倍同一时刻该110kV变压器所供的负荷功率时,存在110kV变压器间隙保护动作的风险。现状新会区110kV变电站等效平均负载率低于10%的有4座(英洲、濠冲、牛湾、同庆),等效平均负载率在10%~20%的有6座(苍山、康宁、创利、桂园、罗坑、元山)。经初步评估,本区光伏布点较为分散且单个容量有限,近期引发上级110kV变压器间隙保护动作的风险较小。若整县区全面推进光伏,在轻载变电站相对普遍区域,此类风险必然增大。

(2)解决措施:依据馈线保护过电流定值、分布式光伏电源容量等参数,核算评估分布式光伏是否会造成馈线过电流保护误动作,若是,将配电网馈线过电流保护设置为带方向且正方向为变电站10kV母线指向线路。短期内配电自动化主站增加联切分布式光伏电源并网断路器功能,远期改造分布式电源并网线路上的三遥开关和配电自动化终端,开关类型由负荷开关改造为断路器,便于直接切除短路电流,终端故障判据应可单独上送方向信息,配电自动化主站应完善分布式电源并网线路处理逻辑,利用配电自动化终端上送的方向情况来完成故障点定位、隔离和负荷恢复。考虑到分布式光伏发电功率曲线与110kV主变所供负荷曲线相似,且新会区光照强度不属于一、二类地区,同时新会区110kV变压器轻载情况整体较少,因此,分布式光伏并网引起上级电源110kV变压器间隙保护动作可能性较小,当前以监测变电站馈线负荷功率与所供区域内分布式光伏电源发电功率为主。

4.3对电网网架的影响

(1)影响分析:新会区已建成并运行的分布式光伏容量约63.6Mwp,电力在所属供电台区内实现100%就近消纳。新会区作为整县区屋顶分布式光伏开发试点地区,预计至2025年新建光伏365.8Mwp,累计光伏总装机容量约429.4Mw,远低于新会区电网供电最高负荷1292Mw,因此正常运行方式下,区内光伏所发电量可以在负荷侧实现全额消纳,不会对网架产生影响。

(2)解决措施:新会整区屋顶分布式光伏项目中,单个容量达到6Mw及以上的共16个,其余均为6Mw以下。结合广东电网公司光伏接入准则及单回线路载流量要求,对超过10Mw的项目以2~4个并网点在不同馈线并网,6~10Mw的项目以1~2个并网点并网,6Mw以下项目以1个并网点并网,可保障在现状网架基础上,当个别光伏项目因为停工、停产出现光伏所发电量全额倒送时配网线路也能满足载流量要求。

4.4对电能质量的影响

(1)影响分析:光伏逆变器易造成谐波污染,影响附近厂区敏感负荷的优质用电,影响电网与电站安全可靠运行,降低系统静态电压稳定性,高次谐波会导致设备过热、绝缘破坏、逆变器脱网、运行故障等问题。考虑到项目经济性,为缩短投资回报年限,大容量分布式光伏接入380V侧电网,居民用电负荷特性与光伏出力特性不匹配,可能出现午间光伏大发、无法就地消纳,向电网大规模倒送电力,晚间居民用电高峰期光伏不出力的情况,导致光伏大发时电压越上限,光伏欠发或停发时电压越下限的问题。分布式光伏多接入用户内部配电网络,难以监管,可能存在用户私自更改逆变器过电压保护动作定值,导致电压越限严重,分布式光伏仍不脱网运行的情况。

(2)解决措施:对新建项目开展电能质量测试,检验并网的电能质量;定期导出、分析电站侧电能质量监测数据,对存在谐波污染的加装必要的治理装置。建议光伏业主在用户侧并网点配置分布式光伏安全扩容装置,消除大容量低压并网光伏项目运行风险;配置分布式电源无功补偿控制器,解决光伏低压并网时电力潮流倒送工况下的无功补偿控制失灵问题。明确、细化施工单位选用设备的技术要求,包括对无功补偿、谐波、故障隔离响应的要求等,比如:一次调频响应方面,应要求响应滞后时间≤3s,响应时间t0.9≤5s,调节时间≤15s;无功电压响应方面,应要求光伏动态响应时间≤30ms,sVC系统响应时间≤30ms。

5开发过程存在的问题

政府尚未落实整县区屋顶分布式光伏开发方案,屋顶开发位置及其可用面积、装机容量未确定,尤其是工业厂房类光伏的开发,未与各工业区业主对接,未进行工业厂房屋顶活荷载评估。新会区工业厂房普遍为轻钢结构建筑,采用彩钢瓦厂房钢架及模条结构。依照《建筑结构荷载规范》(GB50009一2012)、《钢结构设计标准》(GB50017一2017)要求,楼顶须满足以下条件:

(1)恒载:铺设光伏发电系统后恒载额外增加15kg/m2(即0.15kN/m2)。

(2)活载:轻钢结构建筑,屋顶活荷载不低于50kg/m2。

整县区屋顶分布式光伏开发需政府配合进行方案细化,委托设计、施工单位开展积极消纳、延伸配套工作。

6结语

整县区屋顶分布式光伏大规模接入会引起中低压配电网运行电压不稳定、线损高、功率因数低、谐波污染和调度控制难等问题,建议配套利用配网自动化系统、智能断路器、智能电能表实现涉及中低压线路、台区的电压、电流实时感知,由电网企业利用快速集群化功率监测控制手段,群控群调光伏逆变器有功、无功功率,提高中低压主干线路的电能质量,统筹大范围分布式光伏接入电网的实时运行。