光伏接入对胜利油田电网运行安全稳定性影响的研究

荆 峰 张 利 杜 磊 吴 悦

（1.中国石化胜利石油管理局电力分公司 2.华北电力大学（保定））

0 引言

胜利油田是我国重要的石油工业基地，胜利油田电网同时拥有发电、输电、变电、配电的基础配套设施，电网的安全稳定运行为胜利油田绿色安全生产提供重要保障。伴随着油田50多年的勘探开发建设，目前胜利油田电网已形成220kV网络构架，110kV网络为主网，35kV、10kV和6kV网络遍布各油区的供电网络，电网覆盖东营、滨洲、淄博、德州4个市16个县区。拥有35kV及以上变电站162座，6kV及以上电力线路1147条，供电损失率6.22%。作为山东地区太阳能资源丰富地区之一，2018年2月，胜利油田首个分布式光伏发电项目乐安联合站并网发电成功，开启了油田太阳能开发利用的序幕。但由于光伏出力的间歇性和随机性，光伏接入系统后为电网的安全稳定性运行带来一定影响。

本文以2021年胜利油田电网网架结构为基础，分析了光伏接入后对油田电网运行造成的影响，指出存在的隐患并提出可行的改善措施。通过仿真计算出胜利油田电网新能源的可接入容量，为后续新能源的接入提供帮助。

1 胜利油田电网现状

胜利油田电网已经建成以胜利电厂为中心，以盐镇变、新孤变、胜利电厂和九分场变为基础，通过盐孤线、万盐线、万九Ⅰ线、万九Ⅱ线和九孤线等220kV线路形成“四角”环网，作为其电网主干网络。对外通过220kV万盐线和万东线等与外部电网相连作为主要的功率交换通道，防止发生故障其进入孤岛状态运行。胜利油田220kV电网现状如图1所示。环网内部各条线路在发生N－1故障时，“四角”环网内220kV九分场、新孤变和盐镇变不会脱离电网。110kV及以下电压等级的系统主要采用辐射型供电方式，超过95%的线路网架满足N－1的要求，是胜利油田安全生产的有力保障。

图1 胜利油田220kV电网现状图

目前，胜利油田利用丰富的土地资源优势和太阳能资源，在王家岗联合站、纯梁首站、营二区域、坨二站、郝现联合站等地建设光伏发电项目，利用油田闲置土地自主投资建成20个光伏发电项目，年发电能力2400万kWh。为积极践行油田绿色低碳发展战略，在孤东油区引入80MW光伏电源开展尝试。城浩站、城卫站、城联站、城合站位于孤东油区西北部，每座光伏电站装机容量为20MW。光伏接入如图2所示。“十四五”期间，胜利油田规划建设集中式光伏发电800MW，分布式光伏发电500MW。

图2 胜利油田光伏接入图

随着近年来油田的不断发展，油田负荷也在逐渐增加。目前，年度最大负载已经突破1000MW。油田用电负荷主要集中为注水电机、抽油机和电动钻机等感应电机负荷，这类负荷占总负荷85%以上，剩下15%负荷主要为民用负荷。系统容易因感应电机而发生电压失稳的现象。在夏、冬季用电高峰时，油田现有220kV网架已经无法满足“N－1”校核。除盐孤线以外，油田内部任何一条220kV线路发生退出都会造成其余220kV线路出现不同程度的过负荷，有导线烧断造成大面积甩负荷的可能。当进行“N－2”校验两条线路退出运行时，其余220kV线路过负载现象会更加严重［1］。

2 光伏接入对电网的影响

2.1 太阳能发电特点

近年来我国太阳能应用规模日趋增加，太阳能发电可接入性强，但发电易受到天气影响导致电网运行稳定性及可靠性差。作为清洁能源，太阳能发电将太阳能直接转化为电能，具有无污染环保且市场广泛等特点。

2.2 光伏出力特性

从全年来看，年出力季节性变化较为显著，春、秋季节出力较大，夏季较春、秋季出力减少，冬季节出力较小。从典型日出力曲线图3来看，光伏场日出力最大值集中在13～14h。

图3 光伏日出力曲线图

2.3 光伏接入系统的低频问题

新能源对低频振荡的影响一般体现在控制器、并网位置和渗透率水平等方面，掌握无阻尼控制的新能源对于低频振荡的影响十分重要。对于大型互联系统而言，如果光伏渗透率高，将会对电力系统功角动态稳定性产生较大影响，尤其是对阻尼区间低频振荡不利，其中分布式光伏相对于集中式光伏可以更好地抑制区间振动。光伏系统的应用不会产生新的低频振荡，将小容量的光伏系统接入大容量的电力系统中，也有可能产生较大的功率振荡。

2.4 光伏接入系统的高频问题

光伏接入系统的高频问题一般是由功率过剩或者发生扰动冲击故障所导致。例如系统和电网其他部分联系通道在功率外送的过程中发生解列故障和闭锁故障等。对于新能源来说，其接入系统的高频部分主要用来维护发电机组能够正常运行，一旦设置不合理而引发系统故障就会造成新能源机组大规模退出。由于光伏缺少一次调频的功能，在光伏大规模接入系统的背景下，火电、水电等常规机组的调频压力增加。同时随着近几年来新能源所占比例的增加，系统的调频能力下降，导致光伏原有的高频保护装置很难和新工况相符。为最大程度降低频率崩溃的可能性，可以根据光伏接入的具体实际情况，合理地设定光伏电站的高频保护值，还可以和连锁切机措施相配合来确保一旦发生异常高频故障，不会出现由于高频保护不合理而引发的低频问题。

2.5 对电网电压的影响

当大规模光伏系统接入电网时，其发电的随机性和间接性成为电网中电压最不稳定的节点。局部不稳定节点发生大干扰有可能导致整个系统的电压崩溃。光伏电站输出功率会随着光照、温度等因素改变而发生波动。当天气晴朗阳光充裕时，光伏发电系统可以提高电网电压从而防止电压跌落。当阳光不充足时，光伏系统可能在短时间出力大量减少，导致功率缺额引发电网电压下降或者发生电压闪变。尤其是当总装机容量低，光伏发电量占比大的情况下，光伏接入系统对电网电压的稳定性影响尤为严重［2－5］。

目前，光伏系统中大量使用非线性的电力电子器件，接入电网后受逆变器IGBT的物理特性和其本身的脉宽调节控制特点等因素影响，光伏并网运行中会产生相应谐波，导致电压和电流畸变。在光伏电站接入位置不变时，光伏出力所占总负荷的比例越大，造成的电压总谐波畸变率也就越大。

光伏电站早期主要采用PQ控制模式，PQ控制方式下，光伏电站类似于电流源，不参与对电压的控制。这就导致在某些运行方式下，部分节点的电压水平越过其安全限值，会对电网的安全运行带来隐患。光伏出力越大，对电网电压产生的影响就越明显。在靠近光伏安装点的孤东二号35kV一段和二段，电压升高尤为明显，孤东二号变35kV二段最大升高了5%。PV控制方式是光伏电站接入的一种典型控制方式，即有功功率采用MPPT控制策略的同时指定光伏电站的接入电压水平。如果将所有光伏电站的控制方式改为PV控制，各变电站的电压更加满足安全稳定运行的要求。

3 油田电网新能源接入能力分析

3.1 电网短路计算

东营电网220kV系统在杨家－锦秋、史木－王口、沾化电厂－盐镇220kV线路开环运行方式下，可得4座220kV厂站的220kV侧短路容量见表1，4座220kV厂站的110kV侧母线短路容量见表2。

表1 胜利油田电网220kV变电站短路计算结果

表2 胜利油田电网220kV变电站110kV侧短路计算结果

3.2 新能源接入容量测算

目前，国内主要采用新能源场站短路容量比指标来度量公共连接点的可接入的新能源规模，并可以此作为新能源前期规划的依据。新能源场站短路容量比是指新能源场站额定容量与系统公共连接点的短路容量之比。校核公共连接点允许接入新能源容量时，短路比按10%考虑。2020年胜利油田电网220kV变电站110kV侧新能源最大接纳能力合计约776MVA，考虑目前新孤变已接入80MW光伏电站，剩余新能源最大接入能力约696MW。各厂站新能源最大接入能力见表3。

表3 胜利油田电网220kV变电站110kV侧新能源接纳能力

4 结束语

光伏的接入会给胜利油田电网带来频率和电压波动，影响油田电网的安全稳定运行。本文介绍了PV控制方式，通过仿真验证与PQ方式相比，光伏电站在PV控制方式下运行时其他变电站电压更加稳定。分析了油田电网新能源接入能力，在正常运行方式下，计算得出220kV厂站220kV和110kV侧短路容量。在现有网架结构下，测算了新能源接入能源，得出油田电网220kV变电站110kV侧新能源接纳能力，为后续新能源的接入提供研究基础。