生物質(zhì)能發(fā)電廠接入電網(wǎng)方案分析

于騰凱，胡文平

(河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

隨著化石能源的漸趨枯竭和減排溫室氣體保護(hù)環(huán)境的需要，發(fā)展生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)成為各國(guó)的重要發(fā)展戰(zhàn)略［1］。生物質(zhì)能發(fā)電對(duì)減緩化石能源消耗壓力具有顯著作用，但其接入將對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量、短路電流、運(yùn)行管理等多方面帶來(lái)影響［2］，因此必須對(duì)擬建生物質(zhì)能發(fā)電廠的接入方案進(jìn)行分析，從備選方案中選擇最佳方案。

河北某生物質(zhì)能發(fā)電廠利用垃圾焚燒發(fā)電，本期建設(shè)規(guī)模為1×9 MW凝汽式發(fā)電機(jī)組，設(shè)2臺(tái)焚燒爐，單臺(tái)日處理垃圾能力300 t，遠(yuǎn)期留有日處理900 t垃圾的配置和增加1×6 MW發(fā)電機(jī)組的擴(kuò)建位置。電廠所發(fā)電力接入廠區(qū)母線，扣除廠用電外，其余全部上網(wǎng)。

1 電廠近區(qū)電網(wǎng)狀況

電廠附近有4座110 kV變電站，分別位于化工廠、工業(yè)區(qū)、總司屯及客車廠;還有35 kV在運(yùn)變電站3座，規(guī)劃變電站1座。總司屯、客車廠間隔已滿不能擴(kuò)建。由于35 kV變電站處于輻射狀配網(wǎng)末端，主接線大多為單母線接線，檢修頻繁，可靠性不能滿足電廠接入要求。因此化工廠變電站及工業(yè)區(qū)變電站可考慮接入。

化工廠站主變?nèi)萘?×50 MVA，出線電壓110/10 kV，10 kV設(shè)計(jì)出線23回，剩余6回。工業(yè)區(qū)站主變?nèi)萘?×40 MVA，出線電壓110/35/10 kV，35 kV側(cè)現(xiàn)有出線間隔2個(gè)，遠(yuǎn)期6個(gè)。

2 接入電網(wǎng)方案

考慮電廠遠(yuǎn)期裝機(jī)容量為15 MW，接入電網(wǎng)電壓等級(jí)宜考慮10 kV和35 kV 2種電壓等級(jí)。根據(jù)電廠地理位置、裝機(jī)規(guī)模、周邊電網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展規(guī)劃情況，綜合電廠送出的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，共擬定了2種接入電網(wǎng)方案。

方案一:以10 kV上網(wǎng)，出2回線分別接至化工廠站10 kVⅠ、Ⅱ段母線，單回長(zhǎng)約4.5 km。見(jiàn)圖1。

圖1 接入電網(wǎng)方案一

方案二:以35 kV上網(wǎng)，出1回線至工業(yè)區(qū)站35 kVⅡ段母線，線長(zhǎng)約7 km，另出1回10 kV線T接至化工廠站10 kV580出線上，線路長(zhǎng)度約4 km，作為廠用備用電源。見(jiàn)圖2。

圖2 接入電網(wǎng)方案二

3 導(dǎo)線截面的選擇

生物質(zhì)能發(fā)電廠本期1×9 MW(遠(yuǎn)期15 MW)機(jī)組，廠用電率按20%考慮，機(jī)組功率因數(shù)0.8，需通過(guò)并網(wǎng)線輸送容量為9 MVA(遠(yuǎn)期15 MVA)。

方案一采用10 kV雙回線并網(wǎng)，電廠年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)較大，超過(guò)5 000 h，LGJ導(dǎo)線的經(jīng)濟(jì)電流密度為J=0.9 A/mm2，則選擇LGJ導(dǎo)線截面近期為577 mm2(遠(yuǎn)期962 mm2)。考慮電廠遠(yuǎn)期容量可選擇600 mm2。LGJQ－600 mm2導(dǎo)線在環(huán)境溫度40℃時(shí)最大輸送容量15.3 MVA，雙回送出，可滿足近期及遠(yuǎn)期熱穩(wěn)要求。

方案二35 kV單回線上網(wǎng)，LGJ導(dǎo)線截面近期為165 mm2(遠(yuǎn)期275 mm2)。考慮電廠遠(yuǎn)期容量可選擇240 mm2。LGJ－240 mm2導(dǎo)線在環(huán)境溫度40℃時(shí)最大輸送容量29.9 MVA，滿足近期及遠(yuǎn)期熱穩(wěn)要求。T接農(nóng)網(wǎng)10 kV線路按LGJ－120考慮。

4 電廠電力消納范圍

化工廠站最小負(fù)荷34 MW，工業(yè)區(qū)站最小負(fù)荷26 MW，考慮生物質(zhì)能發(fā)電廠滿發(fā)，變電站主變N－1的極限狀況，2方案仍分別有9.8 MW及5.8 MW電力需系統(tǒng)支援，故電廠滿發(fā)時(shí)發(fā)出的電能，可就近由化工廠站或工業(yè)區(qū)站周邊地區(qū)的負(fù)荷消納，減輕主變負(fù)載，不會(huì)出現(xiàn)電力倒送現(xiàn)象。

5 電氣計(jì)算

5.1 潮流計(jì)算

對(duì)接入方案進(jìn)行潮流計(jì)算的目的在于檢驗(yàn)正常或事故方式下電廠電力能否送出，系統(tǒng)送電能力是否滿足要求，同時(shí)為導(dǎo)線選型和主變選型提供依據(jù)。

由于電廠容量較小，近期僅為9 MW(遠(yuǎn)期15 MW)，扣除20%廠用電，向系統(tǒng)提供電力僅為7.2 MW(遠(yuǎn)期12 MW)，故對(duì)系統(tǒng)潮流影響不大，電網(wǎng)其他相關(guān)線路發(fā)生N－1故障時(shí)，無(wú)線路過(guò)載，可滿足N－1運(yùn)行要求。電廠出力對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響如表1所示:

表1 接入方案電壓波動(dòng)比較

結(jié)果表明，方案一和方案二在發(fā)電機(jī)出力變化引起的并網(wǎng)點(diǎn)母線電壓波動(dòng)較小，滿足運(yùn)行要求。

5.2 短路計(jì)算

對(duì)各方案進(jìn)行短路電流計(jì)算的主要目的是選擇新建電氣設(shè)備的額定遮斷容量，校驗(yàn)現(xiàn)有電氣設(shè)備的遮斷容量能否滿足要求，并研究限制系統(tǒng)短路電流水平的措施［3］。

110 kV變電站化工廠站10 kV側(cè)斷路器額定遮斷電流為31.5 kA;工業(yè)區(qū)站35 kV側(cè)額定遮斷電流為25 kA。

表2計(jì)算結(jié)果表明:電廠接入后，110 kV變電站化工廠站、工業(yè)區(qū)站的短路電流均在電氣設(shè)備的遮斷水平內(nèi)，不需要更換。但化工廠站變電站10 kV側(cè)短路電流已接近斷路器遮斷極限，建議分列運(yùn)行。

表2 接入方案短路電流比較 kA

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

a． 可靠性方面

方案一電廠運(yùn)行靈活可靠性高。當(dāng)一回線路或變電站母線檢修或故障，可通過(guò)另一回線路保證電廠電力可靠送出;當(dāng)電廠停機(jī)時(shí)，可由變電站10 kV側(cè)母線作為備用電源，不必再?gòu)母浇r(nóng)網(wǎng)引入備用電源。方案二工業(yè)區(qū)站35 kV母線為單母分段接線，母線故障或檢修時(shí)，電廠將停運(yùn);電廠出線故障或檢修時(shí)也將造成電廠停運(yùn)，電力無(wú)法送出，電廠運(yùn)行可靠性低。故方案一可靠性要高于方案二。

b． 運(yùn)營(yíng)、管理和維護(hù)方面

方案二需從電廠附近農(nóng)網(wǎng)引一回10 kV線路作為電廠起備電源，計(jì)量不便。方案一可由并網(wǎng)點(diǎn)作為起備電源，計(jì)量方便。方案一優(yōu)于方案二。

c． 工程實(shí)施方面

方案一并網(wǎng)在化工廠站10 kV側(cè)，距離較近，但化工廠10 kV出線間隔較為緊張，施工難度一般。方案二并網(wǎng)在工業(yè)區(qū)站35 kV側(cè)，占用系統(tǒng)間隔少，但需跨河流和鐵路，施工難度大。方案一施工難度小于方案二。

d． 電壓波動(dòng)方面

兩方案差別不大，都能滿足運(yùn)行要求。

e． 電網(wǎng)發(fā)展分析

方案一既提高了電廠運(yùn)行的可靠性，又便于電廠遠(yuǎn)期6 MW機(jī)組擴(kuò)建，優(yōu)于方案二。

f． 投資方面

由表3可見(jiàn)，方案一電廠不設(shè)升壓站，節(jié)省相關(guān)配電裝置，共需225萬(wàn)元，方案二投資630萬(wàn)元。方案一投資明顯優(yōu)于方案二。

表3 接入方案投資比較 萬(wàn)元

根據(jù)以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較綜合考慮，該電廠接入電網(wǎng)推薦方案一。理由是方案一供電可靠性較高，符合該地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃要求，并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)滿足運(yùn)行要求，工程施工較易，運(yùn)行管理和計(jì)量方便，投資較小。

7 系統(tǒng)對(duì)電廠的要求

根據(jù)在運(yùn)生物質(zhì)能發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行情況，母線故障或檢修的次數(shù)較少，并且該電廠的裝機(jī)容量小，故接入電網(wǎng)方案一推薦電廠主接線為單母分段接線。單母線接線系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，倒閘操作簡(jiǎn)便，投資省。根據(jù)短路電流計(jì)算結(jié)果，建議電廠10 kV電氣設(shè)備短路水平按不小于25 kA考慮。發(fā)電機(jī)功率因數(shù)應(yīng)滿足0.8(滯后) ～0.95(進(jìn)相)，以適應(yīng)系統(tǒng)調(diào)壓要求。

根據(jù)電廠裝機(jī)容量、地理位置、電廠近區(qū)電網(wǎng)狀況及發(fā)展規(guī)劃等因素，提出電廠接入電網(wǎng)方案，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行論證，確定方案一為接入電網(wǎng)的最佳方案，為同類型電廠接入電網(wǎng)提供借鑒。

［1］ 方振華．廣西發(fā)展生物質(zhì)發(fā)電的前景、問(wèn)題與建議 ［J］．廣西電力，2009，32(1):1－4．

［2］ 顧定軍．分布式電源的接入對(duì)電網(wǎng)的影響及對(duì)策 ［J］．供用電，2010，24(4):10－13．

［3］ 電力工業(yè)部電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院．電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1998．