小容量發電機組并網對電氣系統的影響與解決方案

馬敏 劉磊

摘要：鋼鐵企業在余能利用中可組成小容量的發電機組，實現資源再利用，但是小機組并網給電網系統帶來短路電流超標的問題，本文通過實際案例證明小容量機組并網后系統參數的變化，并提出限制短路電流的有效措施，為類似工程的設計提供參考。

關鍵詞：發電;并網;短路電流;限流

1引言

鋼鐵企業在生產過程中，存在有大量的余熱、余壓、剩余煤氣等資源，資源總量巨大，回收利用前景廣闊，為了貫徹國家節能環保的基本方針政策，提高企業的經濟效益，可利用這些余能資源進行發電，建成余熱發電機組、余壓發電機組、剩余煤氣發電機組等，推動鋼鐵企業節能降耗，實現資源的綜合利用。本文將以實際工程為例，來分析小容量發電機組并網對電網的影響，并提出解決方案。

2 小容量發電機組的特點

綜合考慮鋼鐵企業余能資源的分布情況以及新上發電機組的經濟效益，一般余能發電機組的規模較小，單機容量為6～30MW，為了節省投資，降低損耗，所發電能一般選擇就近消耗，接入系統就近直接接入，不經升壓變壓器，與廠內中壓配電站或者總降變電站低壓側母線并網，電壓等級可為6kV或10kV。另一方面，余能發電的電量與工業企業生產運行、工藝流程等密切相關，波動量大，存在一定的不穩定性，為不影響公共電網，一般采用并網不上網的連接方式，投資成本低，實施工作量小，適合鋼鐵企業內運用。

小容量機組的建立，在成本減少的同時，給電網造成了一定的問題，發電并入電網后，根據機組參數的不同，向電網注入短路電流，原有電氣設備的開斷能力是否能滿足要求需要重新校核。

3 工程實例

某鋼鐵企業產業升級技術改造項目總體規劃，鋼鐵主體工藝升級改造配套項目，合計產生飽和蒸汽約134t/h，最大164t/h，為實現節能減排，提高資源利用效率，工程配套建設飽和蒸汽發電機組，發電機額定容量為25MW，扣除廠用電負荷2134kW，實際供電能力約為22.866MW，項目建成后，年發電量約為1.14×108 kWh。

本工程發電機出口為10kV電壓等級，經電纜連接至附近的10kV開關站，實現并網，并網點設在發電機出口斷路器。

發電機參數：額定功率25MW，額定電壓10.5kV，額定電流1718.3A，功率因數0.8，次暫態電抗0.1275，勵磁方式為無刷勵磁。10kV電動機運行總功率為2000kW 。

發電并網接入系統后，系統側網絡改變成為雙電源網絡，當系統側發生短路故障時，故障點的短路電流大幅度增加，對系統側電氣設備的開斷能力帶來嚴峻的考驗，若短路電流超出原有設備的開斷能力，還需要對原有設備進行更換。

以上述工程為例進行計算，系統圖及阻抗圖如圖1。

系統110kV變電站10kV母線側的最大短路電流為14.925kA。選取計算基準值;基準電壓為;基準電流為。

系統側阻抗標幺值：;

電纜線路L1阻抗標幺值：;

電纜線路L2線路較短，近似為0;

發電機阻抗標幺值：;

點短路故障時，母線的短路電流計算如下：

1）發電機回路提供的短路電流

等值阻抗標幺值

折算到以發電機額定容量為基準容量的標幺值為

根據汽輪發電機運算曲線，可得時短路電流的周期分量標幺值為。則發電機回路產生的短路電流為

2）系統側提供的短路電流

等值阻抗標幺值

系統側按無限大供電電源考慮，所產生的短路電流為

3）電動機反饋沖擊電流

電動機次暫態電抗標幺值按0.14計算，。

由此得出，發電機并網后，在并網站10kV母線上發生短路時產生的短路電流為。

4. 發電機組對電網的影響

在發電機出口，電氣設備的選型應考慮非周期分量的影響，因在靠近電源處的短路點，非周期分量往往大于周期分量幅值的20%，超過了斷路器進行型式試驗的條件，可能會影響斷路器的開斷性能。另外還考慮設備本身制造質量的因素，所以在設計初期選擇斷路器的開斷能力應有足夠的余量。

本文以上案例中并網站10kV系統電氣設備的短路開斷能力為31.5kA，現通過計算得知，如將發電機組并入上級系統，發生三相短路故障時，系統短路電流已很接近設備的分斷能力，將對電氣設備造成威脅。因此，在新建余能發電機組項目的設計中，為不影響已有系統，發電機側必須采取合理的限制短路電流的措施，減少對電網的影響，以實現余能的科學合理的利用。

4 解決方案

對于單機的小容量機組并網系統，比較有效的限制短路電流的措施是在發電機出口串聯限流電抗器，但是限流電抗器串聯在發電機回路中，會存在很大的電能損耗，現采用可恢復式大容量高速開關與電抗器并聯的方式，在正常運行時，高速開關閉合，不經過電抗器，當發生短路故障時，高速開關迅速分斷，將限流電抗器投入系統，起到限制短路電流的作用。

在發電機出口加入電抗器后，對系統模型調整并計算。

初選電抗器1500A，10.5kV，電抗率8%。

以基準容量計算電抗器的電抗標幺值為

此時發電機回路等值阻抗標幺值

折算到以發電機額定容量為基準容量的標幺值為

根據汽輪發電機運算曲線查得此時短路電流的周期分量標幺值為6.4，則發電機回路產生的短路電流為

加裝限流電抗器后，并網站10kV母線上的短路電流為

并網后，上級站電氣設備開斷能力可以承受此短路電流，并有一定的余量，不需要對上級站的電氣設備進行改造。

4 結論

在鋼鐵企業實施的余能發電小機組中，若不經過變壓器并入廠內電網系統，必須對發電機注入的短路電流進行核算，校驗接入系統后短路電流的影響。隨著電力系統容量的不斷擴大，以及工廠規模的增大，系統短路電流越來越考驗著電氣設備的運行能力，有效的限制短路電流的措施將是電氣科研人員進一步研究的課題。本文中所采取的電抗器并聯大容量開關的方法，既能保證正常運行時不造成電能損耗，同時可在故障時降低短路電流，是鋼鐵企業小機組并網時限制短路電流的有效解決方案。