分布式能源中心主变压器的计算与校验

黄晓波，凌震宇，张 军

（1.华东建筑设计研究院有限公司，上海200002；2.上海前滩新能源发展有限公司，上海200120）

分布式能源中心主变压器的计算与校验

黄晓波1，凌震宇2，张 军2

（1.华东建筑设计研究院有限公司，上海200002；2.上海前滩新能源发展有限公司，上海200120）

主变压器是分布式能源中心的一个关键部件，该变压器的选择与不同工况下的电气负荷计算有关，与能源中心大电机的起动有关，还涉及能源中心的供电可靠性、用电成本等因素。文章结合一个实际的工程项目，介绍了分析和计算的过程。

分布式能源中心；变压器容量

0 引言

分布式供能有诸多优点，比如在节能减排、电网调峰、提高供电可靠性、降低冬夏两季燃气供应峰谷差等方面。而区域能源中心的优越性表现在：将分散的冷热源设备集中设置，降低区域的城市热岛效应；将各建筑物屋顶上冷却塔或烟囱集中设置，提升区域环境品位；专业化管理、规范操作，故而系统运行效率高、能源利用率高。随着时代的发展，分布式能源中心的项目也越来越多。

笔者参与了多个分布式能源中心项目的设计和建设工作，分布式能源中心项目往往以天然气分布式供能系统为核心，水蓄冷（热）、大温差离心机组、热泵和热水锅炉等为辅助设备，满足区域内所有用户的全部空调冷热负荷需求。

主变压器是分布式能源中心的一个关键部件，本文结合一个实际的工程项目，谈谈主变压器容量确定过程中的一些体会。

1 变压器容量的确定需要考虑的因素

分布式供能项目在变压器的选择上不同于一般的民用建筑项目，主要原因有四个。

（1）能源中心是“冷热”的加工厂，产品是冷/热水，原材料是电和燃气，电费成了主要成本。因此申请用电的费用及运行时用电的成本很大程度上决定了能源中心项目的成败。而主变压器的容量影响了用电申请的增容费，也影响项目运行以后每个月的基本容量费。所以必须在满足可靠性的前提下适当降低变压器容量，以降低申请用电的费用和运行中的基本容量费。

（2）能源中心有大量的大容量电动机，如本工程中有6台约1.9MW的高压冷冻机，变压器容量降低后对大容量电机的起动不利。因此必须校验大功率电动机是否可以起动。

（3）大容量电机的起动时，并网的燃气发电机也会受到起动电流的冲击。变压器容量越小则对发电机的冲击就越严重，应避免发电机被冲击后触发保护装置而主动切断发电机。

（4）部分时段燃气发电机发出的电用不完，余电需要上网。因此，主变压器在不同的时段充当的角色不同，购电时是降压变，余电上网时是升压变，自发自用正好平衡时是隔离变。需要指出的是余电上网时，变压器处在升压工作状态，允许通过的容量有所下降，而且传输功率的损耗也会提升[1]。但这对于发电以自发自用为主，购电多而余电上网少的项目来说，上网的损耗的影响并不大。

2 系统主接线

根据工艺专业的提资，能源中心的用电设备供冷工况主要有高压冷冻机10台（6大4小），溴化锂机组2台，空气源热泵18台，还有冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、蓄能水槽等设备。项目地处上海，供热工况下的用电负荷需求小于供冷工况，变压器负荷计算时以夏季供冷工况进行计算。系统的主接线如图1所示，35kV侧采用线路变压器组接线，10kV侧采用单母线分段接线，当用电负荷大于发电负荷时，电力缺额由电网提供，部分时段余电上网。

图1 系统主接线图

3 可靠性与经济性的平衡

如图1所示，系统相当于有三路电源，两路是市电，另一路来源于由燃气驱动的发电机。一般而言，可以认为市电和燃气不会同时中断，两路市电也不会同时中断。所以在考虑“N-1”情况下的系统供电能力就分为两种情况：其中一路市电中断或燃气中断。显然如果两台主变都选取20000kVA时（认为变压器在风冷情况下可以短时过载20%），一路市电中断或燃气中断两种情况都能做到在“N-1”情况下满足100%的负荷。但这无疑会提升系统的造价和大幅增加用电的成本。

《民用建筑电气设计规范》中3.2.6条“区域性的采暖锅炉房及换热站的用电负荷等级不应低于二级”，3.2.4条“当主体建筑物中有一级负荷中特别重要负荷时，直接影响其运行的空调应为一级负荷；当主体建筑物中有大量一级负荷时，直接影响其运行的空调用电应为二级负荷”。本能源中心服务的区域内的楼宇为办公楼和商业，没有数据中心机房等对供冷可靠性要求很高的场所，而且项目地处上海，对供热也没有高可靠性的要求。由于工艺专业设置了用于储能的蓄水池，当系统供电能力降低时，只要保证二次循环水泵可以工作，依然可以对外供冷/热。适当降低变压器容量将对项目的经济性能产生积极的影响。如果选用12500kVA，“N-1”条件下系统的供电能力是否满足要求呢？当燃气供应中断时，发电机停运，两路市电正常，可满足能源中心90%的负荷；当一路市电丢失时，闭合10kV联络开关，考虑变压器短时过载20%运行，则可满足能源中心68%的负荷。这样的结果说明“N-1”条件下系统能满足实际的使用需求。

根据上海供电部门的资料，35kV电压等级业扩工程费的收费标准为955元/kVA。选用20000kVA和选用12500kVA的主变，光业扩工程费就相差2×（20000-12500）×955=1432.5万元。而每个月缴纳的基本容量费是按最大需量乘以40.5元进行计算，供电部门规定最大需量不低于变压器容量的40%，每月基本容量费相差2×（20000-12500）40%×40.5=12.15万元/月，一年就是145.8万元。显然，在满足“N-1”可靠性要求的前提下，降低变压器容量可以减少初始投资1432.5多万元，减少每年运营费用145.8万元。

4 大容量电动机起动压降校验

变压器容量降低后，面临的很重要问题就是大容量电机是否还能起动。配电母线上的电压在电动机频繁起动时不应低于系统标称电压的90%[3]。以此为校验判据，对最大一台1900KW电机的起动进行计算。

由于每组变压器下有三台1.9MW冷冻机，故母线预接负荷由0~1.9~3.8~5.7MW逐步增加计算。电动机启动电流倍数按4.5倍，功率因数按0.85。进线短路容量取1000MVA，电动机回路线路长度约0.1km，线路阻抗按X1=0.012Ω。当预接冷冻机为0台时，电动机起动时起动回路的额定输入容量为：

式中Sstm—电动机额定起动容量，MVA；

Um—母线标称电压，kV。

母线短路容量为：

式中SrT—变压器额定容量，MVA；

XT—变压器电抗相对值；

Sk—变压器一次侧短路容量，MVA。母线电压相对值为：

式中Skm—母线短路容量，MVA；

Qfh—预接负荷的无功功率，Mvar；

Sst—电动机起动回路的额定输入容量，MVA。电动机端电压相对值为：

式中Sstm—电动机额定起动容量，MVA。

同上述过程，对预接冷冻机为1台，2台也进行计算，结果见表1。

根据表格中的计算结果，配电母线上的电压在电动机起动时不低于系统标称电压的90%，校验通过。同时，可以发现当第三台冷冻机起动时比第一台冷冻机起动时容易。这实际上是由于当后一台冷冻机起动时，前一台冷冻机会产生回馈电流，从而帮助后一台冷冻机起动。

表1 计算结果

5 大电机起动对发电机的冲击

上述2.3节计算中没有考虑发电机的暂态过程。在大电动机起动过程中，并网的燃气发电机也会提供一部分的起动电流。如果考虑冷冻机起动机时燃气发电机的出力，10kV侧母线电压降会更低，校验会更容易通过。当然，前提是发电机没有因为冷冻机起动电流冲击而触发保护装置从而主动切断。如何保证这一点？

从以下几个方面进行考虑。1）本工程中发电机的容量（3.45MW）是大于最大一台冷冻机的容量（1.9MW）的。2）通过对部分燃气发电机的调研，发电机的次暂态电抗在0.13~0.15之间，短路容量大约是23MVA，大于冷冻机需要的起动容量10MVA小。3）如上述2.3节计算，即使不考虑发电机出力，10kV母线电压降落也已经控制在10%以内了，发电机的自并励励磁系统完全可以迅速的对输出电压进行调整以应对电压的变化。第四，必要时可以适当调整发电机的保护装置的触发时间，以确保起动过程中保护装置不会动作。

从投资的角度而言，需确保发电机每年的利用小时数不低于2000h，发电机的容量不能太大。但在应对起动电流冲击时，发电机的容量又不宜选的太小。在工艺专业确定最大一台电动机的容量及燃气发电机的容量时，电气工程师应从这个角度给予技术上的支持。

6 结语

对于以电能为主要原料的分布式能源中心来说，适当降低变压器的容量具有显著的经济效益。在变压器容降低的同时需要兼顾考虑供电系统的供电可靠性、大容量电动机直接起动的要求、起动电流对发电机的冲击。在上述这个具体的工程案例中，选用12500kVA的变压器既降低了经济成本又满足了可靠性，也能兼顾大容量电动机直接起动的要求，起动电流对发电机的冲击也在可控范围内。本文采用的分析思路及计算方法可供同类型的项目参考。

[1]于建成，等.分布式电源接入对电网的影响分析[J].电力系统及其自动化学报，2012，24（1）.

[2]JGJ16-2008，民用建筑电气设计规范[S].

[3]工业与民用配电设计手册[M].3版.北京：中国电力出版社.

Calculation and Verification of Main Transformer in Distributed Energy Center

HUANG Xiao-bo1，LING Zhen-yu2，ZHANG Jun2
（1.East China Architectural Design&Research Institute，Shanghai 200002，China；2.Shanghai Qiantan New Energy Developments Ltd，Shanghai 200120，China）

The main transformer is a key component of the distributed energy center，the choice of the transformer is related to the electrical load calculation under different working conditions，and the starting of the big motor，but also related to the power supply reliability，power consumption and other factors.This paper introduces the process of analysis and calculation with a practical project.

distributed energy center；transformer capacity

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.001

TM402

B

2095-3429（2015）06-0001-03

2015-10-20

修回日期：2015-12-07

黄晓波（1980-），男，福建人，高级电气工程师；

凌震宇（1974-），男，江苏南通人，电气专业工程师；

张军（1972-），男，安徽合肥人，电气专业工程师。