小容量发电机组并网对电气系统的影响与解决方案

马敏 刘磊

摘要：钢铁企业在余能利用中可组成小容量的发电机组，实现资源再利用，但是小机组并网给电网系统带来短路电流超标的问题，本文通过实际案例证明小容量机组并网后系统参数的变化，并提出限制短路电流的有效措施，为类似工程的设计提供参考。

关键词：发电;并网;短路电流;限流

1引言

钢铁企业在生产过程中，存在有大量的余热、余压、剩余煤气等资源，资源总量巨大，回收利用前景广阔，为了贯彻国家节能环保的基本方针政策，提高企业的经济效益，可利用这些余能资源进行发电，建成余热发电机组、余压发电机组、剩余煤气发电机组等，推动钢铁企业节能降耗，实现资源的综合利用。本文将以实际工程为例，来分析小容量发电机组并网对电网的影响，并提出解决方案。

2 小容量发电机组的特点

综合考虑钢铁企业余能资源的分布情况以及新上发电机组的经济效益，一般余能发电机组的规模较小，单机容量为6～30MW，为了节省投资，降低损耗，所发电能一般选择就近消耗，接入系统就近直接接入，不经升压变压器，与厂内中压配电站或者总降变电站低压侧母线并网，电压等级可为6kV或10kV。另一方面，余能发电的电量与工业企业生产运行、工艺流程等密切相关，波动量大，存在一定的不稳定性，为不影响公共电网，一般采用并网不上网的连接方式，投资成本低，实施工作量小，适合钢铁企业内运用。

小容量机组的建立，在成本减少的同时，给电网造成了一定的问题，发电并入电网后，根据机组参数的不同，向电网注入短路电流，原有电气设备的开断能力是否能满足要求需要重新校核。

3 工程实例

某钢铁企业产业升级技术改造项目总体规划，钢铁主体工艺升级改造配套项目，合计产生饱和蒸汽约134t/h，最大164t/h，为实现节能减排，提高资源利用效率，工程配套建设饱和蒸汽发电机组，发电机额定容量为25MW，扣除厂用电负荷2134kW，实际供电能力约为22.866MW，项目建成后，年发电量约为1.14×108 kWh。

本工程发电机出口为10kV电压等级，经电缆连接至附近的10kV开关站，实现并网，并网点设在发电机出口断路器。

发电机参数：额定功率25MW，额定电压10.5kV，额定电流1718.3A，功率因数0.8，次暂态电抗0.1275，励磁方式为无刷励磁。10kV电动机运行总功率为2000kW 。

发电并网接入系统后，系统侧网络改变成为双电源网络，当系统侧发生短路故障时，故障点的短路电流大幅度增加，对系统侧电气设备的开断能力带来严峻的考验，若短路电流超出原有设备的开断能力，还需要对原有设备进行更换。

以上述工程为例进行计算，系统图及阻抗图如图1。

系统110kV变电站10kV母线侧的最大短路电流为14.925kA。选取计算基准值;基准电压为;基准电流为。

系统侧阻抗标幺值：;

电缆线路L1阻抗标幺值：;

电缆线路L2线路较短，近似为0;

发电机阻抗标幺值：;

点短路故障时，母线的短路电流计算如下：

1）发电机回路提供的短路电流

等值阻抗标幺值

折算到以发电机额定容量为基准容量的标幺值为

根据汽轮发电机运算曲线，可得时短路电流的周期分量标幺值为。则发电机回路产生的短路电流为

2）系统侧提供的短路电流

等值阻抗标幺值

系统侧按无限大供电电源考虑，所产生的短路电流为

3）电动机反馈冲击电流

电动机次暂态电抗标幺值按0.14计算，。

由此得出，发电机并网后，在并网站10kV母线上发生短路时产生的短路电流为。

4. 发电机组对电网的影响

在发电机出口，电气设备的选型应考虑非周期分量的影响，因在靠近电源处的短路点，非周期分量往往大于周期分量幅值的20%，超过了断路器进行型式试验的条件，可能会影响断路器的开断性能。另外还考虑设备本身制造质量的因素，所以在设计初期选择断路器的开断能力应有足够的余量。

本文以上案例中并网站10kV系统电气设备的短路开断能力为31.5kA，现通过计算得知，如将发电机组并入上级系统，发生三相短路故障时，系统短路电流已很接近设备的分断能力，将对电气设备造成威胁。因此，在新建余能发电机组项目的设计中，为不影响已有系统，发电机侧必须采取合理的限制短路电流的措施，减少对电网的影响，以实现余能的科学合理的利用。

4 解决方案

对于单机的小容量机组并网系统，比较有效的限制短路电流的措施是在发电机出口串联限流電抗器，但是限流电抗器串联在发电机回路中，会存在很大的电能损耗，现采用可恢复式大容量高速开关与电抗器并联的方式，在正常运行时，高速开关闭合，不经过电抗器，当发生短路故障时，高速开关迅速分断，将限流电抗器投入系统，起到限制短路电流的作用。

在发电机出口加入电抗器后，对系统模型调整并计算。

初选电抗器1500A，10.5kV，电抗率8%。

以基准容量计算电抗器的电抗标幺值为

此时发电机回路等值阻抗标幺值

折算到以发电机额定容量为基准容量的标幺值为

根据汽轮发电机运算曲线查得此时短路电流的周期分量标幺值为6.4，则发电机回路产生的短路电流为

加装限流电抗器后，并网站10kV母线上的短路电流为

并网后，上级站电气设备开断能力可以承受此短路电流，并有一定的余量，不需要对上级站的电气设备进行改造。

4 结论

在钢铁企业实施的余能发电小机组中，若不经过变压器并入厂内电网系统，必须对发电机注入的短路电流进行核算，校验接入系统后短路电流的影响。随着电力系统容量的不断扩大，以及工厂规模的增大，系统短路电流越来越考验着电气设备的运行能力，有效的限制短路电流的措施将是电气科研人员进一步研究的课题。本文中所采取的电抗器并联大容量开关的方法，既能保证正常运行时不造成电能损耗，同时可在故障时降低短路电流，是钢铁企业小机组并网时限制短路电流的有效解决方案。