黃曉波，凌震宇，張 軍

（1.華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200002；2.上海前灘新能源發(fā)展有限公司，上海200120）

分布式能源中心主變壓器的計算與校驗

黃曉波1，凌震宇2，張 軍2

（1.華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海200002；2.上海前灘新能源發(fā)展有限公司，上海200120）

主變壓器是分布式能源中心的一個關(guān)鍵部件，該變壓器的選擇與不同工況下的電氣負(fù)荷計算有關(guān)，與能源中心大電機(jī)的起動有關(guān)，還涉及能源中心的供電可靠性、用電成本等因素。文章結(jié)合一個實際的工程項目，介紹了分析和計算的過程。

分布式能源中心；變壓器容量

0 引言

分布式供能有諸多優(yōu)點(diǎn)，比如在節(jié)能減排、電網(wǎng)調(diào)峰、提高供電可靠性、降低冬夏兩季燃?xì)夤?yīng)峰谷差等方面。而區(qū)域能源中心的優(yōu)越性表現(xiàn)在：將分散的冷熱源設(shè)備集中設(shè)置，降低區(qū)域的城市熱島效應(yīng)；將各建筑物屋頂上冷卻塔或煙囪集中設(shè)置，提升區(qū)域環(huán)境品位；專業(yè)化管理、規(guī)范操作，故而系統(tǒng)運(yùn)行效率高、能源利用率高。隨著時代的發(fā)展，分布式能源中心的項目也越來越多。

筆者參與了多個分布式能源中心項目的設(shè)計和建設(shè)工作，分布式能源中心項目往往以天然氣分布式供能系統(tǒng)為核心，水蓄冷（熱）、大溫差離心機(jī)組、熱泵和熱水鍋爐等為輔助設(shè)備，滿足區(qū)域內(nèi)所有用戶的全部空調(diào)冷熱負(fù)荷需求。

主變壓器是分布式能源中心的一個關(guān)鍵部件，本文結(jié)合一個實際的工程項目，談?wù)勚髯儔浩魅萘看_定過程中的一些體會。

1 變壓器容量的確定需要考慮的因素

分布式供能項目在變壓器的選擇上不同于一般的民用建筑項目，主要原因有四個。

（1）能源中心是“冷熱”的加工廠，產(chǎn)品是冷/熱水，原材料是電和燃?xì)?，電費(fèi)成了主要成本。因此申請用電的費(fèi)用及運(yùn)行時用電的成本很大程度上決定了能源中心項目的成敗。而主變壓器的容量影響了用電申請的增容費(fèi)，也影響項目運(yùn)行以后每個月的基本容量費(fèi)。所以必須在滿足可靠性的前提下適當(dāng)降低變壓器容量，以降低申請用電的費(fèi)用和運(yùn)行中的基本容量費(fèi)。

（2）能源中心有大量的大容量電動機(jī)，如本工程中有6臺約1.9MW的高壓冷凍機(jī)，變壓器容量降低后對大容量電機(jī)的起動不利。因此必須校驗大功率電動機(jī)是否可以起動。

（3）大容量電機(jī)的起動時，并網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)也會受到起動電流的沖擊。變壓器容量越小則對發(fā)電機(jī)的沖擊就越嚴(yán)重，應(yīng)避免發(fā)電機(jī)被沖擊后觸發(fā)保護(hù)裝置而主動切斷發(fā)電機(jī)。

（4）部分時段燃?xì)獍l(fā)電機(jī)發(fā)出的電用不完，余電需要上網(wǎng)。因此，主變壓器在不同的時段充當(dāng)?shù)慕巧煌?，購電時是降壓變，余電上網(wǎng)時是升壓變，自發(fā)自用正好平衡時是隔離變。需要指出的是余電上網(wǎng)時，變壓器處在升壓工作狀態(tài)，允許通過的容量有所下降，而且傳輸功率的損耗也會提升[1]。但這對于發(fā)電以自發(fā)自用為主，購電多而余電上網(wǎng)少的項目來說，上網(wǎng)的損耗的影響并不大。

2 系統(tǒng)主接線

根據(jù)工藝專業(yè)的提資，能源中心的用電設(shè)備供冷工況主要有高壓冷凍機(jī)10臺（6大4?。?，溴化鋰機(jī)組2臺，空氣源熱泵18臺，還有冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、蓄能水槽等設(shè)備。項目地處上海，供熱工況下的用電負(fù)荷需求小于供冷工況，變壓器負(fù)荷計算時以夏季供冷工況進(jìn)行計算。系統(tǒng)的主接線如圖1所示，35kV側(cè)采用線路變壓器組接線，10kV側(cè)采用單母線分段接線，當(dāng)用電負(fù)荷大于發(fā)電負(fù)荷時，電力缺額由電網(wǎng)提供，部分時段余電上網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)主接線圖

3 可靠性與經(jīng)濟(jì)性的平衡

如圖1所示，系統(tǒng)相當(dāng)于有三路電源，兩路是市電，另一路來源于由燃?xì)怛?qū)動的發(fā)電機(jī)。一般而言，可以認(rèn)為市電和燃?xì)獠粫瑫r中斷，兩路市電也不會同時中斷。所以在考慮“N-1”情況下的系統(tǒng)供電能力就分為兩種情況：其中一路市電中斷或燃?xì)庵袛?。顯然如果兩臺主變都選取20000kVA時（認(rèn)為變壓器在風(fēng)冷情況下可以短時過載20%），一路市電中斷或燃?xì)庵袛鄡煞N情況都能做到在“N-1”情況下滿足100%的負(fù)荷。但這無疑會提升系統(tǒng)的造價和大幅增加用電的成本。

《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中3.2.6條“區(qū)域性的采暖鍋爐房及換熱站的用電負(fù)荷等級不應(yīng)低于二級”，3.2.4條“當(dāng)主體建筑物中有一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷時，直接影響其運(yùn)行的空調(diào)應(yīng)為一級負(fù)荷；當(dāng)主體建筑物中有大量一級負(fù)荷時，直接影響其運(yùn)行的空調(diào)用電應(yīng)為二級負(fù)荷”。本能源中心服務(wù)的區(qū)域內(nèi)的樓宇為辦公樓和商業(yè)，沒有數(shù)據(jù)中心機(jī)房等對供冷可靠性要求很高的場所，而且項目地處上海，對供熱也沒有高可靠性的要求。由于工藝專業(yè)設(shè)置了用于儲能的蓄水池，當(dāng)系統(tǒng)供電能力降低時，只要保證二次循環(huán)水泵可以工作，依然可以對外供冷/熱。適當(dāng)降低變壓器容量將對項目的經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生積極的影響。如果選用12500kVA，“N-1”條件下系統(tǒng)的供電能力是否滿足要求呢？當(dāng)燃?xì)夤?yīng)中斷時，發(fā)電機(jī)停運(yùn)，兩路市電正常，可滿足能源中心90%的負(fù)荷；當(dāng)一路市電丟失時，閉合10kV聯(lián)絡(luò)開關(guān)，考慮變壓器短時過載20%運(yùn)行，則可滿足能源中心68%的負(fù)荷。這樣的結(jié)果說明“N-1”條件下系統(tǒng)能滿足實際的使用需求。

根據(jù)上海供電部門的資料，35kV電壓等級業(yè)擴(kuò)工程費(fèi)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為955元/kVA。選用20000kVA和選用12500kVA的主變，光業(yè)擴(kuò)工程費(fèi)就相差2×（20000-12500）×955=1432.5萬元。而每個月繳納的基本容量費(fèi)是按最大需量乘以40.5元進(jìn)行計算，供電部門規(guī)定最大需量不低于變壓器容量的40%，每月基本容量費(fèi)相差2×（20000-12500）40%×40.5=12.15萬元/月，一年就是145.8萬元。顯然，在滿足“N-1”可靠性要求的前提下，降低變壓器容量可以減少初始投資1432.5多萬元，減少每年運(yùn)營費(fèi)用145.8萬元。

4 大容量電動機(jī)起動壓降校驗

變壓器容量降低后，面臨的很重要問題就是大容量電機(jī)是否還能起動。配電母線上的電壓在電動機(jī)頻繁起動時不應(yīng)低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%[3]。以此為校驗判據(jù)，對最大一臺1900KW電機(jī)的起動進(jìn)行計算。

由于每組變壓器下有三臺1.9MW冷凍機(jī)，故母線預(yù)接負(fù)荷由0~1.9~3.8~5.7MW逐步增加計算。電動機(jī)啟動電流倍數(shù)按4.5倍，功率因數(shù)按0.85。進(jìn)線短路容量取1000MVA，電動機(jī)回路線路長度約0.1km，線路阻抗按X1=0.012Ω。當(dāng)預(yù)接冷凍機(jī)為0臺時，電動機(jī)起動時起動回路的額定輸入容量為：

式中Sstm—電動機(jī)額定起動容量，MVA；

Um—母線標(biāo)稱電壓，kV。

母線短路容量為：

式中SrT—變壓器額定容量，MVA；

XT—變壓器電抗相對值；

Sk—變壓器一次側(cè)短路容量，MVA。母線電壓相對值為：

式中Skm—母線短路容量，MVA；

Qfh—預(yù)接負(fù)荷的無功功率，Mvar；

Sst—電動機(jī)起動回路的額定輸入容量，MVA。電動機(jī)端電壓相對值為：

式中Sstm—電動機(jī)額定起動容量，MVA。

同上述過程，對預(yù)接冷凍機(jī)為1臺，2臺也進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

根據(jù)表格中的計算結(jié)果，配電母線上的電壓在電動機(jī)起動時不低于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%，校驗通過。同時，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谌_冷凍機(jī)起動時比第一臺冷凍機(jī)起動時容易。這實際上是由于當(dāng)后一臺冷凍機(jī)起動時，前一臺冷凍機(jī)會產(chǎn)生回饋電流，從而幫助后一臺冷凍機(jī)起動。

表1 計算結(jié)果

5 大電機(jī)起動對發(fā)電機(jī)的沖擊

上述2.3節(jié)計算中沒有考慮發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過程。在大電動機(jī)起動過程中，并網(wǎng)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)也會提供一部分的起動電流。如果考慮冷凍機(jī)起動機(jī)時燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的出力，10kV側(cè)母線電壓降會更低，校驗會更容易通過。當(dāng)然，前提是發(fā)電機(jī)沒有因為冷凍機(jī)起動電流沖擊而觸發(fā)保護(hù)裝置從而主動切斷。如何保證這一點(diǎn)？

從以下幾個方面進(jìn)行考慮。1）本工程中發(fā)電機(jī)的容量（3.45MW）是大于最大一臺冷凍機(jī)的容量（1.9MW）的。2）通過對部分燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的調(diào)研，發(fā)電機(jī)的次暫態(tài)電抗在0.13~0.15之間，短路容量大約是23MVA，大于冷凍機(jī)需要的起動容量10MVA小。3）如上述2.3節(jié)計算，即使不考慮發(fā)電機(jī)出力，10kV母線電壓降落也已經(jīng)控制在10%以內(nèi)了，發(fā)電機(jī)的自并勵勵磁系統(tǒng)完全可以迅速的對輸出電壓進(jìn)行調(diào)整以應(yīng)對電壓的變化。第四，必要時可以適當(dāng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的保護(hù)裝置的觸發(fā)時間，以確保起動過程中保護(hù)裝置不會動作。

從投資的角度而言，需確保發(fā)電機(jī)每年的利用小時數(shù)不低于2000h，發(fā)電機(jī)的容量不能太大。但在應(yīng)對起動電流沖擊時，發(fā)電機(jī)的容量又不宜選的太小。在工藝專業(yè)確定最大一臺電動機(jī)的容量及燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的容量時，電氣工程師應(yīng)從這個角度給予技術(shù)上的支持。

6 結(jié)語

對于以電能為主要原料的分布式能源中心來說，適當(dāng)降低變壓器的容量具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在變壓器容降低的同時需要兼顧考慮供電系統(tǒng)的供電可靠性、大容量電動機(jī)直接起動的要求、起動電流對發(fā)電機(jī)的沖擊。在上述這個具體的工程案例中，選用12500kVA的變壓器既降低了經(jīng)濟(jì)成本又滿足了可靠性，也能兼顧大容量電動機(jī)直接起動的要求，起動電流對發(fā)電機(jī)的沖擊也在可控范圍內(nèi)。本文采用的分析思路及計算方法可供同類型的項目參考。

[1]于建成，等.分布式電源接入對電網(wǎng)的影響分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2012，24（1）.

[2]JGJ16-2008，民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].

[3]工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M].3版.北京：中國電力出版社.

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

黃曉波（1980-），男，福建人，高級電氣工程師；

凌震宇（1974-），男，江蘇南通人，電氣專業(yè)工程師；

張軍（1972-），男，安徽合肥人，電氣專業(yè)工程師。