小型燃气内燃发电机并网不上网运行关键技术的研究与应用

2020-11-06孙玮

中国电气工程学报 2020年11期

孙玮

摘要：无锡太湖国际博览中心大酒店分布式能源供给系统（又称无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站）是一种微电网，是对无锡电网的有益补充。该系统中的内燃发电机采用并网不上网方式向以制冷制热负荷为主的无锡太湖国际博览中心大酒店供电，采用此方式供电有两方面优势：一方面，解决了该酒店部分网上购电问题，节约了酒店用电成本;另一方面，由于此系统按照无锡供电公司要求加装了的逆功率保护装置，有效地防止该系统向无锡电网供电，不仅有利地保证了电网安全，而且很好地解决了小型燃气机组并网难的问题。本文通过对分布式发电微电网技术进行研究，并提出了一些思考和建议。

关键词：分布式能源站;燃气内燃发电机 ;并网不上网;逆功率保护

O引言

分布式发电技术目前已成为未来大型电网的有力补充和有效支撑，极具发展潜力，无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站项目就是分布式发电技术在工程现场的实际应用。该能源站地处无锡太湖新城核心区，准五星级酒店无锡太湖国际博览中心大酒店（以下简称无锡太博酒店）作为博览中心的配套设施。该能源站设置在无锡太湖博览中心大酒店西南角的独立地下机房，安装1台颜巴赫燃气内燃机组，发电总装机容量565KW（占无锡太博酒店总需电量的5%）;该能源站工艺采用天然氣作为燃料，采用燃气内燃机为发电设备，在发电的同时，利用发电产生的烟气余热生产冷热产品满足酒店用户电冷热需求，向酒店提供部分电力、空调以及生活热水负荷，即实现冷、热、电三联供。无锡太博酒店分布式能源站是一种微电网，它具有如下特点：安全可靠、切实可行;技术先进、经济合理;造型美观、符合环保。

无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站燃气发电机组每小时发电565KW，发电机所发电量全部用于无锡太湖博览中心大酒店自用（除了自带能源站厂用电外）。其供电分两路：一路电源用于天燃气能源供给系统备用电、及发电机起动电源，满足日常检修维护及机组启动要求;另一路电源将能源站发电传输给无锡太湖博览中心大酒店供电，仅实现与市电并网连接稳定运行，满足酒店配电室TR5专变低压负荷用电，而不上网给无锡电力系统供电。

1、并网不上网系统市场需求分析与总体框架

1.1并网不上网系统市场需求分析

无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站能源站工艺采用天然气作为燃料，天然气进入燃气内燃机首先用来发电，发电后的烟气与缸套冷却水进入烟气热水混合型溴化锂机组，夏季用来供冷，冬季用来供热。溴化锂机出口的烟气还具有一定的热量，加烟气热水换热器预热生活热水。

由于无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站项目采用分布式能源并网不上网供电方式，大大提高了酒店用户端用电的安全可靠性。特别是在夏季用电高峰期时，使用户方降低被拉闸限电的后顾之忧。正由于具有以上的优势，国际上比较发达的工业国家如美国，欧盟和日本等都在大力发展分布式能源技术。例如美国计划在2020 年，全国装机容量的29%将由小型冷热电系统负担。

1.2并网不上网系统总体框架

附图1：无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站并网不上网电气一次系统初设图纸

2、并网不上网系统的功能设计

2.1并网发电机概况简述

无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站项目采用天然气作为燃料，采用燃气内燃机为发电设备，在发电的同时，利用发电产生的烟气余热生产冷热产品就近满足酒店用户电冷热需求。

2.1.1 供货厂家

钰门国际贸易（上海）有限公司，采用进口（GE颜巴赫）内燃发电机组，单台发电功率为565kW。

2.1.2主要参数

附表：

发电机主要技术参数

2.1.3发电机控制功能和特点

2.1.3.1发电机组控制功能

机组的起动和停机操作通过能源站电气控制室执行;

机组有监督和控制功能以确保机组安全，可靠和有效的运行。

机组能够从能源站电气控制室进行自动同步和分级加载。

机组能够在预设的恒定负荷方式下运行，又能在给定频率控制方式下运行。

2.1.3.2特点

保证机组100% 额定负荷在565kW，机组应当能够对并网运行所要求的的负荷变化作出响应;具有快速起动的能力;燃气内燃机能够根据燃料量的变化，在机组允许负荷范围内实现负荷的增减。

2.1.3.3并机控制系统

使用基于微处理器的发电机组控制系统具有功率控制、功率计量、电流和电压计量、自动和手动并机控制、保护继电器功能。与市电联网运行时，对有功和无功功率提供闭环控制。

1）功率控制功能

真正的RMS有功功率测量，以便系统精确控制;发电机功率平衡的闭环控制;输出信号与电子调速直接连接，匹配性好，可以提供有功功率分配功能和电压匹配;可调整的负载转移功能，保证发电机组软加载和软卸载;自动的功率分配功能，并网运行时，可采用零功率输出模式，输入模式和基本负荷模式。

2）电力计量功能

三相相电流;三相相电压和三相线电压; 三相电功率;频率;功率因数;机组电度量;发电机组累积运行时间。

3）自动同步（并机）功能

自动同步，使频率（Hz）和电压匹配;同步检查功能; 并机失败报警功能。

4）保护继电器功能

三相电压过低或过高;频率过低或过高;电流、电压不均衡;励磁回路接地/失磁;逆功率; 过电流保护。

5）用户操作界面

液晶显示;图像化的系统状态显示; 模拟式和数字式的计量显示;有色的报警、停机和状态表示信号;可现场进行控制模式、时间继电器延时时间、功率设置的调整;备用手动同步显示。

2.1.3.4发电机组并机控制柜

发电机组配有一台发电机组并机控制柜，它的作用是控制发电机组的起动、停机，与市电同步并网，对发电机组各种参数计量和保护。发电机组并机控制柜的功能如下：

1）连续显示发电机电压、频率、电流、功率、功率因数、累积发电量，发电机组累积运行时间。

2）当发电机/发动机或系统发生故障时对发电机提供保护。

3）故障发生时，发出声光报警及故障指示。

4）以真空断路器控制发电机与公共母线的连接与断开。

5）控制发动机转速、发电机励磁（自动和手动）/电压。

6）同步：发电机组控制盘内有同步检测设备，以控制发电机与带电的公共母线同步。

7）基载模式下的有功负载和功率因数控制。

8）恒频模式下的有功负载分配。

9）电压降模式下的无功负载分配。

2.1.3.5发电机组并机控制柜装设发电机组保护模块

以微处理器为基础的继电保护装置，应至少满足以下保护功能：

三相过压保护;欠压保护;高频率保护;低频率保护;逆功率保护;过电压保护;失衡电压保护;过载保护;负载不平衡;失磁;功率因数检测;延时过流。

2.2并网功能设计

2.2.1天燃气能源供给系统供、用电简介：

天燃气能源供给系统：燃气发电机组每小时发电565KW，其供电分两路：一路用于天燃气能源供给系统自用电（150KW）; 另一路通过三根拼接YJV22 3*240+1*120动力电缆从能源站AA01柜传输用于给无锡太湖博览中心大酒店供电，满足酒店配电室TR5专变低压负荷用电，通常可提供400KW供电。

另外，从酒店配电室TR4专变负荷馈电柜LV45中的444G抽屉通过一根YJV22 3*240+1*120动力电缆引至能源站AA03柜备用进线开关（400A）作为能源站的备用电源。

2.2.2能源站发电单元主接线

天燃气能源供给系统电气主接线见附图2，该图以北京市煤气热力工程设计院有限公司电气初设设计图纸（附图1）为基础，业主按照无锡供电公司要求委托江苏习胜集团设计的并网不上网电气一次系统图（附图2）。

附图2：无锡分布式能源站并网不上网电气一次系统图

2.2.3并网接入点

无锡太湖国际博览中心大酒店天燃气能源站唯一并网点在能源站AA00开关，在能源站电气配电室内紧靠AA00开关旁边安装有一台发电机控制柜GCB，该柜具有同期并网控制功能，可以确保AA00开关实现同期并网。

并网时：并网开关AA00的下口电源通过能源站AA01开关取自无锡太湖国际博览中心大酒店配电室市电（通过酒店配电LV60、LV61开关联络柜取自酒店配电室TR5专变低压侧，详见并网电气一次系统图-附图2）;并网开关AA00的下口电源取自由能源站密集母线导入发电机的自发电，并网时并网开关AA00的上、下口电源进行电压、频率、相位的同期鉴定，在符合并网条件后自动并网。

2.3并网不上网功能设计（逆功率保护）

2.3.1逆功率保护装置确保并网但不上网

为防止能源站供电上网，按照无锡供电公司要求，在太湖博览中心大酒店配电室内加装了逆功率保护装置，保证能源站所发电力只满足于酒店400V低压负荷用电。若出现向无锡市电网供电情况，则安装的逆功率保护装置启动，延时0.2秒切断能源站并网开关，确保能源站不向网上供电。

2.3.2逆功率保护装置设置及安装情况

无锡太湖博览中心大酒店能源站逆功率保护柜安装太博酒店配电室，当能源站发电机所发电接近酒店负荷的上限值时，装置首先会提前报警并限制发电机出力;另外，若能源站发电机负荷延迟超过定值时限时0.2秒，逆功率保护装置会自动启动分断能源站AA00并网开关，具体动作原理详见能源站逆功率保护装置图纸（详见附图3：AA00并网开关柜与逆功率保护控柜接口图）。

附图3：无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站AA00并网开关柜与逆功率保护柜接口图

2.4并网不上网系统试运行

2016年11月20日14：58机组完成首次并网调试，并达到满负荷稳定运行;2017年4月6日至9月29日期间，机组顺利分别完成了冬季制热、夏季致冷工况“72+24”小时满负荷试运行。在此期间，能源供给系统电气设备运行安全、可靠，燃气发电机组均达到565KW额定负荷安全稳定、经济运行。无锡太湖博览中心大酒店能源站燃气发电机组并网不上网调试照片如下：

1、并网后达到额定负荷565KW

2、在并网控制柜GCB上完成并网开关AA00的并网操作

3、并网不上网的经济和社会效益及应用实践

3.1经济和社会效益

经济效益：

根据酒店预测供能情况，机组年计划运行9个月，每天运行12小时，冬季致热和夏季致冷工况时年综合厂用电率平均为10.7%，酒店从网上购电电价0.861元/kwh，能源站并网不上网运行满足酒店用户负荷用电，年可节约购电1634726kwh，节约购电费140.7513万元。

节约购电测算如下：

565*（1-10.7%）*12*30*9*0.861=1634726*0.861=1407513元。

社会效益：

分布式能源站并网不上网运行为太博酒店实现了冷、热、电三联供，机组运行安全经济、节能环保。

3.2应用实践

无锡太湖博览中心大酒店分布式能源站项目采用三联供方式：项目发电机组采用独立运行方式，发电机组所发电力供应酒店部分负荷;空调系统设置有溴化锂冷温水机，利用发电机余热，即烟气和缸套水，带基本冷热负荷，冬季供应采暖通风负荷，夏季供应制冷负荷;烟气热水型溴化锂冷温水机出口排除的烟气进入烟气冷凝器，经过换热预热生活热水。项目所用的三联供方式运行方式经济合理，市场前景应用广阔。已在无锡太湖博览中心大酒店项目实际应用，并将江苏、上海等地进一步推广应用，市场应用前景比较广阔。

4、结论

小型燃气发电机采用并网不上网方式，一方面，不仅能够提高了分布式能源站燃气发电机组运行的稳定性、可靠性;另一方面，由于不上网，机组发电全部用于酒店自用，提高了酒店用電的经济性（年节约外购电费140万元），而且避免了上网运行对当地电力系统的扰动，从而确保电力系统的安全可靠运行。

参考文献：

【1】规范

DL/T650-1998 大型汽轮发电机自并静止励磁系统技术条件;

DL/T843-2003 大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件。

【2】文献

[1] 分布式发电及微电网应用技术

（全国高等职业教育“十三五”规划教材，新能源专业系列）

主编：胡平杨洪权，副主编：段峻王学奎;—北京;出版社：机械工业出版社;2018（8）;1-131。

[2] 新能源发电技术与应用研究

王黎著;—北京;出版社：中国水利水电出版社;2018（9）;204-207。