一種柴光互補分布式電站設計

卜艷紅

（河北電機股份有限公司，河北 石家莊 050026）

0 引 言

電能已經成為維持社會正常運行的重要能源，但是傳統的發電方式會對自然環境造成不同程度的污染，嚴重影響人們的生存環境。因此，必須加快清潔能源的發展，其中光伏發電就是一種無污染的清潔能源，且其利用的太陽能是用之不竭的能源[1]。但是，光伏發電站發電量很大程度上取決于氣候、天氣等外圍因素。例如，秋冬季節日照較弱，光伏電站發電量較少；晚上光伏電站發電量也將受到很大影響。所以，在日照量較少的時候，僅靠光伏發電站發電會嚴重影響人們的正常生活和生產用電。為此，光伏電站采用其他能源與光能進行互補式發電，如風光互補和柴光互補。風光互補主要是采用風能發電與光伏發電進行互補式發電，但是風能不穩定且分布不均勻，因此在很多地方難以實現。柴油發電機組發電穩定、啟動較快、容量較大，與光伏發電能夠很好地互補。分布式光伏電站可廣泛應用于電站、通信基站、偏遠地區海島、工業廠房、商業建筑、別墅、農村以及山區，可就地供電，不必長距離輸送，避免了長距離輸電線路造成的電能損失，能夠很好地解決當地的用電需求。

1 組 成

1個2 MW的分布式光伏發電站和1個總功率為3 MW的柴油發電機組電站，再加上一些配電設備，即可組成柴光互補分布式電站，如圖1所示。光伏部分由2個1 MW的光伏發電單元組成，每個1 MW的光伏發電單元經2臺并聯的500 kW并網逆變器逆變為AC 400 V交流電，再經過光伏箱式變壓器升壓后通過高壓柜接入30 kV母線，柴油發電機組部分由4臺集裝箱式柴油發電機組組成，每臺機組的功率為750 kW、電壓為400 V，同樣經過箱式變壓器升壓后通過高壓柜接入30 kV母線。

柴油發電機組和光伏發電系統輸出功率采用集中控制方式。當白天光照強時，僅需開啟一臺柴油發電機組，光伏電站自動與柴油發電機組同期共同向負載供電；當陰天或雨天光照微弱時，控制中心發出命令，啟動多臺機組并機運行，向負載供電，光伏的輸出功率固定，由柴油發電機組承擔負荷的變化；當晚上無光照時，控制中心發出命令，啟動多臺機組并機運行，完全由機組承擔所有負荷。

集裝箱型柴油發電機組主要由柴油機、發電機、集裝箱、散熱器、排氣系統、燃油控制系統、自動化并機并網系統以及輸出系統組成。4臺柴油發電機組根據光伏的發電功率和負載情況，自動選擇開啟一臺或者多臺機組運行，以滿足負載需求，達到柴光互補的效果。

柴油發電機組主要由柴油發動機、發電機、排氣消聲系統、散熱水箱、蓄電池組、控制輸出柜以及燃油系統等組成。發動機安裝充電發電機，控制系統安裝浮充電器，在運行和停機時均能對蓄電池充電，保證蓄電池電量充足；蓄電池分為啟動用蓄電池和控制用蓄電池，通過二極管模塊隔開；日用油箱到發動機進油管上，安裝手閥和常閉電磁閥，在機組運行過程中若發生火災報警，斷開進油管路；日用油箱設置手動閥和緊急卸油閥，若發生火災報警或需手動卸油時，接通卸油管路。

發動機選用MTU的2000系列發動機。該發動機采用先進的ADEC電子管理系統，具有數字化電氣調速器功能，保證動態、靜態電氣性能；有水溫高、油壓低、水位低、油溫高、水位過低、超速等保護、報警功能；采用單體噴油泵，短的高壓油路、閉式油路循環和電控噴油嘴；順序渦輪增壓器和雙回路冷卻水循環系統，使發動機時刻處于熱平衡狀態，保證了發動機的可靠性；先進的電子管理系統為雙CPU計算機控制系統，可以實現在啟動和負載突變狀態下迅速響應，恢復時間短，彌補了光伏發電瞬間波動大、發電量不穩定的特點。先進的電子管理系統可以獨立完成全部發動機的控制，僅對發動機的保護功能就達320項；采用電控單體泵噴油技術和最優化的燃油控制系統，控制供油系統按所在工況下的最優參數噴油，從而保證發動機有最低油耗和最低排放。

發電機選用ABB的AMG0400BB04交流同步發電機。該發電機采用無刷勵磁系統，采用電壓調節器GEN06提高發電機抗諧波能力；經過抗環境腐蝕設計能夠保持較長壽命；通過優化電磁及電氣設計，改善冷卻系統及結構化，保證較低噪音水平；功率等級和安裝尺寸符合IEC標準。

2 電氣控制系統原理

電氣控制系統主要由發電機組控制器和MTU發動機ADEC組成。控制系統控制發動機的啟動、停機和斷路器合分閘，同時監測和保護發電機組運行時的各種參數。接收到并機/并網命令時，它比較發電側電壓、相位、頻率和母線側電壓、相位、頻率。若母線上沒有電，則直接合上輸出斷路器；若母線上有電，控制系統發出指令調整發電機AVR和發動機ADEC，使達到同期水平后再合上輸出斷路器。發動機自帶的控制系統ECU，采集機油壓力、機油溫度、燃油溫度、冷卻水溫度、進氣壓力、進氣溫度以及轉速等信號，通過CANBus接口將數據傳給控制器。

整個系統的功率管理由綜控系統完成。沒有外網時，綜控系統固定光伏的發電量，超過光伏發電量的負荷由發電機組承擔，由綜控系統發出指令，啟停合適數量的發電機組，每臺發電機組通過CAN通信線協調各自的發電量，且由發電機組承擔負荷的變化和光伏的瞬間波動。當有外網時，每臺發電機組的發電量是固定的，綜控系統根據當前系統的光照情況和負載需求電量，單獨調整每臺發電機組的發電量。發電機組控制器可接收4～20 mA的信號，根據4～20 mA與輸出功率的對應曲線、綜控系統發出的電流信號大小，發電機組輸出固定的功率值。

如圖1所示，柴油發電機組連接到各自的低壓斷路器，經升壓變壓器升壓后連接到隔離開關和高壓斷路器，再連接到公共母排，母線電壓采樣低壓側。低壓側斷路器、高壓隔離開關及高壓斷路器互鎖，高壓隔離開關及高壓斷路器閉合時才允許低壓側斷路器合閘，低壓側斷路器分閘后才允許高壓隔離開關及高壓斷路器分閘，從而避免因誤操作導致的系統不同期合分閘問題。

圖1 柴光互補分布式電站組成圖

系統設置試驗狀態來定期運行發電機組。試驗時，在機組旁定期啟機，通過在機組控制器上按啟機、合分閘、停機按鍵實現手動啟機、手動合閘、手動分閘、手動停機。控制器必須處于手動模式，自動/手動模式選擇可以在機旁控制器上實現，也可以通過綜控系統通過通信方式實現。試驗狀態下，如果開展孤島模式帶載試驗時，不需要綜控提供一個并網硬接線信號到機組；如果需做并網帶載試驗時，需綜控ECS提供一個并網硬接線信號到機組，機組會有并網指示，此時機組輸出固定功率，可通過外部4～20 mA信號調整輸出固定功率值。在孤島模式時，柴油發電機組輸出功率由負荷大小決定；并網模式時，由4～20 mA給定信號輸出固定功率。

試驗狀態下得到綜控啟動脈沖指令，且通過綜控切換控制器模式于自動模式，柴油發電機組將轉入供電狀態。

工作流程圖如圖2所示。

圖2 工作流程圖

3 結 論

通過對光伏和柴油發電機組的集中控制管理，實現以光伏發電為主，柴油發電機組為輔的智能發電、配電、供電，充分發揮光伏綠色、可再生、廉價的優點，彌補分布式光伏電站不穩定的缺點，使光伏電站能夠更加穩定，更加可靠的保證電能的輸出，保證電站附近的正常生產、生活用電。