小型燃氣內燃發電機并網不上網運行關鍵技術的研究與應用

孫瑋

摘要：無錫太湖國際博覽中心大酒店分布式能源供給系統（又稱無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站）是一種微電網，是對無錫電網的有益補充。該系統中的內燃發電機采用并網不上網方式向以制冷制熱負荷為主的無錫太湖國際博覽中心大酒店供電，采用此方式供電有兩方面優勢：一方面，解決了該酒店部分網上購電問題，節約了酒店用電成本;另一方面，由于此系統按照無錫供電公司要求加裝了的逆功率保護裝置，有效地防止該系統向無錫電網供電，不僅有利地保證了電網安全，而且很好地解決了小型燃氣機組并網難的問題。本文通過對分布式發電微電網技術進行研究，并提出了一些思考和建議。

關鍵詞：分布式能源站;燃氣內燃發電機 ;并網不上網;逆功率保護

O引言

分布式發電技術目前已成為未來大型電網的有力補充和有效支撐，極具發展潛力，無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站項目就是分布式發電技術在工程現場的實際應用。該能源站地處無錫太湖新城核心區，準五星級酒店無錫太湖國際博覽中心大酒店（以下簡稱無錫太博酒店）作為博覽中心的配套設施。該能源站設置在無錫太湖博覽中心大酒店西南角的獨立地下機房，安裝1臺顏巴赫燃氣內燃機組，發電總裝機容量565KW（占無錫太博酒店總需電量的5%）;該能源站工藝采用天然氣作為燃料，采用燃氣內燃機為發電設備，在發電的同時，利用發電產生的煙氣余熱生產冷熱產品滿足酒店用戶電冷熱需求，向酒店提供部分電力、空調以及生活熱水負荷，即實現冷、熱、電三聯供。無錫太博酒店分布式能源站是一種微電網，它具有如下特點：安全可靠、切實可行;技術先進、經濟合理;造型美觀、符合環保。

無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站燃氣發電機組每小時發電565KW，發電機所發電量全部用于無錫太湖博覽中心大酒店自用（除了自帶能源站廠用電外）。其供電分兩路：一路電源用于天燃氣能源供給系統備用電、及發電機起動電源，滿足日常檢修維護及機組啟動要求;另一路電源將能源站發電傳輸給無錫太湖博覽中心大酒店供電，僅實現與市電并網連接穩定運行，滿足酒店配電室TR5專變低壓負荷用電，而不上網給無錫電力系統供電。

1、并網不上網系統市場需求分析與總體框架

1.1并網不上網系統市場需求分析

無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站能源站工藝采用天然氣作為燃料，天然氣進入燃氣內燃機首先用來發電，發電后的煙氣與缸套冷卻水進入煙氣熱水混合型溴化鋰機組，夏季用來供冷，冬季用來供熱。溴化鋰機出口的煙氣還具有一定的熱量，加煙氣熱水換熱器預熱生活熱水。

由于無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站項目采用分布式能源并網不上網供電方式，大大提高了酒店用戶端用電的安全可靠性。特別是在夏季用電高峰期時，使用戶方降低被拉閘限電的后顧之憂。正由于具有以上的優勢，國際上比較發達的工業國家如美國，歐盟和日本等都在大力發展分布式能源技術。例如美國計劃在2020 年，全國裝機容量的29%將由小型冷熱電系統負擔。

1.2并網不上網系統總體框架

附圖1：無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站并網不上網電氣一次系統初設圖紙

2、并網不上網系統的功能設計

2.1并網發電機概況簡述

無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站項目采用天然氣作為燃料，采用燃氣內燃機為發電設備，在發電的同時，利用發電產生的煙氣余熱生產冷熱產品就近滿足酒店用戶電冷熱需求。

2.1.1 供貨廠家

鈺門國際貿易（上海）有限公司，采用進口（GE顏巴赫）內燃發電機組，單臺發電功率為565kW。

2.1.2主要參數

附表：

發電機主要技術參數

2.1.3發電機控制功能和特點

2.1.3.1發電機組控制功能

機組的起動和停機操作通過能源站電氣控制室執行;

機組有監督和控制功能以確保機組安全，可靠和有效的運行。

機組能夠從能源站電氣控制室進行自動同步和分級加載。

機組能夠在預設的恒定負荷方式下運行，又能在給定頻率控制方式下運行。

2.1.3.2特點

保證機組100% 額定負荷在565kW，機組應當能夠對并網運行所要求的的負荷變化作出響應;具有快速起動的能力;燃氣內燃機能夠根據燃料量的變化，在機組允許負荷范圍內實現負荷的增減。

2.1.3.3并機控制系統

使用基于微處理器的發電機組控制系統具有功率控制、功率計量、電流和電壓計量、自動和手動并機控制、保護繼電器功能。與市電聯網運行時，對有功和無功功率提供閉環控制。

1）功率控制功能

真正的RMS有功功率測量，以便系統精確控制;發電機功率平衡的閉環控制;輸出信號與電子調速直接連接，匹配性好，可以提供有功功率分配功能和電壓匹配;可調整的負載轉移功能，保證發電機組軟加載和軟卸載;自動的功率分配功能，并網運行時，可采用零功率輸出模式，輸入模式和基本負荷模式。

2）電力計量功能

三相相電流;三相相電壓和三相線電壓; 三相電功率;頻率;功率因數;機組電度量;發電機組累積運行時間。

3）自動同步（并機）功能

自動同步，使頻率（Hz）和電壓匹配;同步檢查功能; 并機失敗報警功能。

4）保護繼電器功能

三相電壓過低或過高;頻率過低或過高;電流、電壓不均衡;勵磁回路接地/失磁;逆功率; 過電流保護。

5）用戶操作界面

液晶顯示;圖像化的系統狀態顯示; 模擬式和數字式的計量顯示;有色的報警、停機和狀態表示信號;可現場進行控制模式、時間繼電器延時時間、功率設置的調整;備用手動同步顯示。

2.1.3.4發電機組并機控制柜

發電機組配有一臺發電機組并機控制柜，它的作用是控制發電機組的起動、停機，與市電同步并網，對發電機組各種參數計量和保護。發電機組并機控制柜的功能如下：

1）連續顯示發電機電壓、頻率、電流、功率、功率因數、累積發電量，發電機組累積運行時間。

2）當發電機/發動機或系統發生故障時對發電機提供保護。

3）故障發生時，發出聲光報警及故障指示。

4）以真空斷路器控制發電機與公共母線的連接與斷開。

5）控制發動機轉速、發電機勵磁（自動和手動）/電壓。

6）同步：發電機組控制盤內有同步檢測設備，以控制發電機與帶電的公共母線同步。

7）基載模式下的有功負載和功率因數控制。

8）恒頻模式下的有功負載分配。

9）電壓降模式下的無功負載分配。

2.1.3.5發電機組并機控制柜裝設發電機組保護模塊

以微處理器為基礎的繼電保護裝置，應至少滿足以下保護功能：

三相過壓保護;欠壓保護;高頻率保護;低頻率保護;逆功率保護;過電壓保護;失衡電壓保護;過載保護;負載不平衡;失磁;功率因數檢測;延時過流。

2.2并網功能設計

2.2.1天燃氣能源供給系統供、用電簡介：

天燃氣能源供給系統：燃氣發電機組每小時發電565KW，其供電分兩路：一路用于天燃氣能源供給系統自用電（150KW）; 另一路通過三根拼接YJV22 3*240+1*120動力電纜從能源站AA01柜傳輸用于給無錫太湖博覽中心大酒店供電，滿足酒店配電室TR5專變低壓負荷用電，通常可提供400KW供電。

另外，從酒店配電室TR4專變負荷饋電柜LV45中的444G抽屜通過一根YJV22 3*240+1*120動力電纜引至能源站AA03柜備用進線開關（400A）作為能源站的備用電源。

2.2.2能源站發電單元主接線

天燃氣能源供給系統電氣主接線見附圖2，該圖以北京市煤氣熱力工程設計院有限公司電氣初設設計圖紙（附圖1）為基礎，業主按照無錫供電公司要求委托江蘇習勝集團設計的并網不上網電氣一次系統圖（附圖2）。

附圖2：無錫分布式能源站并網不上網電氣一次系統圖

2.2.3并網接入點

無錫太湖國際博覽中心大酒店天燃氣能源站唯一并網點在能源站AA00開關，在能源站電氣配電室內緊靠AA00開關旁邊安裝有一臺發電機控制柜GCB，該柜具有同期并網控制功能，可以確保AA00開關實現同期并網。

并網時：并網開關AA00的下口電源通過能源站AA01開關取自無錫太湖國際博覽中心大酒店配電室市電（通過酒店配電LV60、LV61開關聯絡柜取自酒店配電室TR5專變低壓側，詳見并網電氣一次系統圖-附圖2）;并網開關AA00的下口電源取自由能源站密集母線導入發電機的自發電，并網時并網開關AA00的上、下口電源進行電壓、頻率、相位的同期鑒定，在符合并網條件后自動并網。

2.3并網不上網功能設計（逆功率保護）

2.3.1逆功率保護裝置確保并網但不上網

為防止能源站供電上網，按照無錫供電公司要求，在太湖博覽中心大酒店配電室內加裝了逆功率保護裝置，保證能源站所發電力只滿足于酒店400V低壓負荷用電。若出現向無錫市電網供電情況，則安裝的逆功率保護裝置啟動，延時0.2秒切斷能源站并網開關，確保能源站不向網上供電。

2.3.2逆功率保護裝置設置及安裝情況

無錫太湖博覽中心大酒店能源站逆功率保護柜安裝太博酒店配電室，當能源站發電機所發電接近酒店負荷的上限值時，裝置首先會提前報警并限制發電機出力;另外，若能源站發電機負荷延遲超過定值時限時0.2秒，逆功率保護裝置會自動啟動分斷能源站AA00并網開關，具體動作原理詳見能源站逆功率保護裝置圖紙（詳見附圖3：AA00并網開關柜與逆功率保護控柜接口圖）。

附圖3：無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站AA00并網開關柜與逆功率保護柜接口圖

2.4并網不上網系統試運行

2016年11月20日14：58機組完成首次并網調試，并達到滿負荷穩定運行;2017年4月6日至9月29日期間，機組順利分別完成了冬季制熱、夏季致冷工況“72+24”小時滿負荷試運行。在此期間，能源供給系統電氣設備運行安全、可靠，燃氣發電機組均達到565KW額定負荷安全穩定、經濟運行。無錫太湖博覽中心大酒店能源站燃氣發電機組并網不上網調試照片如下：

1、并網后達到額定負荷565KW

2、在并網控制柜GCB上完成并網開關AA00的并網操作

3、并網不上網的經濟和社會效益及應用實踐

3.1經濟和社會效益

經濟效益：

根據酒店預測供能情況，機組年計劃運行9個月，每天運行12小時，冬季致熱和夏季致冷工況時年綜合廠用電率平均為10.7%，酒店從網上購電電價0.861元/kwh，能源站并網不上網運行滿足酒店用戶負荷用電，年可節約購電1634726kwh，節約購電費140.7513萬元。

節約購電測算如下：

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

社會效益：

分布式能源站并網不上網運行為太博酒店實現了冷、熱、電三聯供，機組運行安全經濟、節能環保。

3.2應用實踐

無錫太湖博覽中心大酒店分布式能源站項目采用三聯供方式：項目發電機組采用獨立運行方式，發電機組所發電力供應酒店部分負荷;空調系統設置有溴化鋰冷溫水機，利用發電機余熱，即煙氣和缸套水，帶基本冷熱負荷，冬季供應采暖通風負荷，夏季供應制冷負荷;煙氣熱水型溴化鋰冷溫水機出口排除的煙氣進入煙氣冷凝器，經過換熱預熱生活熱水。項目所用的三聯供方式運行方式經濟合理，市場前景應用廣闊。已在無錫太湖博覽中心大酒店項目實際應用，并將江蘇、上海等地進一步推廣應用，市場應用前景比較廣闊。

4、結論

小型燃氣發電機采用并網不上網方式，一方面，不僅能夠提高了分布式能源站燃氣發電機組運行的穩定性、可靠性;另一方面，由于不上網，機組發電全部用于酒店自用，提高了酒店用電的經濟性（年節約外購電費140萬元），而且避免了上網運行對當地電力系統的擾動，從而確保電力系統的安全可靠運行。

參考文獻：

【1】規范

DL/T650-1998 大型汽輪發電機自并靜止勵磁系統技術條件;

DL/T843-2003 大型汽輪發電機交流勵磁機勵磁系統技術條件。

【2】 文獻

[1] 分布式發電及微電網應用技術

（全國高等職業教育“十三五”規劃教材，新能源專業系列）

主編：胡平 楊洪權，副主編：段峻 王學奎;—北京;出版社：機械工業出版社;2018（8）;1-131。

[2] 新能源發電技術與應用研究

王黎著;—北京;出版社：中國水利水電出版社;2018（9）;204-207。

作者簡介：

孫 瑋（1967——），男，河北秦皇島人，電氣高級工程師，從事華電科工總承包科技管理工作.