發電機組電能利用方案研究

魏喜龍，楊冬梅

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250000）

發電機組試驗過程采用有功負載、干式電阻負載，負載分級組合采用遠距離電動操作，每級的負載有微調補償。也就是說，發電機組出廠調試過程中所發出的電能，全部由干式電阻負載燒掉，試驗間還配備了大量的通風風機，用來給干式電阻降溫。一方面發電機組產品在出廠試驗過程中產生的電能被使用干式電阻負載白白燒掉；另一方面，還需要使用大量的市電對試驗設備、設施進行供電，存在極大的能源浪費問題。因此對發電機組出廠試驗過程中所產生的電能進行回收再利用研究，達到減少使用市電、節省能源費用的目的。針對發電機組出廠試驗過程中所產生的電能進行回收再利用的手段方案有2種：一種是直接使用，即機組試驗過程中電能直接輸送配電室，由配電室配送至用電設備，機組試驗結束，電能輸送停止，配電室轉由市電供應用電設備；第二種是儲能消納，即機組試驗過程中電能輸送到蓄電池，由蓄電池收集存儲，存儲結束后，再由蓄電池向配電室輸送，供應用電設備使用。

1 發電機組電能直接使用

保留現有的測試平臺功能，交流電子負載前端采用并聯互鎖裝置柜并入任一平臺，達到發動機測試過程中最大限度的節能目的。交流電子負載輸出端線路走原有橋架并入配電室低壓端。增加1套節能降耗設備，與原有的系統能夠有機統一協調工作。新增加的部分能夠將試驗機組發出的不規則、不穩定電能轉變為工頻標準電能，通過電纜，將電能輸送到工廠配電室，達到電能直接使用的目的。

（1）發電機組出廠試驗過程中各項目試驗時間、功率大小會隨時變化，只有負荷試驗過程是100%負荷。考慮到項目實施的難易程度，項目只考慮對發電機組出廠試驗過程中的負荷連續運轉試驗期間發出的電能進行再利用。

（2）考慮電能再利用方案不并網，只作為工廠內部使用的情況下，將試驗用發電機組所產生的電能，消耗在工廠內部的用電設備上，從而達到電能回收利用的目的。

（3）機組產生電能，通過雙電源切換柜連接至工廠配電室，利用配電室的輸配電網絡給工廠的風機、照明、空壓機等用電設備供電；若機組試驗功率超過上述用電負載，則試驗負載與用電設備混合帶載。

（4）對不能通過用電設備做負載的試驗項目，仍然使用當前的試驗方法，例如動態試驗項目。

2 發電機組電能儲能消納

擬建設一套儲能系統，儲能系統通過一臺雙路切換柜，分別接至工廠內部配電網和發電機組調試臺，兩路輸出通過機械和電氣控制方式實現互鎖，只能一路輸出。當無發電機組測試任務時，將切換柜切至配電網一側，通過輔助觸點向EMS系統反饋干接點信號，EMS系統控制儲能系統進入并網運行模式，根據設定的運行工況，實現削峰填谷自動運行，賺取電力差價；當有發電機組測試任務時，在并網運行模式下提前將儲能系統電量放出，以滿足測試需要。測試時，將切換柜切至柴油發電機組調試臺一側，通過輔助觸點向EMS系統反饋干接點信號，EMS系統控制儲能系統進入測試模式。測試模式下，儲能系統相當于一臺功率0～1MW可調的負載，工廠通過上位機可以根據發電機組測試要求設置測試工步（充電功率曲線），實現手動/自動測試運行，同時將發電機組測試運行過程中發出的電力存儲起來，避免浪費；測試結束后，儲能系統重新切回至并網運行模式，將存儲的電力釋放出來，實現電費節約。儲能變流器除了雙向逆變功能以外，同時可以實現支撐電網，保證電網系統穩定運行，可以提供抗短時沖擊能力、平滑供電以及儲能、削峰填谷等。

（1）每個機組試驗測試臺架獨立測試中發電機組發出的電能都可以分別向電池充電。

（2）電池作為負載，可以和工廠臺架上配置的干式電阻共同承擔發電機組測試時所需負載。

（3）擬建設一個儲能輸電電網，用于存儲發電機組在出廠試驗過程中發出電能的存儲，并通過電網系統放電，供應工廠消耗于工廠內部的用電設備上，從而達到電能回收的目的。

（4）另外通過此電網實現工廠用電削峰填谷，即在發電機組生產任務較少的時期，通過儲能電池在用電低谷時段充電、高峰時段放電，實現工廠用電費用節約。

3 方案論證及收益分析

綜合進行比較，發電機組電能儲能消納較電能直接使用更適合工廠現狀，使用更加方便。其經濟效益如下：

（1）依據工廠用電分類為兩部制，1～10kV電壓等，高峰時段：8:30～11:00,14:30～21:00；低谷時段12:00～13:00，23:00～7:00；其余時段為平時段。尖峰電價在6～8月實施，尖峰時段：10:00～11:00，19:00～21:00。

（2）當發電機組調試期間將儲能電池充滿電并當天通過廠區負載放完電，此循環內相當于節省當天負載消耗電費。

（3）當發電機組不進行調試工作時，當天通過夜間谷時充滿儲能電池，白天工作期間廠區負載消耗完，每天一充一放，可實現削峰填谷，達到節省電費的目的。

于消毒供應室中，表現出繁瑣的日常工作以及較大的工作量，選擇傳統護理方式進行護理干預，無法實現護理的細節化以及有效化，難以獲得理想護理效果。對此確定有效方法展開消毒供應室護理工作存在顯著意義[5] 。

（4）通過對發電機組出廠試驗過程產生電能的回收再利用，實現減少能源浪費的目的，助力國家“碳達峰、碳中和”目標實現。

4 方案設計

4.1 整體思路

設計一個500kW/2MWh-1000V步入式儲能系統設備方案，整體方案配置為500kW/2MWh，方案包括1臺500kW的儲能變流器和14個161.28kWh電池簇。系統交流側輸出初始能量不低于2MWh@380Vac。儲能系統建設形式為戶外型成套加寬集裝箱，產品集成化程度高，安全性能高，環境適應能力強，有效地減少現場安裝調試及后期維護的工作量。

電池預制艙內集成有電池簇、控制匯流柜、溫控系統、消防系統、視頻監控系統以及照明系統等（圖1）。采用40ft高柜集裝箱，艙內配置14簇161.28kWh的磷酸鐵鋰電池簇，經1臺控制匯流柜匯流后接入1臺500kW的PCS(含隔離變)，單艙配置電量2.26MWh，整站共1艙，合計配置電量2.26MWh。根據下列計算公式推算，確保交流側初始能量不低于2MWh。

圖1 系統架構示意圖

式中，EAC為交流側能量，EP為配置能量，ηB為電池系統放電轉換效率，DOD為電池系統放電深度，ηPCS為PCS轉換效率DC-AC，ηT為變壓器轉換效率，ΔEL為預估線纜損耗。

4.2 電池預制艙

電池預制艙包含有電池簇、PCS(含隔離變)、EMS、電池管理系統、控制匯流柜、溫控系統、消防系統、門禁照明系統以及配電系統等，所有的設備集成在1臺40HC高柜集裝箱內。

電池合計配置14簇，每14簇為1個電池堆，共1堆電池經1臺控制匯流柜匯流后接入1臺500kW的PCS（含隔離變）。電池在電池管理系統（BMS）的管控和保護下工作，艙內配置工業級空調對電池進行溫度控制，同時配置的七氟丙烷/全氟己酮消防系統可以對電池進行安全防護。

4.3 電池管理系統

電池管理系統（BMS）由3層結構組成，分別是BMU、BCU和BAU。BMU負責采集電池單元箱內的電壓、溫度數據，BCU負責檢測電池簇的電壓、電流數據并控制各回路繼電器，同時接收BMU的采集數據，并將信息統一上傳至BAU，BAU負責管控所有電池簇內的電池，并進行電池狀態估算，同時與PCS、EMS或站內監控系統進行通信交互。

BMS可以對儲能系統中的鋰電池進行全面實時的測量和保護，提供單體電池電壓、單體電池溫度、連接線纜極柱溫度、簇電池電壓、簇電池電流、簇電池剩余容量、簇電池健康狀況等測量數據，并且設計與主控制終端工藝連鎖的定值越限邏輯，實現對電池的保護。

4.4 儲能變流器配置與功能

儲能變流器直流輸入側接蓄電池組，交流輸出側直接或間接接入到交流電網。儲能變流器可以實現電池與電網間的交直流轉換，完成兩者之間的雙向能量流動，并對蓄電池的支路進行充、放電的控制與管理。儲能變流器采用模塊化設計，具有轉換效率高、可靠性高、控制策略優的特點，靈活的配置組合方式，可有效防止多串電池組接入時發生的環流一致性等問題（圖2）。

圖2 儲能變流器外形圖

4.5 高壓箱

高壓箱是電池簇高壓動力回路的管理單元，具有電池簇電壓、電池簇電流采集，電池簇回路接觸器控制和保護等功能。高壓箱內集成斷路器、繼電器、熔斷器、預充控制電路、分流器、二級BMS（ESBCM）、開關電源等器件。其中二級BMS（ESBCM）具有CAN和RS-485通訊總線接口，可實現高壓箱與一級BMS（ESBMM）、三級BMS(ESMU)以及儲能變流器(PCS)之間的通訊功能，實現儲能電池簇的控制、保護以及數據通訊功能（圖3）。

圖3 高壓箱原理圖

4.6 消防系統

消防系統主要包括煙感、溫感、可燃氣體探測器、排氣風機、聲光報警器、緊急啟停按鈕、放氣指示燈、泄壓閥、滅火控制器和七氟丙烷/全氟己酮瓶柜等。在氣體滅火保護區內設置點型光電感煙探測器、點型感溫探測器、火災聲光警報器；在保護區門口設置手動緊急啟停按鈕、放氣指示燈、火災聲警報器。煙感、溫感、可燃氣體探測器均勻布置于集裝箱頂部，根據預先設定的閾值實時監測集裝箱內的環境狀態。聲光報警器、放氣指示燈和緊急啟停按鈕一般布置于集裝箱開門處，便于告警和操作。泄壓閥布置于集裝箱側壁距底面2/3高度處。七氟丙烷/全氟己酮瓶柜一般布置于集裝箱內的電池區域內或通過管網覆蓋電池區域。消防系統具備自動、手動和機械急啟動方式，同時可與BMS以及空調實現聯動控制。

消防系統具備有自動、手動以及機械急啟動方式，消防主機可與站內的BMS等主機通信，將系統狀態數據上傳至后臺。如系統發生報警，可與站內的設備進行聯動，如聯動分勵脫扣斷電等操作。后臺的軟件可下發滅火器啟動命令，啟動本地的氣體滅火器。

5 風險分析

結合國內外研究成果以及實際發生的案例對發電機組電能儲能消納進行風險分析，得出以下3點結果。

（1）儲能系統本體存在爆炸著火的安全風險。根據《儲能之聲》網站信息：近年來，韓國儲能電站發生了23次火災事故；2021年4月16日下午，北京市集美家居大紅門的儲能電站發生了爆炸，造成2名消防人員死亡，1人受傷。由此可見，儲能電站的安全性和穩定性有待進一步提高。

（2）儲能系統的削峰填谷模式與光伏發電項目存在一定的效益沖突。儲能系統的削峰填谷模式是夜間充電，白天釋放使用；而光伏發電系統正好是白天發電供各單位使用，兩項功能有重疊。

（3）此方案回收周期較長，儲能消納系統中電池的使用壽命大約在6～8年，存在投資回收周期內因電池壽命到期需要更換電池、再次投入的經濟問題。

6 結語

在國家節能減排政策推動及公司挖潛增效形勢下，發電機組出廠試驗過程產生的電能儲能消納項目對公司的可持續發展和降本增效是十分有利的，項目建設方案是可行的，在實施過程中要確保使用可靠的儲能系統和消防系統，杜絕安全風險。

本文對發電機組電能回收再利用方案進行了研究，對電能直接利用和電能儲能消納方案分別進行了論述，并且進行了收益分析和風險分析。本文研究可為發電機組電能儲能消納項目提供一定的指導。