微型燃气轮机分布式电源兼作应急电源探讨

吴翠玉，顾群音，严佳晨，陈海燕

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

随着社会的不断发展，生产生活与电力供应的联系越来越紧密，应急电源作为正常电力供应中断的重要补充，能有效保证一级负荷及特别重要负荷设备的持续供电.《民用建筑电气设计规范》中明确规定:“一级负荷应由两个电源供电，当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏.一级负荷中的特别重要负荷，尚应增设应急电源，并严禁其他负荷接入应急供电系统.下列电源看作为应急电源:独立于正常电源的发电机组;供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路;不间断电源 UPS或 EPS.”另外，随着可再生能源的迅速发展，《2009(电气)民用建筑工程设计技术措施》在应急电源中新增了太阳能光伏蓄电池电源系统.但大量停电事故案例表明，在发生大面积停电时，独立于正常电源的专门馈电线路也可能发生停电故障，从而起不到应急电源的作用.

因此，常用的应急电源(包括柴油发电机组、不间断电源UPS和EPS)应该与电网在电气上相互隔离，确保重要负荷设备的应急供电.

目前，集中大功率、要求持续供电时间较长的动力负荷均使用柴油发电机组作为应急电源.[1]但在环境污染严重、传统能源储量紧张的双重压力下，各种可再生能源得到了大力发展，而分布式供能系统是可再生能源利用的有效平台.因此，分布式供能系统的导入，有望取代柴油发电机组承担应急电源的作用.而UPS和EPS应急电源的使用场合比较特殊，对电源切换时间的要求较高，暂时不考虑分布式供能系统.

1 常规应急电源种类及特点

目前，常规应急电源主要有EPS应急电源、UPS不间断电源和柴油发电机组.EPS和UPS及柴油发电机组供电系统各具特点且应用场合各不相同.[2]

UPS不仅能对输入电压进行稳压处理，同时能确保对负载的不间断供电.因此，UPS适用于电压稳定性要求高且供电切换时间很短(毫秒级)的场合，主要用于电容性、电阻性负载(如电子计算机、实时通信等精密仪器设备)的长期连续供电.UPS根据不同的使用场合与功能，可以分为后备式UPS、双变换在线式UPS、在线互动式UPS和Delta变换在线式UPS 4种类型.[3]

EPS应急供电系统根据不同应用场合能提供30～120 min的供电时间，因此 EPS应急电源在正常电力供应中断时能保证重要负荷设备在一定时间范围内的持续供电.但是EPS的应急供电切换时间较长，为 0.1～0.2 s，所以不适用于对供电切换时间要求高的应用场合.实践经验表明，EPS电源主要用于消防设备、水泵、应急照明等电感性负载，以及电感、电容、电阻混合性负载的电力保障.

柴油发电机组在运行中伴有强烈振动，形成噪声污染，并会产生有害气体，影响周边环境.因此，在中小功率及不要求系统长期连续供电的场合，一般不考虑柴油发电机组作为应急电源.

EPS和UPS及柴油发电机组的区别详见表 1.[4]

表1 EPS和UPS及柴油发电机的比较

2 分布式电源概述

2.1 分布式电源系统

分布式电源系统是指将小规模发电系统(数千瓦至5.0×104kW)分散布置在用户附近，就近满足用户的用电需求，并可应用热电联产提高能源利用效率.[5]

相对集中式电源而言，分布式电源是大电网不可缺少的补充.其优势表现为:无需建设配电站，故可延缓甚至避免增加输配电成本;输配电损耗很低甚至没有;高能源利用率的冷热电三联供系统适合多种热电比的变化，可根据热、电需求灵活调节从而提高年设备利用小时数;建设周期短，土建和安装成本低;可对区域电力质量和性能进行远程监测;属于绿色电源，环保效益显著.

分布式供电可以有效弥补大电网在安全稳定性方面的不足，直接布置在用户附近的分布式发电装置与大电网相配合，可大大提高其供电可靠性.[6]在大电网发生事故的情况下，分布式供电系统可从并网模式切换至孤岛模式，继续维持对重要用户的供电.同时，分布式供电系统通过冷热电联产实现了能源的综合梯级利用，提高了能源的利用效率，避免了冷能、热能的远距离传输.

目前，分布式电源主要包括小型或微型燃气轮机、小功率内燃机、燃料电池以及可再生能源系统(如太阳能光伏发电、风力发电等).其中，微型燃气轮机作为分布式发电能源的典型代表，不仅输出功率恒定，而且是目前最成熟、最有竞争力的分布式发电设备.[7]

2.2 微型燃气轮机特性

微型燃气轮机发电机组的组成部分包括微型燃气轮机，以及由燃气轮机直接驱动的内置式高速逆变发电机和数字电力控制器等.微型燃气轮机由板翘式回热器、径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)、燃烧室构成，功率范围在数百千瓦以下，燃料以天然气、甲烷、汽油、柴油为主，采用回热式白朗托循环.[8]另外，由于没有设置润滑油系，燃气轮机机组的尺寸大大缩小，一台30 kW微型燃气轮机发电机组重量小于一台3 kW的柴油发电机组.[9]

微型燃气轮机的工作原理如图1所示.[8]空气通过空气滤清器进入压气机升压，得到的高压空气进入热交换器预热，随后进入燃料室与燃料充分混合、燃烧，最后将高温燃气送入涡轮机做功并带动发电机发电，而涡轮机废气进入热交换器，使其热能得到充分利用.

图1 微型燃气轮机工作原理示意

微型燃气轮机的重要应用是冷热电三联供.目前，世界各国都很重视小型分布式热电联产系统的发展.近年来，美国热电联产发展最为迅速，区域供冷系统个数已高于60，装机容量达45 000 MW.在日本，热电联产区域供热系统的发展也较快，仅次于燃气、电力事业.而在欧洲，热电联产发电量占其总发电量的比例已高达18%，其中丹麦是世界上热电联产机组发电量占全国发电量比例最高的国家，约占 52% .[10]

3 案例分析

以由某微型燃气轮机构成的分布式供能系统为例，对该系统进行并网—孤岛双模式切换试验.并网—孤岛模式切换的具体方法为:双模式启动燃气轮机;手动断开开关;造成线路失电;燃气轮机的防孤岛保护动作自动断开出口断路器;双模式转换器(Dual Mode System Controller，DMSC)同时将开关断开;之后燃气轮机重新合上出口开关;切换至孤岛状态运行.而孤岛—并网模式转换的具体方法为:手动闭合开关;DMSC自动检测到开关上方电压恢复;通知燃气轮机断开出口断路器;然后合上开关恢复电网供电;燃气轮机则进入旋转备用状态等待5 min;确认电网稳定后重新切换至并网状态运行.下面主要从应急负荷紧急切换时间方面来分析分布式供能系统作为应急电源代替柴油发电机组的可行性.

该微型燃气轮机分布式供能系统的双模式切换原理如图2所示.其中，高级服务器(APS)的使用，目的是使所有接入的发电机组成为辅机.MT(Micro Turbine)为发电机组，在正常情况下，发电机组保持满负荷输出向用户供电，不足部分由市电进行补充;当DMSC监测到市电出现欠压欠频等故障时，自动将并网开关断开，保证发电机组所发出的电力不倒送至电网，同时系统自动将用户侧其他冗余负载断开，保证发电机输出电力全部且仅输送至重要负荷使用.

图2 微型燃气轮机双模式切换原理示意

图3 为发电机组从并网模式到孤岛运行模式的转换响应时间.在热机状态下，当 DMSC监测到市电故障时，发电机组将在7 s内完成从并网模式至孤岛模式的切换，且达到满负荷功率输出.当发电机在热机状态下，DMSC监测到市电故障时发电机组可从并网模式切换到热备机状态(50 ms内)，此时发电机组保持带载状态(并不向外界输送电力)，并消耗少量燃气.当需要发电机输出功率时，可在7 s内完成满负荷加载，其模式转换响应时间如图4所示.

图3 并网—孤岛模式转换响应时间

由图3和图4可知，微型燃气轮机在进行并网—孤岛模式转换时，其切换时间均在7 s内，符合应急电源的切换时间要求，因此微型燃气轮机可以兼作应急电源.

图4 含延迟的并网—孤岛模式转换响应时间

微型燃气轮机的优势在于:发电机组尺寸小，重量轻，便于现场安装，只需接入燃气输入管道和电力输出线路即可工作;燃料使用多样化，包括天然气、生物质燃料、煤油、柴油、汽油等;对环境影响很小，环保效益明显，微型燃气轮机通过富氧燃烧使燃料充分分解，故可实现固体颗粒、烟雾的零排放，属于绿色环保电源;能源转换效率高，带有回热器和采用热电联产时的热效率分别高达30%和80%;具有低故障率、高可靠性的优点，且维护间隔时间长，维护费用小;自动化程度高，拥有内置式远程控制系统和自动监控运行系统，无需专人看管等.[9]

而柴油发电机在紧急状态下且正常电力供应中断的情况下也能实现自启动，并能在10～15 s内满载运行，具有3次自启动功能，总计时间在30 s内，[11]均高于微型燃气轮机.但根据《民用建筑电气设计规范》，64 kW 以下的柴油发电机组至少需要24 m2以上的机房面积，且不包括储油间等辅助房间.柴油发电机组不仅需要较大面积的专用机房，而且对机房和储油间等辅助房间有相应的防火要求.为减小柴油发电机产生的有害气体对周边环境的影响，需在排烟系统中加装除尘设备;此外，柴油发电机运行时强烈振动产生的噪声强度高达110～130 dB，对周边环境和居民生活影响较大.根据城市区域环境噪声标准如表2所示，应额外增设消音器以减小噪声污染.综上所述，柴油发电机组所需要的辅助设备费用明显高于微型燃气轮机.

4 结论

(1)在常规应急电源中，UPS不间断电源能够确保供电不间断并具有稳压效果，适用于间断供电时间要求高的精密用电设备;EPS应急电源一般能提供30～120 min的应急供电时间，适用于消防场所和应急照明的电力供给;而柴油发电机适用于大功率且供电时间要求较长的场合.

(2)随着全球范围内能源与动力需求结构的变化，以及环境问题日益突出的大背景下，微型燃气轮机的应用得到了高度重视，而冷热电联产作为微型燃气轮机的重要应用在全世界发展迅速.因此，作为补充能源，微型燃气轮机的分布式供能系统将被更多地导入各种大型建筑.

(3)由于微型燃气轮机的并网—孤岛切换时间相比柴油发电机组要短，且在设计原则、维护间隔时间和自动化程度等方面均优于柴油发电机组.因此，在分布式供能系统的供电负荷满足应急电源要求的条件下，可以替代柴油发电机组兼作应急电源，且具有更好的环保效益.

[1]杨永平，马忠山.应急柴油发电机组的应用与选择[J].中国科技信息，2007(16):175-176.

[2]殷小明.应急电源与备用电源的设计[J].电气技术，2012，4(3):34-38.

[3]刘希禹.UPS的性能分类与标准化 UPS系统结构[J].电源世界，2006(10):12-24.

[4]林卫东.EPS应急电源的探讨及应用[J].电气应用，2005(5):18-21.

[5]李琼慧，黄碧斌，蒋莉萍.国内外分布式电源定义及发展现况对比分析[J].中国能源，2012，34(8):31-34.

[6]梁振锋，杨晓萍，张娉.分布式发电技术及其在中国的发展[J].西北水电，2006(1):51-53.

[7]杨秀，郭贤，臧海洋，等.微型燃气轮机发电系统孤岛及并网运行的建模与控制策略[J].电工技术学报，2012，27(1):63-68.

[8]孙可，韩祯祥，曹一家.微型燃气轮机系统在分布式发电中的应用研究[J].机电工程，2005，22(8):55-60.

[9]王凯，黄葆华，田云峰.微型燃气轮机在分布式供能中应用的可行性研究[J].华北电力技术，2011(5):1-5.

[10]高慧云，肖宁.我国热电联产产业的发展趋势[J].发电设备，2010(6):467-469.

[11]杨兴国.柴油发电机和EPS应急电源的比较和应用[J].重庆建筑，2011，10(5):46-48.