一种柴光互补分布式电站设计

卜艳红

（河北电机股份有限公司，河北 石家庄 050026）

0 引 言

电能已经成为维持社会正常运行的重要能源，但是传统的发电方式会对自然环境造成不同程度的污染，严重影响人们的生存环境。因此，必须加快清洁能源的发展，其中光伏发电就是一种无污染的清洁能源，且其利用的太阳能是用之不竭的能源[1]。但是，光伏发电站发电量很大程度上取决于气候、天气等外围因素。例如，秋冬季节日照较弱，光伏电站发电量较少；晚上光伏电站发电量也将受到很大影响。所以，在日照量较少的时候，仅靠光伏发电站发电会严重影响人们的正常生活和生产用电。为此，光伏电站采用其他能源与光能进行互补式发电，如风光互补和柴光互补。风光互补主要是采用风能发电与光伏发电进行互补式发电，但是风能不稳定且分布不均匀，因此在很多地方难以实现。柴油发电机组发电稳定、启动较快、容量较大，与光伏发电能够很好地互补。分布式光伏电站可广泛应用于电站、通信基站、偏远地区海岛、工业厂房、商业建筑、别墅、农村以及山区，可就地供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路造成的电能损失，能够很好地解决当地的用电需求。

1 组 成

1个2 MW的分布式光伏发电站和1个总功率为3 MW的柴油发电机组电站，再加上一些配电设备，即可组成柴光互补分布式电站，如图1所示。光伏部分由2个1 MW的光伏发电单元组成，每个1 MW的光伏发电单元经2台并联的500 kW并网逆变器逆变为AC 400 V交流电，再经过光伏箱式变压器升压后通过高压柜接入30 kV母线，柴油发电机组部分由4台集装箱式柴油发电机组组成，每台机组的功率为750 kW、电压为400 V，同样经过箱式变压器升压后通过高压柜接入30 kV母线。

柴油发电机组和光伏发电系统输出功率采用集中控制方式。当白天光照强时，仅需开启一台柴油发电机组，光伏电站自动与柴油发电机组同期共同向负载供电；当阴天或雨天光照微弱时，控制中心发出命令，启动多台机组并机运行，向负载供电，光伏的输出功率固定，由柴油发电机组承担负荷的变化；当晚上无光照时，控制中心发出命令，启动多台机组并机运行，完全由机组承担所有负荷。

集装箱型柴油发电机组主要由柴油机、发电机、集装箱、散热器、排气系统、燃油控制系统、自动化并机并网系统以及输出系统组成。4台柴油发电机组根据光伏的发电功率和负载情况，自动选择开启一台或者多台机组运行，以满足负载需求，达到柴光互补的效果。

柴油发电机组主要由柴油发动机、发电机、排气消声系统、散热水箱、蓄电池组、控制输出柜以及燃油系统等组成。发动机安装充电发电机，控制系统安装浮充电器，在运行和停机时均能对蓄电池充电，保证蓄电池电量充足；蓄电池分为启动用蓄电池和控制用蓄电池，通过二极管模块隔开；日用油箱到发动机进油管上，安装手阀和常闭电磁阀，在机组运行过程中若发生火灾报警，断开进油管路；日用油箱设置手动阀和紧急卸油阀，若发生火灾报警或需手动卸油时，接通卸油管路。

发动机选用MTU的2000系列发动机。该发动机采用先进的ADEC电子管理系统，具有数字化电气调速器功能，保证动态、静态电气性能；有水温高、油压低、水位低、油温高、水位过低、超速等保护、报警功能；采用单体喷油泵，短的高压油路、闭式油路循环和电控喷油嘴；顺序涡轮增压器和双回路冷却水循环系统，使发动机时刻处于热平衡状态，保证了发动机的可靠性；先进的电子管理系统为双CPU计算机控制系统，可以实现在启动和负载突变状态下迅速响应，恢复时间短，弥补了光伏发电瞬间波动大、发电量不稳定的特点。先进的电子管理系统可以独立完成全部发动机的控制，仅对发动机的保护功能就达320项；采用电控单体泵喷油技术和最优化的燃油控制系统，控制供油系统按所在工况下的最优参数喷油，从而保证发动机有最低油耗和最低排放。

发电机选用ABB的AMG0400BB04交流同步发电机。该发电机采用无刷励磁系统，采用电压调节器GEN06提高发电机抗谐波能力；经过抗环境腐蚀设计能够保持较长寿命；通过优化电磁及电气设计，改善冷却系统及结构化，保证较低噪音水平；功率等级和安装尺寸符合IEC标准。

2 电气控制系统原理

电气控制系统主要由发电机组控制器和MTU发动机ADEC组成。控制系统控制发动机的启动、停机和断路器合分闸，同时监测和保护发电机组运行时的各种参数。接收到并机/并网命令时，它比较发电侧电压、相位、频率和母线侧电压、相位、频率。若母线上没有电，则直接合上输出断路器；若母线上有电，控制系统发出指令调整发电机AVR和发动机ADEC，使达到同期水平后再合上输出断路器。发动机自带的控制系统ECU，采集机油压力、机油温度、燃油温度、冷却水温度、进气压力、进气温度以及转速等信号，通过CANBus接口将数据传给控制器。

整个系统的功率管理由综控系统完成。没有外网时，综控系统固定光伏的发电量，超过光伏发电量的负荷由发电机组承担，由综控系统发出指令，启停合适数量的发电机组，每台发电机组通过CAN通信线协调各自的发电量，且由发电机组承担负荷的变化和光伏的瞬间波动。当有外网时，每台发电机组的发电量是固定的，综控系统根据当前系统的光照情况和负载需求电量，单独调整每台发电机组的发电量。发电机组控制器可接收4～20 mA的信号，根据4～20 mA与输出功率的对应曲线、综控系统发出的电流信号大小，发电机组输出固定的功率值。

如图1所示，柴油发电机组连接到各自的低压断路器，经升压变压器升压后连接到隔离开关和高压断路器，再连接到公共母排，母线电压采样低压侧。低压侧断路器、高压隔离开关及高压断路器互锁，高压隔离开关及高压断路器闭合时才允许低压侧断路器合闸，低压侧断路器分闸后才允许高压隔离开关及高压断路器分闸，从而避免因误操作导致的系统不同期合分闸问题。

图1 柴光互补分布式电站组成图

系统设置试验状态来定期运行发电机组。试验时，在机组旁定期启机，通过在机组控制器上按启机、合分闸、停机按键实现手动启机、手动合闸、手动分闸、手动停机。控制器必须处于手动模式，自动/手动模式选择可以在机旁控制器上实现，也可以通过综控系统通过通信方式实现。试验状态下，如果开展孤岛模式带载试验时，不需要综控提供一个并网硬接线信号到机组；如果需做并网带载试验时，需综控ECS提供一个并网硬接线信号到机组，机组会有并网指示，此时机组输出固定功率，可通过外部4～20 mA信号调整输出固定功率值。在孤岛模式时，柴油发电机组输出功率由负荷大小决定；并网模式时，由4～20 mA给定信号输出固定功率。

试验状态下得到综控启动脉冲指令，且通过综控切换控制器模式于自动模式，柴油发电机组将转入供电状态。

工作流程图如图2所示。

图2 工作流程图

3 结 论

通过对光伏和柴油发电机组的集中控制管理，实现以光伏发电为主，柴油发电机组为辅的智能发电、配电、供电，充分发挥光伏绿色、可再生、廉价的优点，弥补分布式光伏电站不稳定的缺点，使光伏电站能够更加稳定，更加可靠的保证电能的输出，保证电站附近的正常生产、生活用电。