燃氣機與柴油機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)設計

孫福建　宋泉訓　陳洪剛　廖成勝

摘要：為在電力供應穩(wěn)定充足的前提下降低發(fā)電機組的發(fā)電成本和功率波動，分析孤島用電需求特點和不同發(fā)電機組發(fā)電特點，根據(jù)電力需求及工況負荷選擇燃氣機與柴油機并聯(lián)發(fā)電模式，設計功率管理系統(tǒng)，通過試驗驗證功率管理系統(tǒng)的應用效果。結(jié)果表明：功率管理系統(tǒng)能夠根據(jù)設備的用電需求，控制燃氣機和柴油機切入、切出孤島電力系統(tǒng)，實現(xiàn)機組的自動起停、多機并聯(lián)及均勻分配負載，每臺發(fā)電機的功率波動小于±10 kW，既保證充足的電力供應，又可降低發(fā)電成本。

關(guān)鍵詞：燃氣機；柴油機；多機并聯(lián)；功率管理

中圖分類號：TK421.1;TK431.1文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0090-05

引用格式：孫福建，宋泉訓，陳洪剛，等.燃氣機與柴油機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)設計［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（4）：90-94.

SUN Fujian， SONG Quanxun， CHEN Honggang， et al. Design of a power management system for parallel generation of gas and diesel engines［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：90-94.

0 引言

受地理環(huán)境、資源等因素影響，有些地區(qū)架設電網(wǎng)比較困難，無法實現(xiàn)電網(wǎng)電力供應。天然氣開采、加工和運輸成本相對較低，在天然氣資源豐富的地區(qū)，可建設孤島運行電站，通過燃氣機發(fā)電提供電力供應[1-2]。使用可燃氣體發(fā)電成本低，但受可燃氣體壓力、濃度的影響，供電不穩(wěn)定且發(fā)電效率低；柴油機發(fā)電質(zhì)量好，供電穩(wěn)定，效率高，但發(fā)電成本較高[3]。不同的孤島電站負載對電力需求不同，綜合考慮發(fā)電的穩(wěn)定性和經(jīng)濟成本，可采用燃氣機與柴油機多機并聯(lián)的發(fā)電模式進行發(fā)電，根據(jù)區(qū)域內(nèi)所有負載設備的用電需求，進行功率管理，選擇不同的發(fā)電模式，滿足生產(chǎn)用電需求[4-5]。燃氣機與柴油機多機并聯(lián)運行功率管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電站內(nèi)所有燃氣機和柴油機的自動起?？刂?，實現(xiàn)合理的供電分配，在保證供電充足穩(wěn)定的前提下，最大程度降低發(fā)電成本。本文中綜合考慮孤島用電需求及發(fā)電成本，根據(jù)電力需求及工況負荷，選擇燃氣機與柴油機并聯(lián)發(fā)電模式，并通過功率管理系統(tǒng)合理分配功率，控制每臺發(fā)電機的功率在允許范圍內(nèi)波動。

1 孤島用電需求及不同機組發(fā)電特點

1.1 用電需求

孤島發(fā)電系統(tǒng)一般獨立于電網(wǎng)系統(tǒng)之外，是無法實現(xiàn)電網(wǎng)電力供應地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)和居民生活的重要保障。作為整個電力系統(tǒng)中唯一的電力供應來源，若孤島發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電不穩(wěn)定、電能品質(zhì)差等問題，將造成重大經(jīng)濟損失，所以孤島發(fā)電系統(tǒng)對電能品質(zhì)要求較高，應充分考慮發(fā)電的穩(wěn)定性、可靠性[6]。

孤島電力系統(tǒng)用電負載變化頻繁，當負載突增或突減時，會造成較大的電壓、頻率波動，整個孤島電力系統(tǒng)瞬態(tài)電力供應不穩(wěn)，導致停電。文獻[7]中規(guī)定：工業(yè)應用中，發(fā)電機組瞬態(tài)電壓偏差不超過額定電壓的±25%、穩(wěn)態(tài)電壓偏差不超過額定電壓的±2.5%，瞬態(tài)頻率偏差不超過額定頻率的±12%、穩(wěn)態(tài)頻率偏差不超過額定頻率的±1.5%。

建設孤島電站時，應綜合考慮發(fā)電設備的發(fā)電性能，尤其是對電壓、頻率波動的響應能力，當出現(xiàn)負載變化時，發(fā)電設備的控制系統(tǒng)應能夠快速響應，均勻分配負載，保證電力系統(tǒng)電壓、頻率的穩(wěn)定和整個系統(tǒng)的正常運行；應考慮總的負載容量，預留適當冗余；在出現(xiàn)緊急情況時，發(fā)電設備能夠快速起動，接入孤島電力系統(tǒng)，保證充足的電力供應。

1.2 不同機組供電特點

孤島電力系統(tǒng)常用的發(fā)電設備為柴油機或燃氣機。柴油機發(fā)電穩(wěn)定且質(zhì)量好，故障率低，在緊急情況下能夠在較短時間內(nèi)完成柴油機的起動并達到目標功率穩(wěn)定運行[8-9]。在突然起動或負載突變時，柴油機發(fā)電瞬態(tài)電壓偏差在±10%以內(nèi)、瞬態(tài)頻率偏差在±5%以內(nèi)，恢復時間小于7 s。在任何負荷的穩(wěn)態(tài)條件下，柴油機發(fā)電電壓偏差小于±1%、頻率偏差小于±0.5%，柴油發(fā)電機可在接到起動信號15 s內(nèi)達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，并具備滿負荷運行條件。

燃氣發(fā)電機以天然氣等可燃氣體作為燃料，受天然氣壓力、濃度的影響，電壓、頻率波動相對較大。燃氣發(fā)電機故障率相對較高，無法快速運行到額定狀態(tài)。在運行工況下，燃氣發(fā)電機突然起動或負載突變時，瞬態(tài)電壓偏差小于20%，瞬態(tài)頻率偏差小于8%，恢復時間小于10 s。在任何負荷的穩(wěn)態(tài)條件下，燃氣機發(fā)電電壓偏差小于±1.5%、頻率偏差小于±0.8%，接到起動信號至少需要2 min才能達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓，并具備滿負荷運行條件。

2 并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)及管理策略

孤島運行電站內(nèi)部不同用電設備的用電需求不同，有些設備對電力供應的穩(wěn)定性及電能質(zhì)量要求高，不允許停電，否則會造成巨大經(jīng)濟損失；有些設備對電力供應的穩(wěn)定性要求相對較低，臨時停電不會造成較大經(jīng)濟損失。

燃氣機與柴油機受自身性能的影響，發(fā)電的電能品質(zhì)和發(fā)電成本不同，綜合考慮廠區(qū)設備電力供應的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性等因素，采用燃氣機與柴油機多機并聯(lián)發(fā)電的模式，輔以合理的功率管理系統(tǒng)，可在充分保障電力穩(wěn)定供應的前提下降低發(fā)電成本。

2.1 發(fā)電系統(tǒng)總體構(gòu)成

以國外某工業(yè)園區(qū)的孤島發(fā)電系統(tǒng)建設為例，分析燃氣機與柴油機多機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)的設計與應用。經(jīng)統(tǒng)計，該工業(yè)園區(qū)內(nèi)所有用電設備的瞬時最大用電總需求為2 400 kW，其中主要生產(chǎn)設備用電約為1 000 kW，其他輔助設備用電約為1 400 kW。孤島發(fā)電模式下，燃氣機與柴油機在60%～80%額定功率下發(fā)電工況最佳，并綜合考慮供電冗余及發(fā)電設備的負載突變承受能力，柴油機與燃氣機的總發(fā)電功率應至少為4 000 kW才能滿足工業(yè)園區(qū)的用電需求，因此，工業(yè)園區(qū)應建設具備3臺功率為700 kW的柴油機和3臺功率為700 kW的燃氣機的電站。

根據(jù)園區(qū)設備的用電需求，將園區(qū)內(nèi)的所有設備分為主要生產(chǎn)設備和其他輔助設備，當只有主要生產(chǎn)設備運行時，為保證供電的穩(wěn)定性，采用柴油機單獨并聯(lián)供電的模式；當只有其他輔助設備運行時，考慮供電的經(jīng)濟性，采用燃氣機單獨并聯(lián)供電的模式；當2類設備均運行時，應兼顧電力供應的穩(wěn)定性和發(fā)電的經(jīng)濟性，采用燃氣機與柴油機多機并聯(lián)供電的模式，根據(jù)設定的切入、切出功率閾值，控制燃氣機與柴油機的切入、切出。

多機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)使用可編程邏輯控制器，通過內(nèi)部編程實現(xiàn)供電需求和功率管理需求的控制，各個控制器之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時通信，保證功率管理系統(tǒng)正常工作[10]。綜合考慮機組自身的能耗及機組特性，依托內(nèi)部控制邏輯及觸摸屏畫面手動設置功率，作為切入、切出功率點[11]，既能夠保證機組在最佳工況下運行，又能夠保證功率管理系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

多機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)示意圖如圖1所示。由圖1可知：控制器S0、P0、Q0分別監(jiān)測總負載、主要生產(chǎn)設備負載、其他輔助設備負載供電需求的電流，計算出不同負載需求；并根據(jù)不同的負載需求，控制器P1、P2、P3、Q1、Q2、Q3分別實現(xiàn)對柴油機和燃氣機的功率管理，實現(xiàn)燃氣機和柴油機的起、停及均勻的負載分配，保證廠區(qū)內(nèi)所有設備的穩(wěn)定供電。

2.2 功率管理策略

燃氣機與柴油機多機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)的功率管理邏輯控制流程圖如圖2所示。通過控制器S0、P0、Q0監(jiān)測廠區(qū)內(nèi)所有設備的負載，其中，控制器S0監(jiān)測廠區(qū)所有設備的總負載功率P，控制器P0、Q0分別監(jiān)測廠區(qū)主要生產(chǎn)設備、其他輔助設備的負載功率P1、P2。分別設定功率閾值SA、SB、SC、SD、SE、PA、PB、PC、PD、PE、QA、QB、QC、QD。

當廠區(qū)設備需要供電，即當S0監(jiān)測到P＞0且P＜SA時，P0通過以太網(wǎng)通信遠程控制P1，優(yōu)先啟動柴油機I進行電力供應；當S0監(jiān)測到P＞SA，P0監(jiān)測到P1＞PA或Q0監(jiān)測到P2＞0時，S0控制聯(lián)絡柜合閘，將燃氣機和柴油機的并聯(lián)母線連接到一起，同時Q0遠程控制Q1起動燃氣機I，實現(xiàn)燃氣機和柴油機的多機并聯(lián)，并通過功率管理均勻分配負載；當S0監(jiān)測到P＞SB， P0監(jiān)測到P1＞PB或Q0監(jiān)測P2＞QA時，P0控制P2起動柴油機II進行多機并聯(lián)發(fā)電，并通過功率管理系統(tǒng)均勻分配負載；當控制器S0監(jiān)測到負載功率P＞SC，其中P0監(jiān)測到P1＞PC或Q0監(jiān)測P2＞QB時，Q0控制Q2起動燃氣機II進行多機并聯(lián)發(fā)電，并通過功率管理系統(tǒng)均勻分配負載；當S0監(jiān)測到P＞SD，其中P0監(jiān)測P1＞PD或Q0監(jiān)測到P2＞QC時，P0控制P3起動柴油機III進行多機并聯(lián)發(fā)電，并通過功率管理系統(tǒng)均勻分配負載；當S0監(jiān)測到P＞SE，其中P0監(jiān)測到P＞PE或Q0監(jiān)測到P2＞QD時，Q0控制Q3起動燃氣機III進行多機并聯(lián)發(fā)電，并通過功率管理實現(xiàn)多臺燃氣機和柴油機均勻的負載分配。

燃氣機與柴油機多機并聯(lián)的解列過程與并聯(lián)過程相反，當S0、P0、Q0監(jiān)測到P、P1、P2小于相應閾值時，依次解列燃氣機Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ和柴油機Ⅲ、Ⅱ。

3 供電效果及成本分析

3.1 供電效果分析

工業(yè)園區(qū)孤島發(fā)電系統(tǒng)建成后，進行燃氣機和柴油機并聯(lián)發(fā)電試驗檢驗其效果。當園區(qū)用電設備起動時，根據(jù)功率管理系統(tǒng)設定的閾值，控制器S0、P0、Q0首先控制控制器P1起動柴油機I；當總設備負載功率大于400 kW，主要設備負荷大于400 kW或他負載設備大于0時，控制器S0控制聯(lián)絡柜內(nèi)的斷路器合閘，控制器Q0控制控制器Q1起動燃氣機I，實現(xiàn)燃氣機與柴油機的并聯(lián)，并通過控制器P1、Q1的功率管理功能，實現(xiàn)燃氣機與柴油機均勻的負載分配，此負荷下即使燃氣機或柴油機任意一臺機組出現(xiàn)故障停機，運行的機組也能夠承載突變的負載，進行均勻的負載分配，提供充足的供電，不會停電；當總設備負荷大于600 kW，主要設備負荷大于300 kW或其他負載設備大于300 kW時，控制器P0控制控制器P2起動柴油機II，每臺機組能夠均勻地分配負載；當總設備負荷大于1 200 kW，主要設備負荷大于400 kW或其他負載設備大于400 kW時，控制器Q0控制控制器Q2起動燃氣機II，每臺機組能夠均勻分配負載；當總設備負荷大于1 600 kW，主要設備負荷大于800 kW或其他負載設備大于800 kW時，控制器P0控制控制器P3起動柴油機III，每臺機組能夠均勻分配負載；當總設備負荷大于2 000 kW，主要設備負荷大于1 200 kW或其他負載設備大于800 kW時，控制器Q0控制控制器Q3起動燃氣機III，每臺機組能夠均勻分配負載。

燃氣機與柴油機多機并聯(lián)后負載分配如表1所示。

由表1可知：燃氣機與柴油機多機并聯(lián)運行功率管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)孤島運行工業(yè)園區(qū)的設備供電，并根據(jù)主要設備與其他設備的負荷情況，分配燃氣機與柴油機的起停臺數(shù)，每臺機組負載分配均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電機組功率切換；燃氣機發(fā)電受可燃氣體壓力、濃度影響較大，功率波動小于±10 kW，柴油機發(fā)電一般較穩(wěn)定，功率波動小于±5 kW，可以忽略不計，發(fā)電質(zhì)量良好。

功率管理系統(tǒng)中功率切入、切出點的設置應綜合考慮多種情況，尤其出現(xiàn)個別燃氣機或柴油機突然停機時，應確保其他機組具備負載突變的承載力，保證電力穩(wěn)定供應，不會造成整個廠區(qū)停電，造成不必要的經(jīng)濟損失。

3.2 成本分析

燃氣機發(fā)電可利用天然氣、瓦斯氣、生物質(zhì)氣、工業(yè)煉化尾氣等作為燃料，成本低廉[12]。柴油機發(fā)電以柴油為燃料，成本相對較高[13]。天然氣和柴油單位發(fā)電成本如表2所示。

工業(yè)園區(qū)總用電需求為2 400 kW（主要生產(chǎn)設備、其他輔助設備的需求分別為1 000、1 400 kW），柴油機、燃氣機、燃氣機與柴油機多機并聯(lián)發(fā)電3種方式的總發(fā)電成本分別為5 088、3 288、4 038元。

柴油機發(fā)電成本最高，燃氣機發(fā)電成本最低，燃氣機與柴油機并聯(lián)發(fā)電成本居中。使用燃氣機和柴油機多機并聯(lián)的發(fā)電模式，既能保證供電的穩(wěn)定性，又能降低發(fā)電成本。另外，燃氣機發(fā)電環(huán)境污染小，具有良好的社會效益。

4 結(jié)論

為降低孤島發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本和功率波動，開發(fā)設計柴油機和燃氣機并聯(lián)發(fā)電功率管理系統(tǒng)。

1）發(fā)電模式多樣化，可根據(jù)具體用電需求和工況負荷分別實現(xiàn)燃氣機單獨并聯(lián)發(fā)電、柴油機單獨并聯(lián)發(fā)電及燃氣機與柴油機多機并聯(lián)發(fā)電3種發(fā)電模式。

2）控制器通過以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)傳輸實時性高，多機并聯(lián)性能穩(wěn)定，負載分配均勻，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電機組功率切換，功率波動范圍小于±10 kW。

3）功率管理系統(tǒng)能夠根據(jù)設備的用電需求，實現(xiàn)機組的自動起停、多機并聯(lián)及均勻的負載分配，既保證充足的電力供應，又可降低成本，具有很好的應用前景。

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Design of a power management system for parallel generation of

gas and diesel engines

SUN Fujian， SONG Quanxun， CHEN Honggang， LIAO Chengsheng

Zibo Zichai New Energy Co.， Ltd.， Zibo 255000， China

Abstract：In order to reduce the cost and power fluctuations of generator units for stable and sufficient power supply， the characteristics of islanded power demand and different generator are analyzed. Based on the power demand and operating load， the parallel power generation mode of gas and diesel engines is selected， and a power management system is designed. The effectiveness of unit power generation and management system is verified by experiments. The results show that the power management system could control the gas engine and diesel engine to cut in and out of the islanded power system according to the power demand， so as to realize the automatic start and stop of the units， multi-generator parallel connection and even load distribution. The power fluctuation of each generator is less than ± 10 kW， which not only ensures sufficient power supply， but also reduces the cost.

Keywords：gas engine; diesel engine; multi-generator parallel; power management

（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-03-15

第一作者簡介：孫福建（1992—），男，山東淄博人，工程師，主要研究方向為清潔能源發(fā)電機電氣自動化控制，E-mail：sfjsegl@163.com。