微型燃氣輪機分布式電源兼作應急電源探討

吳翠玉，顧群音，嚴佳晨，陳海燕

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

隨著社會的不斷發(fā)展，生產(chǎn)生活與電力供應的聯(lián)系越來越緊密，應急電源作為正常電力供應中斷的重要補充，能有效保證一級負荷及特別重要負荷設備的持續(xù)供電.《民用建筑電氣設計規(guī)范》中明確規(guī)定:“一級負荷應由兩個電源供電，當一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應同時受到損壞.一級負荷中的特別重要負荷，尚應增設應急電源，并嚴禁其他負荷接入應急供電系統(tǒng).下列電源看作為應急電源:獨立于正常電源的發(fā)電機組;供電網(wǎng)絡中有效地獨立于正常電源的專門饋電線路;不間斷電源 UPS或 EPS.”另外，隨著可再生能源的迅速發(fā)展，《2009(電氣)民用建筑工程設計技術措施》在應急電源中新增了太陽能光伏蓄電池電源系統(tǒng).但大量停電事故案例表明，在發(fā)生大面積停電時，獨立于正常電源的專門饋電線路也可能發(fā)生停電故障，從而起不到應急電源的作用.

因此，常用的應急電源(包括柴油發(fā)電機組、不間斷電源UPS和EPS)應該與電網(wǎng)在電氣上相互隔離，確保重要負荷設備的應急供電.

目前，集中大功率、要求持續(xù)供電時間較長的動力負荷均使用柴油發(fā)電機組作為應急電源.[1]但在環(huán)境污染嚴重、傳統(tǒng)能源儲量緊張的雙重壓力下，各種可再生能源得到了大力發(fā)展，而分布式供能系統(tǒng)是可再生能源利用的有效平臺.因此，分布式供能系統(tǒng)的導入，有望取代柴油發(fā)電機組承擔應急電源的作用.而UPS和EPS應急電源的使用場合比較特殊，對電源切換時間的要求較高，暫時不考慮分布式供能系統(tǒng).

1 常規(guī)應急電源種類及特點

目前，常規(guī)應急電源主要有EPS應急電源、UPS不間斷電源和柴油發(fā)電機組.EPS和UPS及柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)各具特點且應用場合各不相同.[2]

UPS不僅能對輸入電壓進行穩(wěn)壓處理，同時能確保對負載的不間斷供電.因此，UPS適用于電壓穩(wěn)定性要求高且供電切換時間很短(毫秒級)的場合，主要用于電容性、電阻性負載(如電子計算機、實時通信等精密儀器設備)的長期連續(xù)供電.UPS根據(jù)不同的使用場合與功能，可以分為后備式UPS、雙變換在線式UPS、在線互動式UPS和Delta變換在線式UPS 4種類型.[3]

EPS應急供電系統(tǒng)根據(jù)不同應用場合能提供30～120 min的供電時間，因此 EPS應急電源在正常電力供應中斷時能保證重要負荷設備在一定時間范圍內(nèi)的持續(xù)供電.但是EPS的應急供電切換時間較長，為 0.1～0.2 s，所以不適用于對供電切換時間要求高的應用場合.實踐經(jīng)驗表明，EPS電源主要用于消防設備、水泵、應急照明等電感性負載，以及電感、電容、電阻混合性負載的電力保障.

柴油發(fā)電機組在運行中伴有強烈振動，形成噪聲污染，并會產(chǎn)生有害氣體，影響周邊環(huán)境.因此，在中小功率及不要求系統(tǒng)長期連續(xù)供電的場合，一般不考慮柴油發(fā)電機組作為應急電源.

EPS和UPS及柴油發(fā)電機組的區(qū)別詳見表 1.[4]

表1 EPS和UPS及柴油發(fā)電機的比較

2 分布式電源概述

2.1 分布式電源系統(tǒng)

分布式電源系統(tǒng)是指將小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)(數(shù)千瓦至5.0×104kW)分散布置在用戶附近，就近滿足用戶的用電需求，并可應用熱電聯(lián)產(chǎn)提高能源利用效率.[5]

相對集中式電源而言，分布式電源是大電網(wǎng)不可缺少的補充.其優(yōu)勢表現(xiàn)為:無需建設配電站，故可延緩甚至避免增加輸配電成本;輸配電損耗很低甚至沒有;高能源利用率的冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)適合多種熱電比的變化，可根據(jù)熱、電需求靈活調節(jié)從而提高年設備利用小時數(shù);建設周期短，土建和安裝成本低;可對區(qū)域電力質量和性能進行遠程監(jiān)測;屬于綠色電源，環(huán)保效益顯著.

分布式供電可以有效彌補大電網(wǎng)在安全穩(wěn)定性方面的不足，直接布置在用戶附近的分布式發(fā)電裝置與大電網(wǎng)相配合，可大大提高其供電可靠性.[6]在大電網(wǎng)發(fā)生事故的情況下，分布式供電系統(tǒng)可從并網(wǎng)模式切換至孤島模式，繼續(xù)維持對重要用戶的供電.同時，分布式供電系統(tǒng)通過冷熱電聯(lián)產(chǎn)實現(xiàn)了能源的綜合梯級利用，提高了能源的利用效率，避免了冷能、熱能的遠距離傳輸.

目前，分布式電源主要包括小型或微型燃氣輪機、小功率內(nèi)燃機、燃料電池以及可再生能源系統(tǒng)(如太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電等).其中，微型燃氣輪機作為分布式發(fā)電能源的典型代表，不僅輸出功率恒定，而且是目前最成熟、最有競爭力的分布式發(fā)電設備.[7]

2.2 微型燃氣輪機特性

微型燃氣輪機發(fā)電機組的組成部分包括微型燃氣輪機，以及由燃氣輪機直接驅動的內(nèi)置式高速逆變發(fā)電機和數(shù)字電力控制器等.微型燃氣輪機由板翹式回熱器、徑流式葉輪機械(向心式透平和離心式壓氣機)、燃燒室構成，功率范圍在數(shù)百千瓦以下，燃料以天然氣、甲烷、汽油、柴油為主，采用回熱式白朗托循環(huán).[8]另外，由于沒有設置潤滑油系，燃氣輪機機組的尺寸大大縮小，一臺30 kW微型燃氣輪機發(fā)電機組重量小于一臺3 kW的柴油發(fā)電機組.[9]

微型燃氣輪機的工作原理如圖1所示.[8]空氣通過空氣濾清器進入壓氣機升壓，得到的高壓空氣進入熱交換器預熱，隨后進入燃料室與燃料充分混合、燃燒，最后將高溫燃氣送入渦輪機做功并帶動發(fā)電機發(fā)電，而渦輪機廢氣進入熱交換器，使其熱能得到充分利用.

圖1 微型燃氣輪機工作原理示意

微型燃氣輪機的重要應用是冷熱電三聯(lián)供.目前，世界各國都很重視小型分布式熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展.近年來，美國熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展最為迅速，區(qū)域供冷系統(tǒng)個數(shù)已高于60，裝機容量達45 000 MW.在日本，熱電聯(lián)產(chǎn)區(qū)域供熱系統(tǒng)的發(fā)展也較快，僅次于燃氣、電力事業(yè).而在歐洲，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電量占其總發(fā)電量的比例已高達18%，其中丹麥是世界上熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電量占全國發(fā)電量比例最高的國家，約占 52% .[10]

3 案例分析

以由某微型燃氣輪機構成的分布式供能系統(tǒng)為例，對該系統(tǒng)進行并網(wǎng)—孤島雙模式切換試驗.并網(wǎng)—孤島模式切換的具體方法為:雙模式啟動燃氣輪機;手動斷開開關;造成線路失電;燃氣輪機的防孤島保護動作自動斷開出口斷路器;雙模式轉換器(Dual Mode System Controller，DMSC)同時將開關斷開;之后燃氣輪機重新合上出口開關;切換至孤島狀態(tài)運行.而孤島—并網(wǎng)模式轉換的具體方法為:手動閉合開關;DMSC自動檢測到開關上方電壓恢復;通知燃氣輪機斷開出口斷路器;然后合上開關恢復電網(wǎng)供電;燃氣輪機則進入旋轉備用狀態(tài)等待5 min;確認電網(wǎng)穩(wěn)定后重新切換至并網(wǎng)狀態(tài)運行.下面主要從應急負荷緊急切換時間方面來分析分布式供能系統(tǒng)作為應急電源代替柴油發(fā)電機組的可行性.

該微型燃氣輪機分布式供能系統(tǒng)的雙模式切換原理如圖2所示.其中，高級服務器(APS)的使用，目的是使所有接入的發(fā)電機組成為輔機.MT(Micro Turbine)為發(fā)電機組，在正常情況下，發(fā)電機組保持滿負荷輸出向用戶供電，不足部分由市電進行補充;當DMSC監(jiān)測到市電出現(xiàn)欠壓欠頻等故障時，自動將并網(wǎng)開關斷開，保證發(fā)電機組所發(fā)出的電力不倒送至電網(wǎng)，同時系統(tǒng)自動將用戶側其他冗余負載斷開，保證發(fā)電機輸出電力全部且僅輸送至重要負荷使用.

圖2 微型燃氣輪機雙模式切換原理示意

圖3 為發(fā)電機組從并網(wǎng)模式到孤島運行模式的轉換響應時間.在熱機狀態(tài)下，當 DMSC監(jiān)測到市電故障時，發(fā)電機組將在7 s內(nèi)完成從并網(wǎng)模式至孤島模式的切換，且達到滿負荷功率輸出.當發(fā)電機在熱機狀態(tài)下，DMSC監(jiān)測到市電故障時發(fā)電機組可從并網(wǎng)模式切換到熱備機狀態(tài)(50 ms內(nèi))，此時發(fā)電機組保持帶載狀態(tài)(并不向外界輸送電力)，并消耗少量燃氣.當需要發(fā)電機輸出功率時，可在7 s內(nèi)完成滿負荷加載，其模式轉換響應時間如圖4所示.

圖3 并網(wǎng)—孤島模式轉換響應時間

由圖3和圖4可知，微型燃氣輪機在進行并網(wǎng)—孤島模式轉換時，其切換時間均在7 s內(nèi)，符合應急電源的切換時間要求，因此微型燃氣輪機可以兼作應急電源.

圖4 含延遲的并網(wǎng)—孤島模式轉換響應時間

微型燃氣輪機的優(yōu)勢在于:發(fā)電機組尺寸小，重量輕，便于現(xiàn)場安裝，只需接入燃氣輸入管道和電力輸出線路即可工作;燃料使用多樣化，包括天然氣、生物質燃料、煤油、柴油、汽油等;對環(huán)境影響很小，環(huán)保效益明顯，微型燃氣輪機通過富氧燃燒使燃料充分分解，故可實現(xiàn)固體顆粒、煙霧的零排放，屬于綠色環(huán)保電源;能源轉換效率高，帶有回熱器和采用熱電聯(lián)產(chǎn)時的熱效率分別高達30%和80%;具有低故障率、高可靠性的優(yōu)點，且維護間隔時間長，維護費用小;自動化程度高，擁有內(nèi)置式遠程控制系統(tǒng)和自動監(jiān)控運行系統(tǒng)，無需專人看管等.[9]

而柴油發(fā)電機在緊急狀態(tài)下且正常電力供應中斷的情況下也能實現(xiàn)自啟動，并能在10～15 s內(nèi)滿載運行，具有3次自啟動功能，總計時間在30 s內(nèi)，[11]均高于微型燃氣輪機.但根據(jù)《民用建筑電氣設計規(guī)范》，64 kW 以下的柴油發(fā)電機組至少需要24 m2以上的機房面積，且不包括儲油間等輔助房間.柴油發(fā)電機組不僅需要較大面積的專用機房，而且對機房和儲油間等輔助房間有相應的防火要求.為減小柴油發(fā)電機產(chǎn)生的有害氣體對周邊環(huán)境的影響，需在排煙系統(tǒng)中加裝除塵設備;此外，柴油發(fā)電機運行時強烈振動產(chǎn)生的噪聲強度高達110～130 dB，對周邊環(huán)境和居民生活影響較大.根據(jù)城市區(qū)域環(huán)境噪聲標準如表2所示，應額外增設消音器以減小噪聲污染.綜上所述，柴油發(fā)電機組所需要的輔助設備費用明顯高于微型燃氣輪機.

4 結論

(1)在常規(guī)應急電源中，UPS不間斷電源能夠確保供電不間斷并具有穩(wěn)壓效果，適用于間斷供電時間要求高的精密用電設備;EPS應急電源一般能提供30～120 min的應急供電時間，適用于消防場所和應急照明的電力供給;而柴油發(fā)電機適用于大功率且供電時間要求較長的場合.

(2)隨著全球范圍內(nèi)能源與動力需求結構的變化，以及環(huán)境問題日益突出的大背景下，微型燃氣輪機的應用得到了高度重視，而冷熱電聯(lián)產(chǎn)作為微型燃氣輪機的重要應用在全世界發(fā)展迅速.因此，作為補充能源，微型燃氣輪機的分布式供能系統(tǒng)將被更多地導入各種大型建筑.

(3)由于微型燃氣輪機的并網(wǎng)—孤島切換時間相比柴油發(fā)電機組要短，且在設計原則、維護間隔時間和自動化程度等方面均優(yōu)于柴油發(fā)電機組.因此，在分布式供能系統(tǒng)的供電負荷滿足應急電源要求的條件下，可以替代柴油發(fā)電機組兼作應急電源，且具有更好的環(huán)保效益.

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