發(fā)電機(jī)組電能利用方案研究

魏喜龍，楊冬梅

（中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)過程采用有功負(fù)載、干式電阻負(fù)載，負(fù)載分級(jí)組合采用遠(yuǎn)距離電動(dòng)操作，每級(jí)的負(fù)載有微調(diào)補(bǔ)償。也就是說，發(fā)電機(jī)組出廠調(diào)試過程中所發(fā)出的電能，全部由干式電阻負(fù)載燒掉，試驗(yàn)間還配備了大量的通風(fēng)風(fēng)機(jī)，用來給干式電阻降溫。一方面發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品在出廠試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的電能被使用干式電阻負(fù)載白白燒掉；另一方面，還需要使用大量的市電對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行供電，存在極大的能源浪費(fèi)問題。因此對(duì)發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的電能進(jìn)行回收再利用研究，達(dá)到減少使用市電、節(jié)省能源費(fèi)用的目的。針對(duì)發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的電能進(jìn)行回收再利用的手段方案有2種：一種是直接使用，即機(jī)組試驗(yàn)過程中電能直接輸送配電室，由配電室配送至用電設(shè)備，機(jī)組試驗(yàn)結(jié)束，電能輸送停止，配電室轉(zhuǎn)由市電供應(yīng)用電設(shè)備；第二種是儲(chǔ)能消納，即機(jī)組試驗(yàn)過程中電能輸送到蓄電池，由蓄電池收集存儲(chǔ)，存儲(chǔ)結(jié)束后，再由蓄電池向配電室輸送，供應(yīng)用電設(shè)備使用。

1 發(fā)電機(jī)組電能直接使用

保留現(xiàn)有的測(cè)試平臺(tái)功能，交流電子負(fù)載前端采用并聯(lián)互鎖裝置柜并入任一平臺(tái)，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過程中最大限度的節(jié)能目的。交流電子負(fù)載輸出端線路走原有橋架并入配電室低壓端。增加1套節(jié)能降耗設(shè)備，與原有的系統(tǒng)能夠有機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。新增加的部分能夠?qū)⒃囼?yàn)機(jī)組發(fā)出的不規(guī)則、不穩(wěn)定電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl標(biāo)準(zhǔn)電能，通過電纜，將電能輸送到工廠配電室，達(dá)到電能直接使用的目的。

（1）發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)過程中各項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)間、功率大小會(huì)隨時(shí)變化，只有負(fù)荷試驗(yàn)過程是100%負(fù)荷?？紤]到項(xiàng)目實(shí)施的難易程度，項(xiàng)目只考慮對(duì)發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)過程中的負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)期間發(fā)出的電能進(jìn)行再利用。

（2）考慮電能再利用方案不并網(wǎng)，只作為工廠內(nèi)部使用的情況下，將試驗(yàn)用發(fā)電機(jī)組所產(chǎn)生的電能，消耗在工廠內(nèi)部的用電設(shè)備上，從而達(dá)到電能回收利用的目的。

（3）機(jī)組產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)給工廠的風(fēng)機(jī)、照明、空壓機(jī)等用電設(shè)備供電；若機(jī)組試驗(yàn)功率超過上述用電負(fù)載，則試驗(yàn)負(fù)載與用電設(shè)備混合帶載。

（4）對(duì)不能通過用電設(shè)備做負(fù)載的試驗(yàn)項(xiàng)目，仍然使用當(dāng)前的試驗(yàn)方法，例如動(dòng)態(tài)試驗(yàn)項(xiàng)目。

2 發(fā)電機(jī)組電能儲(chǔ)能消納

擬建設(shè)一套儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過一臺(tái)雙路切換柜，分別接至工廠內(nèi)部配電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)組調(diào)試臺(tái)，兩路輸出通過機(jī)械和電氣控制方式實(shí)現(xiàn)互鎖，只能一路輸出。當(dāng)無發(fā)電機(jī)組測(cè)試任務(wù)時(shí)，將切換柜切至配電網(wǎng)一側(cè)，通過輔助觸點(diǎn)向EMS系統(tǒng)反饋干接點(diǎn)信號(hào)，EMS系統(tǒng)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行模式，根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)削峰填谷自動(dòng)運(yùn)行，賺取電力差價(jià)；當(dāng)有發(fā)電機(jī)組測(cè)試任務(wù)時(shí)，在并網(wǎng)運(yùn)行模式下提前將儲(chǔ)能系統(tǒng)電量放出，以滿足測(cè)試需要。測(cè)試時(shí)，將切換柜切至柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)試臺(tái)一側(cè)，通過輔助觸點(diǎn)向EMS系統(tǒng)反饋干接點(diǎn)信號(hào)，EMS系統(tǒng)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試模式。測(cè)試模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)相當(dāng)于一臺(tái)功率0～1MW可調(diào)的負(fù)載，工廠通過上位機(jī)可以根據(jù)發(fā)電機(jī)組測(cè)試要求設(shè)置測(cè)試工步（充電功率曲線），實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)測(cè)試運(yùn)行，同時(shí)將發(fā)電機(jī)組測(cè)試運(yùn)行過程中發(fā)出的電力存儲(chǔ)起來，避免浪費(fèi)；測(cè)試結(jié)束后，儲(chǔ)能系統(tǒng)重新切回至并網(wǎng)運(yùn)行模式，將存儲(chǔ)的電力釋放出來，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)節(jié)約。儲(chǔ)能變流器除了雙向逆變功能以外，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)支撐電網(wǎng)，保證電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，可以提供抗短時(shí)沖擊能力、平滑供電以及儲(chǔ)能、削峰填谷等。

（1）每個(gè)機(jī)組試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架獨(dú)立測(cè)試中發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能都可以分別向電池充電。

（2）電池作為負(fù)載，可以和工廠臺(tái)架上配置的干式電阻共同承擔(dān)發(fā)電機(jī)組測(cè)試時(shí)所需負(fù)載。

（3）擬建設(shè)一個(gè)儲(chǔ)能輸電電網(wǎng)，用于存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)組在出廠試驗(yàn)過程中發(fā)出電能的存儲(chǔ)，并通過電網(wǎng)系統(tǒng)放電，供應(yīng)工廠消耗于工廠內(nèi)部的用電設(shè)備上，從而達(dá)到電能回收的目的。

（4）另外通過此電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工廠用電削峰填谷，即在發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)任務(wù)較少的時(shí)期，通過儲(chǔ)能電池在用電低谷時(shí)段充電、高峰時(shí)段放電，實(shí)現(xiàn)工廠用電費(fèi)用節(jié)約。

3 方案論證及收益分析

綜合進(jìn)行比較，發(fā)電機(jī)組電能儲(chǔ)能消納較電能直接使用更適合工廠現(xiàn)狀，使用更加方便。其經(jīng)濟(jì)效益如下：

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

（2）當(dāng)發(fā)電機(jī)組調(diào)試期間將儲(chǔ)能電池充滿電并當(dāng)天通過廠區(qū)負(fù)載放完電，此循環(huán)內(nèi)相當(dāng)于節(jié)省當(dāng)天負(fù)載消耗電費(fèi)。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)組不進(jìn)行調(diào)試工作時(shí)，當(dāng)天通過夜間谷時(shí)充滿儲(chǔ)能電池，白天工作期間廠區(qū)負(fù)載消耗完，每天一充一放，可實(shí)現(xiàn)削峰填谷，達(dá)到節(jié)省電費(fèi)的目的。

于消毒供應(yīng)室中，表現(xiàn)出繁瑣的日常工作以及較大的工作量，選擇傳統(tǒng)護(hù)理方式進(jìn)行護(hù)理干預(yù)，無法實(shí)現(xiàn)護(hù)理的細(xì)節(jié)化以及有效化，難以獲得理想護(hù)理效果。對(duì)此確定有效方法展開消毒供應(yīng)室護(hù)理工作存在顯著意義[5] 。

（4）通過對(duì)發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)過程產(chǎn)生電能的回收再利用，實(shí)現(xiàn)減少能源浪費(fèi)的目的，助力國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

4 方案設(shè)計(jì)

4.1 整體思路

設(shè)計(jì)一個(gè)500kW/2MWh-1000V步入式儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備方案，整體方案配置為500kW/2MWh，方案包括1臺(tái)500kW的儲(chǔ)能變流器和14個(gè)161.28kWh電池簇。系統(tǒng)交流側(cè)輸出初始能量不低于2MWh@380Vac。儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)形式為戶外型成套加寬集裝箱，產(chǎn)品集成化程度高，安全性能高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，有效地減少現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試及后期維護(hù)的工作量。

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

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

式中，EAC為交流側(cè)能量，EP為配置能量，ηB為電池系統(tǒng)放電轉(zhuǎn)換效率，DOD為電池系統(tǒng)放電深度，ηPCS為PCS轉(zhuǎn)換效率DC-AC，ηT為變壓器轉(zhuǎn)換效率，ΔEL為預(yù)估線纜損耗。

4.2 電池預(yù)制艙

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

電池合計(jì)配置14簇，每14簇為1個(gè)電池堆，共1堆電池經(jīng)1臺(tái)控制匯流柜匯流后接入1臺(tái)500kW的PCS（含隔離變）。電池在電池管理系統(tǒng)（BMS）的管控和保護(hù)下工作，艙內(nèi)配置工業(yè)級(jí)空調(diào)對(duì)電池進(jìn)行溫度控制，同時(shí)配置的七氟丙烷/全氟己酮消防系統(tǒng)可以對(duì)電池進(jìn)行安全防護(hù)。

4.3 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）由3層結(jié)構(gòu)組成，分別是BMU、BCU和BAU。BMU負(fù)責(zé)采集電池單元箱內(nèi)的電壓、溫度數(shù)據(jù)，BCU負(fù)責(zé)檢測(cè)電池簇的電壓、電流數(shù)據(jù)并控制各回路繼電器，同時(shí)接收BMU的采集數(shù)據(jù)，并將信息統(tǒng)一上傳至BAU，BAU負(fù)責(zé)管控所有電池簇內(nèi)的電池，并進(jìn)行電池狀態(tài)估算，同時(shí)與PCS、EMS或站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信交互。

BMS可以對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的鋰電池進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的測(cè)量和保護(hù)，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(cè)量數(shù)據(jù)，并且設(shè)計(jì)與主控制終端工藝連鎖的定值越限邏輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)。

4.4 儲(chǔ)能變流器配置與功能

儲(chǔ)能變流器直流輸入側(cè)接蓄電池組，交流輸出側(cè)直接或間接接入到交流電網(wǎng)。儲(chǔ)能變流器可以實(shí)現(xiàn)電池與電網(wǎng)間的交直流轉(zhuǎn)換，完成兩者之間的雙向能量流動(dòng)，并對(duì)蓄電池的支路進(jìn)行充、放電的控制與管理。儲(chǔ)能變流器采用模塊化設(shè)計(jì)，具有轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、控制策略優(yōu)的特點(diǎn)，靈活的配置組合方式，可有效防止多串電池組接入時(shí)發(fā)生的環(huán)流一致性等問題（圖2）。

圖2 儲(chǔ)能變流器外形圖

4.5 高壓箱

高壓箱是電池簇高壓動(dòng)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(hù)等功能。高壓箱內(nèi)集成斷路器、繼電器、熔斷器、預(yù)充控制電路、分流器、二級(jí)BMS（ESBCM）、開關(guān)電源等器件。其中二級(jí)BMS（ESBCM）具有CAN和RS-485通訊總線接口，可實(shí)現(xiàn)高壓箱與一級(jí)BMS（ESBMM）、三級(jí)BMS(ESMU)以及儲(chǔ)能變流器(PCS)之間的通訊功能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池簇的控制、保護(hù)以及數(shù)據(jù)通訊功能（圖3）。

圖3 高壓箱原理圖

4.6 消防系統(tǒng)

消防系統(tǒng)主要包括煙感、溫感、可燃?xì)怏w探測(cè)器、排氣風(fēng)機(jī)、聲光報(bào)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(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置點(diǎn)型光電感煙探測(cè)器、點(diǎn)型感溫探測(cè)器、火災(zāi)聲光警報(bào)器；在保護(hù)區(qū)門口設(shè)置手動(dòng)緊急啟停按鈕、放氣指示燈、火災(zāi)聲警報(bào)器。煙感、溫感、可燃?xì)怏w探測(cè)器均勻布置于集裝箱頂部，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集裝箱內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)。聲光報(bào)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(cè)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(nèi)的電池區(qū)域內(nèi)或通過管網(wǎng)覆蓋電池區(qū)域。消防系統(tǒng)具備自動(dòng)、手動(dòng)和機(jī)械急啟動(dòng)方式，同時(shí)可與BMS以及空調(diào)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。

消防系統(tǒng)具備有自動(dòng)、手動(dòng)以及機(jī)械急啟動(dòng)方式，消防主機(jī)可與站內(nèi)的BMS等主機(jī)通信，將系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)。如系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警，可與站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，如聯(lián)動(dòng)分勵(lì)脫扣斷電等操作。后臺(tái)的軟件可下發(fā)滅火器啟動(dòng)命令，啟動(dòng)本地的氣體滅火器。

5 風(fēng)險(xiǎn)分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果以及實(shí)際發(fā)生的案例對(duì)發(fā)電機(jī)組電能儲(chǔ)能消納進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，得出以下3點(diǎn)結(jié)果。

（1）儲(chǔ)能系統(tǒng)本體存在爆炸著火的安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)《儲(chǔ)能之聲》網(wǎng)站信息：近年來，韓國(guó)儲(chǔ)能電站發(fā)生了23次火災(zāi)事故；2021年4月16日下午，北京市集美家居大紅門的儲(chǔ)能電站發(fā)生了爆炸，造成2名消防人員死亡，1人受傷。由此可見，儲(chǔ)能電站的安全性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。

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

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

6 結(jié)語

在國(guó)家節(jié)能減排政策推動(dòng)及公司挖潛增效形勢(shì)下，發(fā)電機(jī)組出廠試驗(yàn)過程產(chǎn)生的電能儲(chǔ)能消納項(xiàng)目對(duì)公司的可持續(xù)發(fā)展和降本增效是十分有利的，項(xiàng)目建設(shè)方案是可行的，在實(shí)施過程中要確保使用可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，杜絕安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文對(duì)發(fā)電機(jī)組電能回收再利用方案進(jìn)行了研究，對(duì)電能直接利用和電能儲(chǔ)能消納方案分別進(jìn)行了論述，并且進(jìn)行了收益分析和風(fēng)險(xiǎn)分析。本文研究可為發(fā)電機(jī)組電能儲(chǔ)能消納項(xiàng)目提供一定的指導(dǎo)。