羅華峰，戚宣威，汪冬輝，王 松，陸承宇，張淦鋒

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

近年來(lái)，分布式發(fā)電技術(shù)在世界各國(guó)得到快速發(fā)展。分布式發(fā)電技術(shù)以其清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效、供電可靠、運(yùn)行靈活的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前燃煤發(fā)電廠的建設(shè)放緩的背景下，不斷釋放出生機(jī)和動(dòng)力，使得分布式新能源電廠的建設(shè)進(jìn)入迅猛增長(zhǎng)期[1-3]。

同時(shí)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等通信業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長(zhǎng)，通信服務(wù)商或互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)急需建設(shè)大批IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）用于業(yè)務(wù)擴(kuò)張。IDC以機(jī)架式數(shù)據(jù)服務(wù)器作為主要負(fù)載，需要消耗大量的電負(fù)荷和冷負(fù)荷，而且對(duì)供電和供冷的可靠性供應(yīng)要求相當(dāng)高。因此，當(dāng)前有許多作為IDC配套建設(shè)的分布式新能源電廠相繼出現(xiàn)，它們依托靈活的分布式發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷電聯(lián)供，以極短的電氣距離為IDC供能[4-6]。

分布式新能源電廠往往機(jī)組數(shù)量多、單機(jī)組出力較小、機(jī)組啟停機(jī)速度快，出線的電壓等級(jí)遠(yuǎn)低于一般的火電廠，因此對(duì)這類(lèi)電廠的繼電保護(hù)配置和控制策略設(shè)定不同于大型火電廠。

本文以浙江地區(qū)某采用分布式發(fā)電的IDC工程建設(shè)為依托，開(kāi)展分布式新能源電廠電源側(cè)的保護(hù)與控制策略研究。本文介紹了電源側(cè)（即能源站）的控制系統(tǒng)配置情況，從控制系統(tǒng)的目標(biāo)和策略、能源站孤島檢測(cè)策略、柴油發(fā)電機(jī)群控策略等多方面分析了現(xiàn)有保護(hù)和控制配置方案的技術(shù)細(xì)節(jié)，并針對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試中出現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了探討，提出了相關(guān)技術(shù)和管理方面的改進(jìn)建議。

1 系統(tǒng)概況

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電氣系統(tǒng)由110 kV變電站、能源站及數(shù)據(jù)中心三部分組成。能源站與110 kV變電站之間通過(guò)兩回10 kV封閉母線進(jìn)行電氣聯(lián)系，而數(shù)據(jù)中心的電負(fù)荷掛載于110 kV變電站的10 kV母線上。分布式發(fā)電系統(tǒng)的電氣主接線如圖1所示。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)電氣主接線

1.2 發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)介紹

發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采用法國(guó)CRE公司生產(chǎn)的GENSYS 2.0系列發(fā)電機(jī)組控制模塊，具有集成功能模塊豐富、高度可編程、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，控制模塊支持冗余配置且具備開(kāi)關(guān)同期控制功能，不需要額外配置同期裝置。

系統(tǒng)采用三級(jí)控制模式，分別在就地控制柜、并機(jī)柜和上位機(jī)監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視和控制。正常運(yùn)行時(shí)，用戶在上位機(jī)監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有機(jī)組的監(jiān)視和控制；而在單機(jī)試驗(yàn)或檢修時(shí)，允許運(yùn)行或檢修人員在并機(jī)柜或就地控制柜上進(jìn)行操作。

針對(duì)每一臺(tái)機(jī)組，均在控制柜室設(shè)置有相應(yīng)的并機(jī)柜。柜內(nèi)安裝有獨(dú)立的GENSYS模塊，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組的調(diào)速、調(diào)壓、同期等控制。GENSYS模塊通過(guò)RS485串口與PLC-1200可編程邏輯控制器、HMI（人機(jī)接口界面）通訊，實(shí)現(xiàn)自定義編程和可視化、圖像化的人機(jī)交互，如圖2所示。而在站控層層面設(shè)有主備模式的主控柜1、主控柜2和母聯(lián)控制柜。主控柜內(nèi)均安裝有2個(gè)獨(dú)立的GENSYS模塊，互為備用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有機(jī)組的集群控制，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)MB1、MB2、TB12、TB22（編碼如圖1所示）等開(kāi)關(guān)的分合控制。

圖2 并機(jī)柜內(nèi)控制系統(tǒng)布置

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控后臺(tái)對(duì)所有機(jī)組及系統(tǒng)相關(guān)開(kāi)關(guān)的控制，構(gòu)建了CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線網(wǎng)絡(luò)和基于TCP/IP的以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的通信拓?fù)鋱D如圖3所示?？梢钥吹剑骺毓駜?nèi)的GENSYS模塊通過(guò)CAN總線與各并機(jī)柜內(nèi)的GENSYS模塊互連，實(shí)現(xiàn)多機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)以及功率均分等集群控制策略；各并機(jī)柜內(nèi)的PLC模塊和HMI模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器相連，滿足遠(yuǎn)端操作員站的監(jiān)視和控制需求。

1.3 系統(tǒng)控制目標(biāo)和策略

工程中能源站緊挨著IDC建設(shè)，所產(chǎn)生的能量就地消納、滿足數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷需求是能源站控制策略制定的首要目標(biāo)，此外還需滿足能源站內(nèi)制冷、低壓配電、輔助設(shè)備等各類(lèi)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。因此，能源站發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)可從以下幾方面闡述。

1.3.1 滿足數(shù)據(jù)中心運(yùn)行需求

數(shù)據(jù)中心需要消納大量的電量和冷量，且對(duì)電和冷的供應(yīng)可靠性要求極高。根據(jù)可研分析和工程設(shè)計(jì)，由110 kV變電站來(lái)保障數(shù)據(jù)中心的供電可靠性，由能源站的溴化鋰機(jī)組和電制冷機(jī)組來(lái)保障數(shù)據(jù)中心的供冷可靠性。當(dāng)然，上述考慮的是正常運(yùn)行方式（本文所述的正常運(yùn)行方式是指110 kV變電站兩條110 kV線路、能源站和110 kV變電站之間的聯(lián)絡(luò)線均在運(yùn)行態(tài)）下的供需情況，數(shù)據(jù)中心實(shí)際使用方對(duì)特定運(yùn)行方式或故障情況下系統(tǒng)供能的可靠性也提出了很高的要求，包括：

（1）正常運(yùn)行方式下能源站的控制目標(biāo)是實(shí)時(shí)滿足數(shù)據(jù)中心的冷量需求，采用“以冷定電”的控制策略。正常運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)中心可從電網(wǎng)系統(tǒng)取得可靠穩(wěn)定的電力供應(yīng)，因此在能源站側(cè)，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)利用溴化鋰制冷和電制冷制冷重點(diǎn)需要滿足能源站的冷量需求。根據(jù)冷量需求調(diào)整發(fā)電機(jī)組的出力，所產(chǎn)生的出力沒(méi)有轉(zhuǎn)化為冷量的部分由電制冷和站內(nèi)負(fù)荷消納。

（2）當(dāng)某條110 kV線路故障或檢修時(shí)，數(shù)據(jù)中心認(rèn)為僅由外部電網(wǎng)單條110 kV線路供電，數(shù)據(jù)中心的供電可靠性是不夠的，需要能源站發(fā)電控制系統(tǒng)及時(shí)投入更多的發(fā)電機(jī)組用于產(chǎn)生足夠的備用容量。這種情況下，能源站的控制目標(biāo)是滿足數(shù)據(jù)中心供電和供冷的全方位需求，采用使得數(shù)據(jù)中心與運(yùn)行的單條110 kV線路之間的潮流交互為零或接近零的控制策略。

（3）當(dāng)兩回110 kV線路均故障時(shí)，能源站和數(shù)據(jù)中心與外部大電網(wǎng)完全隔離，形成孤島模式。此時(shí)，能源站的控制目標(biāo)是盡可能快的完成黑啟動(dòng)，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電和供冷。根據(jù)數(shù)據(jù)中心UPS（不間斷電源）容量和蓄冷水罐能夠支撐的時(shí)間，設(shè)定具體控制目標(biāo)為自外部?jī)苫?10 kV線路均跳開(kāi)時(shí)起，3 min內(nèi)恢復(fù)對(duì)數(shù)據(jù)中心的供電，5 min內(nèi)恢復(fù)對(duì)數(shù)據(jù)中心的供冷。

1.3.2 滿足能源站內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠

能源站內(nèi)發(fā)電機(jī)組包括天然氣發(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組。其中燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組作為主力發(fā)電設(shè)備，但可調(diào)節(jié)能力較差，負(fù)荷突增、突減都可能會(huì)造成機(jī)組停機(jī)，如若機(jī)組故障停機(jī)，則機(jī)組重啟時(shí)間較長(zhǎng)，勢(shì)必影響供電可靠性。柴油發(fā)電機(jī)組是作為能源站和數(shù)據(jù)中心的備用電源存在的，采用電噴啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)間極短，可在較短時(shí)間內(nèi)完成11臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)的同步并網(wǎng)。因此，當(dāng)系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式、單路市電失去和雙路市電失去幾種運(yùn)行方式之間切換時(shí)，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的主動(dòng)隔離或主動(dòng)并網(wǎng)策略需要根據(jù)實(shí)際需要按場(chǎng)景制定，控制目標(biāo)是不讓燃?xì)鈾C(jī)組故障停機(jī)且柴油發(fā)電機(jī)組能夠盡快并機(jī)增加系統(tǒng)的備用容量。

圖3 控制系統(tǒng)通信拓?fù)?/p>

另一方面如1.1部分所述，電制冷作為能源站內(nèi)的重要負(fù)荷，是為數(shù)據(jù)中心提供冷量的重要設(shè)備。電制冷設(shè)備啟動(dòng)時(shí)對(duì)能源站發(fā)電組影響較大，經(jīng)試驗(yàn)單臺(tái)電制冷啟動(dòng)電流能夠達(dá)到額定運(yùn)行電流的4~5倍。如果發(fā)電機(jī)組容量不夠，電制冷設(shè)備啟動(dòng)時(shí)會(huì)大幅度拉低發(fā)電機(jī)母線的電壓，可能觸發(fā)電制冷設(shè)備本身的低電壓保護(hù)造成設(shè)備啟動(dòng)不成功。經(jīng)試驗(yàn)，至少有4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)同時(shí)并機(jī)發(fā)電時(shí)，能夠支撐單臺(tái)電制冷設(shè)備的正常啟動(dòng)。同時(shí)電制冷設(shè)備的啟動(dòng)工藝復(fù)雜，啟動(dòng)流程搭建于由Rockwell PLC控制構(gòu)建的自動(dòng)控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“PLC控制系統(tǒng)”），因此發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)之間還需建立問(wèn)詢(xún)機(jī)制。特別是在能源站孤島模型下運(yùn)行時(shí)，PLC控制系統(tǒng)若想啟動(dòng)某臺(tái)電制冷設(shè)備，應(yīng)先問(wèn)詢(xún)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)儲(chǔ)備容量是否足夠，只有接收到發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的“允許啟動(dòng)電制冷”信號(hào)后才能觸發(fā)電制冷的啟動(dòng)流程。所以，對(duì)于能源站內(nèi)電制冷設(shè)備的控制策略是僅當(dāng)發(fā)電機(jī)組儲(chǔ)備容量足夠、且發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)之間通信交互正常情況下允許啟動(dòng)，當(dāng)然在PLC控制系統(tǒng)中還有根據(jù)冷量需求設(shè)定的電制冷設(shè)備增、減機(jī)控制邏輯。

2 孤島檢測(cè)策略

能源站作為電網(wǎng)大系統(tǒng)的一個(gè)電源點(diǎn)，通過(guò)110 kV變電站與電網(wǎng)網(wǎng)架相連，兩者之間有潮流交互時(shí)稱(chēng)為并網(wǎng)模式，與電網(wǎng)沒(méi)有潮流交互、能源站僅為電廠自身和數(shù)據(jù)中心供能時(shí)稱(chēng)為孤島模式。

孤島檢測(cè)問(wèn)題是分布式發(fā)電控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。孤島運(yùn)行可分為計(jì)劃孤島運(yùn)行和非計(jì)劃孤島運(yùn)行。如110 kV變電站按計(jì)劃?rùn)z修，則可通過(guò)運(yùn)行操作使能源站與數(shù)據(jù)中心按計(jì)劃進(jìn)入孤島穩(wěn)定運(yùn)行，相應(yīng)提高了數(shù)據(jù)中心的供電可靠性。但事實(shí)上，更易出現(xiàn)的是非計(jì)劃孤島運(yùn)行情況，如外部電網(wǎng)發(fā)生故障造成的孤島運(yùn)行。非計(jì)劃孤島需要能源站發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并按控制策略做出響應(yīng)，否則可能造成能源站全站失穩(wěn)，從而失去對(duì)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急響應(yīng)能力。因此，具備完善的孤島檢測(cè)策略對(duì)于提升能源站和數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行非常重要。

針對(duì)孤島檢測(cè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了十多種孤島檢測(cè)方法，各自均有優(yōu)缺點(diǎn)。目前孤島檢測(cè)方法可分為電網(wǎng)端和電源端兩大類(lèi)檢測(cè)法[7-10]。結(jié)合工程配置和控制策略設(shè)計(jì)，本文使用如下孤島檢測(cè)方法。

2.1 電網(wǎng)端的檢測(cè)法

電網(wǎng)端的檢測(cè)法（也稱(chēng)遠(yuǎn)程檢測(cè)法或外部法）是指在電網(wǎng)側(cè)檢測(cè)斷路器的開(kāi)斷情況，將斷路器開(kāi)斷情況通過(guò)無(wú)線通信或其他通信方式發(fā)送給電源側(cè)控制系統(tǒng)，如電網(wǎng)斷電時(shí)將孤島信號(hào)發(fā)送給電源側(cè)控制系統(tǒng)使其進(jìn)去孤島運(yùn)行模式。這種方式判斷結(jié)果比較可靠，但是需要添加通信設(shè)備，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)要求比較高。

工程中未設(shè)置上述常規(guī)的電網(wǎng)端檢測(cè)方法，但是在110 kV變電站配置的故障解列裝置、110 kV備自投和10 kV備自投這些保護(hù)均會(huì)聯(lián)跳能源站與110 kV變電站之間的兩回聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)TB12和TB22，使能源站進(jìn)入孤島運(yùn)行。能源站發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到兩回聯(lián)絡(luò)線均跳開(kāi)，可判斷出自身已經(jīng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，進(jìn)而進(jìn)入黑啟動(dòng)等固定流程。因此，雖然110 kV變電站配置的這些保護(hù)裝置是出于保護(hù)電網(wǎng)自身設(shè)備的角度進(jìn)行整定的，但也間接上輔助了能源站發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。

2.2 電源端的檢測(cè)法

電源端的孤島檢測(cè)方法是依靠發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)所采電氣量和開(kāi)關(guān)量等信息，依靠控制系統(tǒng)自身來(lái)判斷是否進(jìn)入孤島狀態(tài)，不需要增加額外的設(shè)備，一般是通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出端電壓的幅值和頻率來(lái)判斷的，可分為被動(dòng)法和主動(dòng)法。

工程所采用的法國(guó)CRE公司的發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)具備兩種被動(dòng)式孤島檢測(cè)方法，分別是電壓/頻率檢測(cè)法和電壓相位突變檢測(cè)法，所監(jiān)測(cè)的電壓點(diǎn)是110 kV變電站MB1，MB2開(kāi)關(guān)上端頭的電壓。

（1）電壓/頻率檢測(cè)法。電壓/頻率檢測(cè)法也稱(chēng)為過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻檢測(cè)法，它是通過(guò)監(jiān)測(cè)PCC（公共耦合點(diǎn)）的電壓核頻率來(lái)判斷并網(wǎng)系統(tǒng)是否出現(xiàn)孤島狀態(tài)。因?yàn)槿绻獠侩娋W(wǎng)發(fā)生故障，與電源側(cè)失去電氣聯(lián)系，那么公共耦合點(diǎn)的電壓和頻率勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化。事實(shí)上，這種檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn)手段也非常簡(jiǎn)單。主控柜1和主控柜2分別接入了MB1開(kāi)關(guān)及MB2開(kāi)關(guān)上端頭的電壓采樣，依靠GEMSYS 2.0控制模塊中可配的過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)頻保護(hù)和欠頻保護(hù)，通過(guò)設(shè)定正常運(yùn)行閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)孤島狀態(tài)的判斷和檢測(cè)。

該方法實(shí)現(xiàn)原理簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，是比較常用的檢測(cè)方法。但是當(dāng)電網(wǎng)與能源站的交互潮流比較少時(shí)，電網(wǎng)斷電后PCC點(diǎn)的電壓和頻率的變化波動(dòng)可能很小，變化量不足以啟動(dòng)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的相應(yīng)保護(hù)，就可能造成孤島檢測(cè)失敗。

（2）電壓相位突變檢測(cè)法。電壓相位突變檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)定發(fā)電組電源輸出電流與PCC點(diǎn)電壓之間的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)孤島的檢測(cè)。電源側(cè)一般具備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，作為電流源輸出的電流為頻率和相位不變的正弦波，因此當(dāng)外部電網(wǎng)斷開(kāi)后，對(duì)于非純阻性負(fù)載，PCC點(diǎn)的電壓相位發(fā)生突變，從而可幫助檢測(cè)出孤島狀態(tài)。

2.3 多種孤島檢測(cè)方法的時(shí)序配合

在電網(wǎng)端和電源端都有相應(yīng)的保護(hù)和控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)。事實(shí)上電網(wǎng)端的保護(hù)裝置之所以來(lái)聯(lián)跳能源站與用戶變之間的聯(lián)絡(luò)線，一方面是為了盡快隔離開(kāi)電源點(diǎn)，以避免故障點(diǎn)在電源側(cè)，故障發(fā)生后沒(méi)有及時(shí)將故障點(diǎn)隔離開(kāi)；另一方面也是保護(hù)功能的需求，如10 kV備自投，若不跳開(kāi)聯(lián)絡(luò)線，則能源站側(cè)電源仍對(duì)用戶變10 kV母線供電，備自投無(wú)法正確動(dòng)作。

對(duì)于能源站而言，與其被動(dòng)式地被對(duì)側(cè)用戶變內(nèi)的保護(hù)裝置跳閘隔離形成孤島狀態(tài)，不如主動(dòng)式監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)比電網(wǎng)側(cè)更靈敏的孤島檢測(cè)。如此，能源站發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)能夠主動(dòng)做出相應(yīng)對(duì)策，如快速啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)提高備用容量、快速能源站內(nèi)清排等，從而保證能源站系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了滿足電源側(cè)孤島檢測(cè)更加靈敏的需求，做了以下處理：

（1）通過(guò)時(shí)序配合達(dá)到靈敏度區(qū)分。表1羅列了涉及到能夠跳開(kāi)能源站與用戶變之間聯(lián)絡(luò)線的電網(wǎng)側(cè)及電源側(cè)保護(hù)和控制裝置的時(shí)序設(shè)定。可以看到，能源站發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)是無(wú)延時(shí)的，先于電網(wǎng)側(cè)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，以期望更靈敏地更主動(dòng)地進(jìn)入孤島狀態(tài)。

表1 各裝置整定時(shí)間時(shí)序

（2）通過(guò)定值設(shè)定達(dá)到可靠性區(qū)分。本文2.2節(jié)中所述的電壓/頻率檢測(cè)法實(shí)際使用的就是GENSYS控制系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)/欠壓和過(guò)/欠頻保護(hù)模塊，保護(hù)原理同本文110 kV變電站使用的故障解列裝置類(lèi)似。本文中的故障解列裝置根據(jù)整定單投入了低頻解列和低壓解列，因此只需在發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中將欠壓保護(hù)和欠頻保護(hù)的定值設(shè)定地比故障解列裝置的定值略高。如此在系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)或故障跳閘時(shí)，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)先于故障解列裝置動(dòng)作，達(dá)到先于電網(wǎng)側(cè)動(dòng)作的目的。

3 柴發(fā)群控策略

發(fā)電機(jī)A/B段母線上共掛有11臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，型號(hào)均相同。柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組作為能源站和數(shù)據(jù)中心的備用電源，最主要的作用是在能源站和數(shù)據(jù)中心失去外部市電時(shí)及時(shí)自啟動(dòng)且并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上，滿足能源站和數(shù)據(jù)中心的用電需求[11-12]。

3.1 啟動(dòng)策略

為了給能源站和數(shù)據(jù)中心提供供電質(zhì)量較高的備用電源，盡快完成所有柴發(fā)的啟動(dòng)和并機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)遵循以下策略：

（1）同步下發(fā)啟機(jī)和并機(jī)指令。當(dāng)外部市電失去使得能源站進(jìn)入孤島允許模式或其他觸發(fā)條件滿足時(shí)，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)向11臺(tái)柴發(fā)同時(shí)觸發(fā)“啟機(jī)”指令，11臺(tái)柴發(fā)進(jìn)入啟機(jī)流程。此時(shí)無(wú)論哪臺(tái)柴發(fā)事先達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)可先行通過(guò)“無(wú)壓合”并機(jī)開(kāi)關(guān)的方式并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上，后續(xù)柴發(fā)相繼通過(guò)“同期合”并機(jī)開(kāi)關(guān)的方式逐步并機(jī)至發(fā)電機(jī)母線。如此，完成11臺(tái)柴發(fā)的啟動(dòng)和并機(jī)。經(jīng)試驗(yàn)，首臺(tái)柴發(fā)并機(jī)成功大約需要15 s，包含柴發(fā)本體啟動(dòng)的時(shí)間以及發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到柴發(fā)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的裕度時(shí)間；而11臺(tái)柴發(fā)完成全部并機(jī)大約需要50 s時(shí)間，主要受每臺(tái)柴發(fā)并機(jī)時(shí)為滿足并機(jī)開(kāi)關(guān)“同期合”條件，發(fā)電機(jī)母線電壓和柴發(fā)機(jī)端電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間的影響。

（2）所有柴發(fā)直接啟動(dòng)至額定運(yùn)行態(tài)。在非試驗(yàn)或檢修情況下，柴油發(fā)電機(jī)控制權(quán)交由發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)端控制。為了盡快完成所有柴發(fā)的并機(jī)，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)在啟動(dòng)所有柴發(fā)時(shí)，令其均啟動(dòng)至額定運(yùn)行態(tài)（如機(jī)端電壓10 kV,轉(zhuǎn)速2 000 r/min，頻率50 Hz），即所有柴發(fā)的目標(biāo)態(tài)都是一致的，這樣更容易滿足并機(jī)開(kāi)關(guān)“同期合”條件，有利于減少并機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)母線電壓和柴發(fā)機(jī)端電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整的時(shí)間。

3.2 功率均分策略

當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)組為能源站和數(shù)據(jù)中心供能時(shí)，為了所有機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)使用功率均分策略控制所有柴發(fā)的出力，即根據(jù)系統(tǒng)中有功和無(wú)功的需求，11臺(tái)柴發(fā)均勻分配有功和無(wú)功出力。主要通過(guò)主控柜和單機(jī)GENSYS模塊中PID控制參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

3.3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式和增減機(jī)策略

工程中使用的卡特彼勒3516B型柴油發(fā)電機(jī)單機(jī)出力均是2 000 kW，因此當(dāng)11臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)均并機(jī)到發(fā)電機(jī)母線上時(shí)，系統(tǒng)儲(chǔ)備功率可達(dá)到22 000 kW。

由于啟用柴發(fā)針對(duì)的是能源站孤島運(yùn)行模式或單路市電失去的運(yùn)行情況，用戶側(cè)及能源站內(nèi)一般僅保留必要的負(fù)荷，對(duì)出力需求沒(méi)有那么大，此時(shí)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)可考慮進(jìn)入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，即通過(guò)增減機(jī)策略使得并機(jī)的柴發(fā)臺(tái)數(shù)根據(jù)用戶負(fù)荷需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，當(dāng)儲(chǔ)備可用功率高于“減機(jī)值”時(shí)可考慮減機(jī)，當(dāng)儲(chǔ)備可用功率低于“增機(jī)值”時(shí)可考慮增機(jī)。系統(tǒng)進(jìn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式及增減機(jī)控制流程圖如圖4所示。

4 問(wèn)題與討論

本文所述的發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)相關(guān)控制策略雖在工程調(diào)試中得到了驗(yàn)證，滿足工程運(yùn)行需求，但是仍有部分策略值得商榷和進(jìn)一步討論優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

圖4 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式及增減機(jī)流程

（1）電源端孤島檢測(cè)的可靠性和靈敏性。如本文2.2節(jié)所述，能源站側(cè)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)采用電壓/頻率檢測(cè)法和相位突變檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)孤島檢測(cè)，實(shí)際是利用GENSYS控制模塊的保護(hù)功能模塊實(shí)現(xiàn)的。能源站為了先于電網(wǎng)側(cè)相應(yīng)保護(hù)判出和實(shí)現(xiàn)孤島隔離，將發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中的保護(hù)定值設(shè)置地比電網(wǎng)側(cè)相應(yīng)保護(hù)靈敏。另一方面，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)認(rèn)為只有通過(guò)自己的控制實(shí)現(xiàn)孤島隔離，才能在外部市電恢復(fù)時(shí)主動(dòng)恢復(fù)；如若是電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)造成的孤島模式，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)拒絕主動(dòng)恢復(fù)外部市電供電，只能由運(yùn)行人員手動(dòng)操作恢復(fù)正常運(yùn)行模式。過(guò)度靈敏會(huì)造成能源站機(jī)組的頻繁啟停，影響設(shè)備壽命；可靠性得不到保障會(huì)造成嚴(yán)重的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于數(shù)據(jù)中心而言，供能得不到有效保障。因此，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)中保護(hù)功能的定值設(shè)定需要深究，應(yīng)充分兼顧可靠性和靈敏性。

（2）柴發(fā)群控策略中PID（比例-積分-微分）參數(shù)的設(shè)置。工程中發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)為了盡快實(shí)現(xiàn)柴發(fā)的啟機(jī)和并機(jī)，在群控時(shí)放棄了機(jī)組控制中常用的下垂特性，且將PID參數(shù)中的P值設(shè)定的較大，這會(huì)造成機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時(shí)在機(jī)組間存在無(wú)功環(huán)流，且存在無(wú)功震蕩現(xiàn)象。但若P值設(shè)定的過(guò)小，會(huì)拉長(zhǎng)機(jī)組電壓和轉(zhuǎn)速調(diào)整的時(shí)間，損失啟機(jī)和并機(jī)的時(shí)間。因此，應(yīng)充分試驗(yàn)調(diào)整PID參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定和快速的要求。

（3）增減機(jī)策略中“增機(jī)值”和“減機(jī)值”的設(shè)定。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)若經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式中“增機(jī)值”和“減機(jī)值”設(shè)置不妥，會(huì)造成機(jī)組增減機(jī)振蕩的情況。如系統(tǒng)滿足減機(jī)條件，完成減機(jī)后系統(tǒng)又滿足了增機(jī)條件，如此在增機(jī)、減機(jī)之間循環(huán)，這樣的情況是不允許的。同時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)本身就是作為備用電源啟動(dòng)的，為了滿足系統(tǒng)在孤島模式的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可以不考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式。因此，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式和增減機(jī)上可做進(jìn)一步優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以浙江地區(qū)某采用分布式發(fā)電的IDC工程項(xiàng)目為依托，開(kāi)展分布式新能源電廠電源側(cè)的保護(hù)與控制策略研究。首先簡(jiǎn)要介紹了項(xiàng)目所使用的發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)，探討了發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)總體控制目標(biāo)和策略，重點(diǎn)討論了孤島檢測(cè)策略和柴發(fā)控制策略，并指出了項(xiàng)目中有關(guān)控制策略方面仍舊存在的問(wèn)題和相應(yīng)的優(yōu)化意見(jiàn)；然后，針對(duì)電源側(cè)的保護(hù)控制開(kāi)展研究，提出了電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)應(yīng)緊密結(jié)合策略，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的可靠控制，滿足了網(wǎng)-源-荷協(xié)調(diào)配合要求。