賀 軍，羅華峰，戚宣威，楊 猛，吳建洪，嵇興康

（1.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.浙江浙能長興發(fā)電有限公司，浙江 長興 313000）

0 引言

分布式電源通過為IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）提供了高效、清潔、可靠的冷電負荷，可產(chǎn)生巨大的社會、經(jīng)濟效益[1-5]。分布式發(fā)電系統(tǒng)涉及電網(wǎng)、電源、負荷以及站內(nèi)相關設備之間的協(xié)同配合，其調(diào)試工作難度較大，目前尚無成熟的經(jīng)驗可循[6-10]。

為實現(xiàn)分布式發(fā)電保護控制系統(tǒng)網(wǎng)-源-荷的協(xié)同配合與正確動作，本文開展了系統(tǒng)調(diào)試方案研究：簡要論述了分布式發(fā)電系統(tǒng)的整體結構以及控制保護模式；依據(jù)“由簡至繁、循序漸進”的原則，結合相關重點技術內(nèi)容，設計了各分系統(tǒng)和系統(tǒng)集成的調(diào)試方案；現(xiàn)場開展實際外部市電消失后的控制保護動作行為測試，結果表明在外部市電全失后，分布式發(fā)電系統(tǒng)可通過黑啟動流程在2 min 40 s內(nèi)恢復數(shù)據(jù)中心的供電和制冷。

1 分布式發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.1 整體系統(tǒng)結構

IDC對制冷和供電系統(tǒng)的可靠性要求極高，在外部市電消失后需要在5 min之內(nèi)恢復冷電供應。為實現(xiàn)上述技術指標，分布式發(fā)電系統(tǒng)涉及多個分系統(tǒng)的協(xié)同配合，主要包括：110 kV變電站、分布式電源（包括柴油發(fā)電機和內(nèi)燃機）、IDC（含UPS和站內(nèi)電源切換裝置）和站用電系統(tǒng)（含電制冷設備）等。

為確保各個分系統(tǒng)協(xié)同配合并考慮運行的可靠性，需在系統(tǒng)間采用電纜硬接線回路傳輸少量的邏輯信息，同時通過就地檢測判據(jù)和相關時序配合完成復雜的控制流程。各分系統(tǒng)的主要功能配置和系統(tǒng)間的信息交互情況如圖1所示。

圖1 分布式發(fā)電系統(tǒng)各分系統(tǒng)功能配置及交互信息

1.2 分布式電源控制系統(tǒng)架構模式

圖1所示的各分系統(tǒng)中，分布式電源的控制系統(tǒng)是實現(xiàn)總體控制保護功能的主體與核心，該系統(tǒng)采用三級集中-分布控制模式，如圖2所示。

位于監(jiān)控室的上位系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電機組的協(xié)同控制（包括黑啟動功能）與監(jiān)視，完成與站用電系統(tǒng)、IDC等其他分系統(tǒng)之間的信息交互，并將通過CAN網(wǎng)絡與各臺機組的并機柜相聯(lián)系。

在控制柜室內(nèi)，按單臺發(fā)電機分別配置了并機柜，以實現(xiàn)發(fā)電機的頻率/電壓控制和并機操作，并機柜內(nèi)還配置了發(fā)電機單體保護的裝置。此外，還按間隔配置了發(fā)電機主機并機柜和發(fā)電機母分并機柜，以控制發(fā)電機母線進線斷路器、母聯(lián)斷路器的同期合閘與分閘，同時主機并機柜還可以在獲取控制權限的情況下，同期合閘110 kV主變壓器（以下簡稱“主變”）低壓側斷路器，以實現(xiàn)與外部系統(tǒng)并網(wǎng)。

位于發(fā)電機本體附近的就地控制柜負責執(zhí)行上級并機柜下發(fā)的調(diào)頻、調(diào)壓等控制信息，并將發(fā)電機本體的轉速等相關運行數(shù)據(jù)上傳，同時可實現(xiàn)發(fā)電機本體的基礎控制保護功能，如啟停機、手動調(diào)壓/調(diào)速等。

2 系統(tǒng)調(diào)試方案及結果

2.1 總體技術路線

由于分布式發(fā)電控制系統(tǒng)涉及各分系統(tǒng)之間的協(xié)同配合，故設計了“由簡至繁、循序漸進”的分步調(diào)試方案，其總體的技術路線包括：

（1）完成發(fā)電機本體、10 kV開關柜等一次設備調(diào)試，并確保與本體相關電壓、電流、信號、控制等二次回路的正確性。

（2）完成110 kV變電站、分布式電源、IDC及站用電系統(tǒng)等分布式發(fā)電相關分系統(tǒng)的調(diào)試。

（3）開展能源站內(nèi)部黑啟動試驗，完成分布式電源與站用電系統(tǒng)之間的聯(lián)調(diào)。

（4）實際操作110 kV變電站中的110 kV進線斷路器，真實模擬IDC外部市電消失情況，以測試分布式發(fā)電系統(tǒng)的整體協(xié)同控制。

2.2 各分系統(tǒng)調(diào)試方案及結果

對于2.1部分所述的各分系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容，110 kV變電站中的控制保護功能和IDC的電源切換功能較為簡單，目前已有成熟經(jīng)驗，文中不再贅述。以下將重點介紹分布式電源控制系統(tǒng)以及涵蓋電制冷設備的站用電系統(tǒng)的調(diào)試方案及結果。

2.2.1 分布式電源控制系統(tǒng)調(diào)試

圖2所示的分布式電源控制系統(tǒng)包含三級結構，各級控制的調(diào)試內(nèi)容如表1所示。在調(diào)試過程中，重點工作是根據(jù)實際帶負荷運行情況，整定發(fā)電機頻率/電壓控制模塊的PI調(diào)節(jié)參數(shù)，該參數(shù)的設定需兼顧調(diào)節(jié)的響應速度和超調(diào)范圍，特別是在多臺機組同時運行期間，PI參數(shù)若調(diào)節(jié)不當，將會在機組之間引發(fā)功率振蕩。

為確保柴油發(fā)電機組帶冷電負荷黑啟動試驗的順利進行，在分布式電源調(diào)試期間提前開展了11臺柴油發(fā)電機組快速啟機以及帶電制冷機硬啟動試驗。11臺柴油發(fā)電機組可以在15 s以內(nèi)全部啟動且并網(wǎng)至發(fā)電機母線；2臺柴油發(fā)電機即可帶額定功率為800 kW的電制冷設備硬啟動（瞬時啟動電流為額定電流的4～5倍）。上述調(diào)試結果表明，柴油發(fā)電機組具有很快的啟動速度和較強的帶載能力，可為快速恢復負荷供電制冷提供有利條件。

表1 分布式電源控制系統(tǒng)調(diào)試方案

此外，在分布式電源控制系統(tǒng)調(diào)試期間，采用在控制柜端子排上強制二次電壓和開關位置等信號的方法，以模擬一次系統(tǒng)的不同運行方式，從而初步驗證發(fā)電機黑啟動順控流程的正確性，為后續(xù)實際黑啟動測試的成功開展奠定基礎。

2.2.2 站用電系統(tǒng)

站用電系統(tǒng)采用Rockwell PLC控制構建自動控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)站用變、電制冷、380 V開關和工藝負荷（如電動機）的控制。

如圖2所示，站用電系統(tǒng)需要與分布式電源控制系統(tǒng)完成一定的信息交互，并配合完成部分黑啟動流程。站用電系統(tǒng)的調(diào)試首先采用強制二次信號、手動觸發(fā)等方式單獨驗證站用電系統(tǒng)的清排、加載和啟動電制冷功能，以確保后續(xù)系統(tǒng)集成調(diào)試的順利進行，主要調(diào)試的站用系統(tǒng)功能及其目的包括：在進入孤島運行模式下清排站內(nèi)負荷，為柴油發(fā)電機組的空載啟動創(chuàng)造條件；在發(fā)電機母線恢復供電后，加載工藝負荷、啟動電制冷設備，恢復IDC供冷。

圖2 分布式電源控制系統(tǒng)架構

在上述調(diào)試工作中，重點是站內(nèi)電制冷設備的調(diào)試。電制冷設備具有快速啟動功能，在供電中斷后，若電壓恢復，則可自動快速啟動，以恢復制冷工作，該功能對于黑啟動后恢復IDC的供冷極為重要。為此，結合實際運行情況，專門設計、開展了電制冷快速啟動試驗，內(nèi)容包括：

（1）實際啟動10 kV站用母線的事故快切功能，以模擬電制冷設備供電閃斷情況。

（2）供電中斷后，利用柴油發(fā)電機組帶電制冷設備硬啟動，模擬黑啟動期間恢復制冷的工作流程。

結果表明，在供電中斷后64 s內(nèi)，電制冷設備可以快速重啟以恢復正常制冷。其中，對于柴油發(fā)電機帶電制冷硬啟動，調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)由于啟動電流過大，導致發(fā)電機母線電壓發(fā)生了明顯波動。電制冷設備本體帶有低壓和過壓保護功能，其定值需要躲過硬啟動期間的電壓波動，否則將造成電制冷跳機而導致快啟失敗。經(jīng)試驗，低電壓和過電壓保護的定值分別設定為90%Ue和110%Ue（Ue為額定電壓），動作延時均為3 s。在該定值下，電制冷設備可以由柴油發(fā)電機組供電順利快啟。

2.3 系統(tǒng)集成調(diào)試方案及結果

在完成各分系統(tǒng)調(diào)試以及系統(tǒng)間信號聯(lián)調(diào)的基礎上，開展集成調(diào)試，包括站內(nèi)黑啟動試驗和IDC失電試驗。

2.3.1 站內(nèi)黑啟動試驗

為確保全站失電試驗的順利開展，首先需進行站內(nèi)黑啟動試驗。在正常運行情況下，拉開發(fā)電機母線進線的10 kV開關，模擬能源站內(nèi)部設備失電，驗證發(fā)電機控制系統(tǒng)和站用電系統(tǒng)之間的協(xié)同配合。

試驗結果表明：在發(fā)電機母線進線斷開后，發(fā)電機控制系統(tǒng)可在站內(nèi)負荷清排后，快速啟動柴油發(fā)電機組，并在柴油發(fā)電機容量滿足后發(fā)送電制冷快速啟動指令；電制冷設備在斷電64 s后，恢復正常供冷。通過站內(nèi)黑啟動，可在外部站用電源失去情況下，利用柴油發(fā)電機和電制冷設備的快速啟動功能，恢復站內(nèi)負荷與IDC供冷。

2.3.2 IDC失電試驗

通過向電網(wǎng)申請，實際操作110 kV進線開關，真實模擬IDC外部電源消失情況，以測試整個分布式發(fā)電系統(tǒng)的整體協(xié)同控制。試驗內(nèi)容為：兩回110 kV進線供電情況下的單回110 kV進線供電失去試驗（包括10 kV系統(tǒng)備自投動作和不動作2種情況）、110 kV進線供電全失情況下的黑啟動試驗。

（1）單回110 kV進線失電，變電站內(nèi)10 kV備自投正確動作。

試驗前系統(tǒng)的運行方式如圖 3所示，兩回110 kV線路均處于運行情況，110 kV變電站處于“兩線帶兩變”的正常運行方式，110 kV和10 kV的分段母線的母聯(lián)開關均處于斷開位置；10 kV發(fā)電機母線通過主變受電帶站內(nèi)電制冷負荷，發(fā)電機母線的母分開關斷開，內(nèi)燃機和柴油發(fā)電機均未運行。

圖3 系統(tǒng)接線

試驗時，手動跳開1回110 kV線路，110 kV變電站內(nèi)的10 kV備自投正確動作以恢復IDC供電。各分控制系統(tǒng)的動作行為如表2所示。通過分析可見，在單回市電失去情況下，若變電站系統(tǒng)備自投正確動作，則可快速恢復IDC的冷電負荷。

表2 各分系統(tǒng)的動作結果（單回110 kV進線失電，變電站內(nèi)10 kV備自投正確動作）

（2）單回110 kV進線失電，變電站內(nèi)10 kV備自投不動作。

試驗前的運行方式與前文所述相同，將110 kV變電站內(nèi)的10 kV備自投由動作改為信號。

試驗時，手動跳開單回110 kV線路的進線開關Q2，此時變電站內(nèi)的10 kV備自投由于改信號而不動作。發(fā)電機控制系統(tǒng)通過合上發(fā)電機母線的分段開關BTB2，實現(xiàn)負荷轉供（如圖4所示），各分控制系統(tǒng)的動作行為如表3所示。通過分析可見，在單回市電失去情況下，發(fā)電機母線的母聯(lián)開關BTB2可在備自投失敗的情況下，起到負荷轉供的功能，從而恢復IDC的冷電負荷。

（3）2路110 kV線路均失電。

為模擬全站市電情況，變電站110 kV系統(tǒng)采用“一線帶兩變”的運行方式，如圖5所示。在該系統(tǒng)運行方式下，110 kV的母分開關處于合位，站內(nèi)負荷由單回110 kV進線提供，另一回進線的開關Q2處于斷開狀態(tài)。

圖4 利用發(fā)電機母線BTB2實現(xiàn)負荷轉供

表3 各分系統(tǒng)的動作結果（單回110 kV進線失電，變電站內(nèi)10 kV備自投不動作）

圖5 110 kV系統(tǒng)“一線帶兩變”運行模式

試驗時手動跳開110 kV進線開關Q1，變電站全站失電（記為0 s）。分布式能源的控制系統(tǒng)在檢測到變電站失電后，開始控制進入黑啟動程序，其試驗記錄如表4所示。在失電46.86 s后，所有柴油發(fā)電機組并至發(fā)電機母線；電制冷設備在68.92 s快速啟動成功；IDC的電負荷在155.42 s后恢復正常供應。

表4 各分系統(tǒng)的動作結果（2路110 kV線路均失電）

柴油發(fā)電機組黑啟動成功，在IDC負荷穩(wěn)定運行30 min后，恢復110 kV電源。開展發(fā)電機組同期與外部電源的并網(wǎng)試驗，試驗結果表明，在發(fā)出并網(wǎng)指令13.56 s后，柴油發(fā)電機組可同步并網(wǎng)至外部市電，并隨后正確解列，冷卻停機。

試驗結果表明，在外部市電全部失去后，通過各分系統(tǒng)之間的協(xié)同控制，可在2 min 40 s內(nèi)恢復IDC的冷熱負荷供應，該時間小于預期要求的5 min。

3 問題與討論

分布式發(fā)電系統(tǒng)控制涉及電源、電網(wǎng)、負荷以及站用電等多個系統(tǒng)之間的協(xié)同配合，其測試工作點多面廣、難度較大。在現(xiàn)場開展聯(lián)調(diào)測試工作的試驗條件和試驗時間均有限制，該工作僅能驗證各分系統(tǒng)的基本控制策略，難以全面細致地驗證邏輯細節(jié)。

對此，可考慮構建仿真測試環(huán)境來模擬分布式發(fā)電系統(tǒng)的一次電氣設備，對控制保護系統(tǒng)，特別是針對核心的發(fā)電機控制系統(tǒng)開展仿真試驗，以充分驗證控制保護邏輯的有效性和正確性。

4 結語

本文論述了分布式發(fā)電保護控制系統(tǒng)的調(diào)試方案與測試結果。為實現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)-源-荷協(xié)同配合，遵循“由簡至繁、循序漸進”的原則，設計并開展了分布式發(fā)電系統(tǒng)保護控制的調(diào)試工作：分別開展110 kV變電站、分布式電源（包括柴油發(fā)電機和內(nèi)燃機）、IDC（含UPS和站內(nèi)電源切換裝置）和站用電系統(tǒng)（含電制冷設備）等分系統(tǒng)的單獨調(diào)試；在此基礎上，分步開展分系統(tǒng)之間的集成測試；最后通過實際切除外部市電，開展黑啟動測試。結果表明，在外部市電全失后，分布式發(fā)電系統(tǒng)可在2 min 40 s內(nèi)恢復IDC的供電和制冷，從而確保IDC的穩(wěn)定可靠運行。