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康明斯离网发电站系统设计特点 |
摘要：全球目前有60万以上通信站点处于无市电或者市电不稳定的状态，很多国家和地区没有电网覆盖，随着通信行业的不断发展，尤其是在发展中国家以及众多远郊地区，如何为通信站点提供稳定的电力供应已经成为困扰运营商的主要问题。康明斯电力技术有限公司的混合能源系统是集风能发电、光伏发电、柴油发电机组、储能为一体的发电基站供电解决方案，不仅可帮助客户大幅提高供电效率、可靠性以及投资回报率，而且有助于减少对环境的影响，减少CO2排放和发电成本。
一、新能源电网概述
随着全球气候变化加剧和气候治理进程加速，“双碳”行动已成为全球关注的核心。气候变化直接影响着燃料供应、能源生产以及当前和未来能源基础设施的实际复原力，目前各发达经济体的碳中和路径均以能源转型为重点，采用多元化的政策工具，注重低碳、负碳的技术革新，其中储能微电网技术是电力系统实现“双碳”目标的关键之处。
1、微电网现状
微电网是分布式能源实现的主要技术形态，储能技术、优化控制与能量管理技术等是构建智能微电网的关键技术。储能技术作为解决微电网中能源间歇性、波动性问题的重要措施，不仅可以提高分布式能源发电利用率，还可有效保障供电可靠性，改善电能质量，提高系统稳定性。
2、柴发缺陷
地处供电网络难以覆盖或临时供电的无电地区，采用柴油发电机组（以下简称“柴油发电机组”）运行的孤网自供电方式。孤网供电下的柴油发电机组虽然解决了供电问题，但存在诸多问题：
（1）柴油发电机组运行负载率低；
（2）柴油发电机组发电效率低，单位发电油耗高；
（3）柴发电站初始投资高；
（4）多台柴油发电机组互为热备用的方式；
（5）日常运行维护费用高；
（6）供电质量相对较差；
（7）环境污染；
3、解决方案简述
为了解决孤网发电模式下柴油发电机组供电存在的上述问题，在原系统中加入储能装置组成新型的储能+柴发+新能源供电系统。加入储能系统形成的新型智能孤网储能柴发供电系统可以有效解决原孤网供电系统的各类问题，提供可靠、稳定、高质量、低成本的综合供电解决方案。其优先的循环工作顺序如下：
通常情况下设定供电优先级顺序为光伏系统、蓄电池组和柴油发电机组。
（1）在光照条件充足时，由光伏系统给负载供电，并为蓄电池组充电。
（2）当光照条件不足时，由光伏系统和蓄电池组同时为负载供电。
（3）当无光照时，由蓄电池组给负载供电。
（4）当无光照时且蓄电池组放电达到设定的放电深度时，启动柴油发电机组给负载供电，并给蓄电池组充电。若柴油发电机组未能成功启动，为保护电池不过度放电，通过控制电池开关箱关断电池输出。
（5）当蓄电池组充满或光照条件充足时，柴油发电机组停止工作，由蓄电池组给负载供电，或由光伏系统给负载及给蓄电池组充电。
风力发电系统与以上光伏发电系统工作模式类似。以上功能由混合能源管理系统中的控制单元自动检测工作状态及控制切换。
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混合能源供电系统图 |
柴发+光伏离网并网发电系统 |
二、微电网系统设计要求
康明斯电力技术有限公司一直致力于降低通信基站供电成本、能源消耗、运维成本，提高无故障在线时间和改善综合成本，康明斯电力技术有限公司的混合能源系统提供了一种可靠、环保、可扩展、高度集成、灵活便捷的通信基站供电解决方案。从专业的角度提供最紧密的集成系统部件，所有组件之间的工作都可以实现无缝衔接。以最经济化的投资提供最大的工作效率，康明斯电力技术有限公司的混合能源系统可以为基站减少高达70％费用，使得投资回报实现最佳效益。康明斯电力技术有限公司的混合能源系统可同时适用于新建和扩建的通信基站建设地域，以满足现有状况的合理应用及未来扩建的需求。采用康明斯电力技术有限公司的混合能源系统可以避免离网区域漫长等待供电网络建设，使随时随地建设通信基站成为可能。
（1）安全可靠，符合安全标准EN60950和GB 4943。
（2）完善的交、直流防雷设计，适应多雷暴地区。
（3）良好的电磁兼容性。
（4）优化的系统工作方式，降低交流配电使用，最大限度利用光伏系统。
（5）系统模块化设计。
（6）加装柴油发电机润滑油系统长维护组件，由常规250h的维保周期延长至1000h以上。
（7）优先使用可再生能源，减少柴油发电机组的开机时间，提升运行效率。
（8）优良的混合能源系统控制及能源管理系统，基于网络的远程监控系统为主动维护提供信息以及系统分析。有利于干通信基站的远程管理。
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多台柴发混合能源发电系统 |
柴发混合能源控制系统电路图 |
三、混合能源各组成部分特点
1、变频柴油发电机组的特点
（1）选用高品质发动机，动力性好、可靠性高、集成化设计，适用环境温度高达52℃以上；配备燃油启动辅助装置，在-20℃的低温时也可启动，具有良好的冷启动性能。
（2）选用高品质发电机，按国际最高质量标准设计生产，能适应恶劣环境的全H级绝缘和最佳效率设计的绕组，尤其适合于特殊场合的应用。
（3）静音箱用工程塑料镶边包角，防撞美观。
（4）控制屏外加装遮阳保护，防止控制器免受阳光直射，提高防护能力。
（5）两端有拖曳口，增加静音箱移动功能。
（6）采用全新开发的重型钢制铰链，全新定制的双保险门锁，采用螺栓隐藏设计。
（7）静音箱开门中间采用无立柱设计，便于操作人员进行发电机组维护。
（8）油箱设置检修口盖板，便于清洗油箱内部。
2、蓄电池组的特点
（1）深循环性能良好，可满足使用寿命长的要求。
（2）性能稳定可靠，减少维护更换费用。
（3）采用铅碳技术，更适用于风光发电储能。
（4）多元板栅合金及特殊的网格结构，延长电池使用寿命。
（5）自放电率低，充电接受能力强，密封反应效率高。
（6）正极铅膏中添加专用添加剂，提高充电接受能力。
（7）独特的抗板栅伸长结构，解决板栅蠕变伸长难题。
（8）室外空调柜防护等级为IP55。
3、光伏板特点
（1）优化的制绒技术。
（2）浅结高方阻技术。
（3）多层镀膜技术匹配精细的金属化技术。
（4）多晶硅电池平均效率达18.4％以上，且通过TUV双倍PID测试。
4、混合能源管理系统特点
（1）光伏输出电压的范围为DC 70V～DC 150V，光伏控制器效率高达97％。
（2）交流输入电压正常工作范围为AC 90V～AC 290V，整流模块采用软开关技术，效率最高可达95％以上。
（3）系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，跟踪效率大于99％。
（4）采用灵活的模块化方式设计，所有光伏控制器和和整流器均采用无损热插拔技术，即插即用，方便维护。
（5）完善的保护、报警功能。
（6）完善的电池管理，可实现自动均浮充转换、具有电池过放电保护功能。
（7）具有温度补偿、自动调压、电池容量计算、可设定的限流充放电、在线电池测试等功能。
（8）网络化设计，系统还可以配备GPRS DTU模块，可实现本地和远程监控，无人值守。
（9）完善的交直流防雷设计，适应多雷暴地区。
（10）超低辐射。采用先进的电磁兼容设计。
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柴发混合能源适用范围 |
柴发混合能源特点 |
四、系统配置应考虑的因素
1、混合能源系统配置参数
（1）配置考虑基站负载大小、发电机组计划每天允许运行时间，蓄电池组充电功率和放电深度（日常使用放电深度不应大于30％）等选取发电机组功率、蓄电池组种类和容量。柴油发电机组功率选择以工作时供给负载用电且以0.1C电流对蓄电池组充电所需功率，并尽可能使柴油发电机组工作在75％～80％效率最优的功率段。
（2）光伏系统功率是考虑额定光照条件下工作时供给负载用电并以不大于0.15C电流对蓄电池组充电所需功率。
（3）投资额或场地所限时可将光伏发电仅作为补充，配置功率可任意选择，能补多少发电量就补多少。
（4）表1中柴油发电机组功率、蓄电池组种类容量、光伏系统电压功率均可选配。
表1 混合能源系统配置参数表
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系统型号
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匹配负载
功率/kW
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48V蓄电池组
容量/Ah
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光伏系统
功率/kW
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柴油机发电组功率/kW
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KHPS-6
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2~6
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500~2000
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3/6/9/12/15/18/21/30/36
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6/8/10/12/15/18/22/26/30/36
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KHPS-12
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6~12
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500~2500
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KHPS-15
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12~15
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1000~3000
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KHPS-18
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15~18
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1000~3000
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KHPS-24
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18~24
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1500~4000
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KHPS-30
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24~30
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2000~5000
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2、混合能源系统主要功能
合理的设计方案不仅仅是一个安全可靠的方案、而且也是一个节省扇控制、孤岛和固定功率模式黑起动、以及不对称负载分配设计，来降低运行成本。从单台机组控制提升至整个电站控制层面，从一个指令中心点激活众多的综合控制和保护设定，系统设计包含了节点的电站功率和功率因数控制、以实际负荷百分比来决定起/停机优先权控制等。
表2 混合能源系统主要功能表
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输出特性
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直流输出电压
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DC 48V(DC 43.2~57.6V)
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直流输出电流
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90A~900A
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逆变器
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AC 220V 50Hz 500/1000W
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效率
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光伏模块
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≥97%
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整流模块
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≥93%
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逆变器
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≥92%
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电池管理功能
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电池过放保护
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一次下电及二次下电保护
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电池均浮充管理
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电池均充、浮充自动转换、定期均充
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温度补偿
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控制模块监控电池温度，系统的充电电压可按1～7mV/℃自动调节，电池温度越高，充电电压越低，电池温度越低，充电电压越高
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电池容量在线测试
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系统通过监控模块的自动控制，可实现在保障负载正常的情况下，对电池容量进行在线测试。及时了解电池的参考容量
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自动控
制功能
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保护功能
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过电压、过电流、欠电压、短路、过温自动保护功能，蓄电池组接反保护，防反充电保护
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电池自动充电功能
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浮充＋均充，参数可设定
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监控内容
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太阳能发电情况，电网发电情况，蓄电池组充放电情况，母线电压情况
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负载用电情况，室内外环境参数测量，蓄电池组温度测量，系统故障告警记录
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系统当前数据显示，系统历史数据记录查询
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设置功能
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系统参数设置、系统状态设置、系统操作设置
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扩展控制功能
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备用油机控制，告警干接点信号输出，TCP／IP、RS232／485多种通信接口，多级负载上电/切断控制
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其他参数
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系统防雷
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每路输入端：防雷器模块，最大放电电流为40kA，直流输出端：浪涌保护器，最大放电电流为15kA
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使用环境温度
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-20℃~+55℃
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使用海拔
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≤3000m
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总结：
除了上述混合能源系统特点和功能之外，我们还应该了解不同的混合能源的特点。例如：光柴储是多能互补微电网，其通常包含多种类型的分布式电源且具有多重设计功能的微电网系统，属于分散式供电；当中的柴、储属于不同源测之间的组网运行，属于不同的两种产品，各自发挥功能。“柴储”混动是简单微电网，在传统柴油发电机组的基础上进行升级，优化储能单元和柴发单元的工作方式，对瞬时功率波动进行快速响应并支撑微电网系统频率，同时提升柴发的效率，使得柴油机组始终保持在最佳运行状态下，减少柴油机组的损耗，降低燃油费用，可以实现用户定制。
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