新聞主題	變頻柴油發(fā)電機組能源系統的優(yōu)點(diǎn)

 

混合能源系統中的柴油發(fā)電機組，主要作為備用電源，用于在可再生能源利用條件受限時(shí)才啟動(dòng)發(fā)電，可選用傳統定速柴油發(fā)電機組，也可采用變頻柴油發(fā)電機組。傳統的普通柴油發(fā)電機組因其自身的局限性，如通信行業(yè)的應用正被采用變頻柴油發(fā)電機組的新型混合能源供電產(chǎn)品所替代。

 

一、傳統柴油機淘汰的原因

 

1、電信基站多地處于偏遠、交通不便利，市電電網(wǎng)覆蓋不到的地方，只能采用獨立電源供電系統來(lái)保障基站用電設備的不間斷供電需求。傳統供電方式為普通柴油發(fā)電機組長(cháng)期運行和后備鉛酸蓄電池組來(lái)提供基站設備的用電，這就要求柴油發(fā)電機組具備運行的高可靠性和長(cháng)壽命及大容量的電池系統。由于柴油發(fā)電機的長(cháng)期連續運行必然導致發(fā)電機組的老化，故障率上升，大修周期變短，從而大幅度降低了發(fā)電機組的使用壽命及供電的可靠性，增加了用戶(hù)的運行維護成本。同時(shí)，由于普通鉛酸蓄電池組的老化，更換不及時(shí)，導致基站供電的不可靠性。給用戶(hù)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟損失。

2、電信移動(dòng)基站負載設備的特性決定了普通柴油發(fā)電機組將處于長(cháng)期低載運行工況。電信移動(dòng)基站的主要用電設備均為48V直流用電設備，而交流用電設備僅為空調，且為交流單相負載，在啟動(dòng)的瞬間具有較大的沖擊電流，屬于單相沖擊性負載。這就要求普通柴油發(fā)電機組具備更大的功率以滿(mǎn)足空調設備的啟動(dòng)需求，當空調正常運轉后，發(fā)電機組所帶負載急劇下降，使得發(fā)電機組處于長(cháng)期低載運行狀況，同時(shí)造成發(fā)電機組三相負載的極度不均衡。從而降低了柴油發(fā)電機組的使用壽命，縮短了柴油機的大修周期。

3、石油能源價(jià)格的上漲提高了用戶(hù)的使用成本。而柴油發(fā)電機組又處于長(cháng)期低負載連續運行狀態(tài)，燃油消耗率高。此外機油的價(jià)格也不斷攀升，也增加了用戶(hù)的使用成本。而發(fā)電機組處于長(cháng)行工況，維護周期短（基本上每250h進(jìn)行一次正常的保養），這也直接增加了用戶(hù)的使用成本。

變頻直流發(fā)電機組，采用現代變頻技術(shù)，永磁發(fā)電機技術(shù)和智能控制技術(shù)，從根本上改變傳統柴油發(fā)電機組運行模式，在發(fā)電效率得到很大提高的同時(shí)，有效地降低油耗，減少污染物的排放。

新型混合能源供電系統由變頻直流發(fā)電機組，風(fēng)能或太陽(yáng)能，混合能源控制器，鋰電池和DC-DC轉換器等組成，如圖1所示。永磁發(fā)電和新型能源通過(guò)混合能源控制器管理控制，DC-DC轉換器控制完成發(fā)電系統和鋰電池的充放電。由于變頻直流發(fā)電機組輸出直流，所以混合能源控制器設計簡(jiǎn)單、成本低，而且可以同時(shí)設置幾個(gè)模式；柴油發(fā)發(fā)電機組、太陽(yáng)能與蓄電池；柴油發(fā)電機組、風(fēng)能與蓄電池等。

 

圖1 變頻混合能源供電系統框圖

 

 

二、變頻直流發(fā)電機組優(yōu)點(diǎn)

 

變頻柴油發(fā)電機組包括發(fā)動(dòng)機、多極永磁發(fā)電機、電源轉換系統和控制模塊。能根據負載功率的變化自動(dòng)調整發(fā)動(dòng)機的轉速，從而調節發(fā)電機的輸出頻率和功率，使發(fā)電機組始終工作在最節能的狀態(tài)。變頻發(fā)動(dòng)機將機械動(dòng)力轉換為可變頻率和可變電壓的電源，經(jīng)過(guò)電源轉換系統（開(kāi)關(guān)電源整流環(huán)節）輸出穩定的恒壓直流電，即使在非線(xiàn)性負載和不平衡負載的情況下，也能輸出持續、穩定、不間斷的電源。配用轉速可調發(fā)動(dòng)機后輸出功率可調，工作轉速為1200～3000r/min，與負載可實(shí)現最佳匹配，功率輸出與轉速相關(guān)，避免發(fā)動(dòng)機因工作在低負載區而造成的積炭等損害，同時(shí)沒(méi)有勵磁繞組、軸承等可靠性也大幅提高。采用變頻直流柴油發(fā)電機組具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、降低燃油消耗率

通過(guò)閉環(huán)控制，使滿(mǎn)負載時(shí)柴油機處于額定最高轉速；負載減少時(shí)，柴油機自動(dòng)降低轉速，確保柴油機的轉速始終與負載的大小維持同步從而達到降低燃油耗的目的。理論上，柴油機的轉速區間越大，節油越明顯。其節油量的模型為

［滿(mǎn)載（額定高速）×運行時(shí)間＋低載（額定低速）×運行時(shí)間］-［滿(mǎn)載（額定恒速）×

運行時(shí)間＋低載（額定恒速）×運行時(shí)間］

2、提高柴油機的輸出功率

采用高速柴油機，使油耗比中速柴油機明顯的降低，同時(shí)柴油機的功率大幅度提高，相應的也降低發(fā)電機組的成本和重量。

3、改善柴油機長(cháng)時(shí)間低負載高恒速運行對柴油機維護和磨損的問(wèn)題

4、可以直流輸出，方便接入，提高效率。

變頻直流發(fā)電機組能跟蹤負載將輸出功率自動(dòng)調節為最佳狀態(tài)。傳統的50／60Hz，據測試30kW柴油發(fā)電機組的能源利用效率只有78％到82％，而變頻直流發(fā)電機組能達到93％以上。因此在同樣的工況下，新型的變頻柴油發(fā)電機組可以節省15％左右的燃料。傳統的柴油發(fā)電機組在通信基站運用時(shí)，長(cháng)期處于低負載狀態(tài)，其平均負載可以低至30％，相對能耗較大，效率較低。變頻直流發(fā)電機組能有效地解決這種矛盾，其發(fā)動(dòng)機功率跟蹤負載的變化而變化，從而使得其總是工作在最佳的燃油狀態(tài)下，具有很高的經(jīng)濟效率、可靠性和穩定性。普通基站的主設備功率在0.5～2kW，為了滿(mǎn)足基站在給電池充電的同時(shí)可以啟動(dòng)大電流負載，通常配備10～30kW的柴油發(fā)電機組，而永磁發(fā)電機的帶載能力強于傳統的發(fā)電機，用10kW以下的小型變速永磁發(fā)電機組就可以滿(mǎn)足多數基站的供電要求。

 

三、變頻直流發(fā)電機組的系統組成

 

變頻直流發(fā)電機組由發(fā)動(dòng)機，永磁同步電機和控制模塊組成。變頻發(fā)動(dòng)機將機械動(dòng)力轉換為頻率和電壓可變的電源，經(jīng)過(guò)PWM升壓整流環(huán)節輸出穩定的恒壓直流電，即使在非線(xiàn)性負載和不平衡負載的情況下，也能輸出持續、穩定、不間斷的電源。永磁同步電動(dòng)機采用無(wú)軸承結構，簡(jiǎn)單的機械結構使電動(dòng)機具有長(cháng)壽命、高效率和高可靠性?？刂破黛`活適配RS485、RS232和USB通信口，實(shí)現遠程監控，或與PC通信，完全實(shí)現遙信、遙測和遙控功能，可讀、寫(xiě)發(fā)電機組的運行參數，保證發(fā)電機組的穩定運行。發(fā)電機組的體積小、重量輕，滿(mǎn)足通信運營(yíng)商搶修和維護時(shí)便于搬運的要求。系統整體方案如圖2所示。

變頻柴油發(fā)電機組方案框圖

 

1、發(fā)動(dòng)機

發(fā)動(dòng)機可根據負載大小自動(dòng)調節轉速，轉速不超過(guò)3000r/min，調速區間不小于1200r/min，發(fā)動(dòng)機輸出功率和轉速呈線(xiàn)性關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機功率選擇需充分考慮發(fā)電機效率及直流電源整流效率。推薦Perkins400系列工業(yè)機或3000r/min高轉速機。在發(fā)動(dòng)機正常運行轉速范圍內，需考慮發(fā)動(dòng)機轉速與整機結構的共振問(wèn)題，避免或降低振動(dòng)強度。

在正常運行情況下，發(fā)動(dòng)機運行維護間隔不小于200h，即發(fā)動(dòng)機用機油、各類(lèi)濾清器更換間隔不小于200h。

2、發(fā)電機

發(fā)電機采用多極稀土永磁發(fā)電機。轉子采用無(wú)刷、無(wú)軸承、自然通風(fēng)、與發(fā)動(dòng)機一體化設計的結構（直接固定在曲軸的一端）。定子采用多極、多電壓繞組結構。發(fā)電機的轉子隨發(fā)動(dòng)機曲軸轉動(dòng)后，在定子側輸出單相或三相中頻交流電，輸出交流電壓范圍為90～290V，頻率范圍通常為200～1000Hz。永磁發(fā)電機應避免電磁嘯叫聲，保證在發(fā)電機組運行轉速范圍內，無(wú)尖銳嘯叫聲。其特性見(jiàn)第3章永磁發(fā)電機。

3、控制系統

控制器采用DC12V直流供電，供電范圍為DC9～36V。發(fā)電機組在待機狀態(tài)時(shí)，應處于自動(dòng)狀態(tài)，等待遠程控制中心干接點(diǎn)啟動(dòng)信號。發(fā)電機組處于自動(dòng)狀態(tài)，接收到啟動(dòng)命令后，發(fā)電機組經(jīng)延時(shí)后，自動(dòng)啟動(dòng)。

發(fā)電機組自動(dòng)啟動(dòng)后，會(huì )維持在設定好的開(kāi)機轉速和100％帶載下運行1min，控制系統實(shí)時(shí)檢測中頻輸出電壓、電流、功率等信息，獲取發(fā)電機輸出負載信息?？刂葡到y將輸出負載的變換轉換為可變的電壓信號，輸出至電子調速板，對發(fā)電機組轉速進(jìn)行調節。

為確保發(fā)電機組工作在最佳轉速下，每檔轉速對應可帶的負載需匹配，需要充分考慮永磁電機的效率。不允許出現轉速值對應功率低于實(shí)際負載的情況。電子調速系統的輸入信號應相匹配，控制系統對發(fā)動(dòng)機的調速區間范圍：1200～3000r/min，發(fā)動(dòng)機可以采取限油門(mén)位置的方式，限制發(fā)動(dòng)機最大轉速。調速的實(shí)現方式：設置10組功率/轉速的對應值，用戶(hù)自定義控制調速曲線(xiàn)，可以將整個(gè)曲率區間分成10組區間，每一個(gè)區間其功率和轉速有線(xiàn)性的對應關(guān)系，控制器可以根據這種線(xiàn)性的對應關(guān)系調整電子調節器的輸出電壓，從而實(shí)現對轉速的線(xiàn)性調整，當發(fā)電機組達到最大轉速時(shí)，控制器不再調高發(fā)電機組轉速。根據這種自定義的對應關(guān)系，控制器最終實(shí)現對發(fā)動(dòng)機的無(wú)級調速。調速設置時(shí)應盡量避免發(fā)電機組共振點(diǎn)，以防發(fā)電機組振幅過(guò)大和電機發(fā)出尖銳的嘯叫聲。

4、高頻開(kāi)關(guān)電源系統

1）高頻開(kāi)關(guān)電源的結構和工作原理

開(kāi)關(guān)整流器主要由輸入濾波電路、整流電路、PFC有源功率因數校正電路、PWM高頻開(kāi)關(guān)DC-DC變換電路、軟啟動(dòng)電路、檢測控制和狀態(tài)檢測、智能通信接口、輸出整流濾波電路等部分組成。如圖3所示。

交流輸入電壓經(jīng)過(guò)輸入濾波電路，濾除電網(wǎng)中的高次諧波，同時(shí)也防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)濾波后的交流電壓經(jīng)工頻整流電路轉換為直流電壓，整流后的直流電壓經(jīng)過(guò)功率因數校正電路后，使輸入交流電流與輸入交流電壓同相，從而使功率因數接近于1減少了諧波電流對電網(wǎng)的污染和無(wú)功損耗，該電壓在由DC-DC直流變換器轉換為所需要的直流電壓，經(jīng)輸出濾波電路濾波后輸出穩定的直流電壓。

控制電路從主電路輸出進(jìn)行取樣，并與設定的基準電壓進(jìn)行比較，再經(jīng)由誤差放大器放大，然后，用放大的誤差信號去控制PWM控制器輸出脈沖的寬度，來(lái)穩定和調節輸出電壓。

智能開(kāi)關(guān)電源整流器具有交流輸入過(guò)電壓、交流輸入欠電壓、直流輸出過(guò)電壓、直流輸出限流與短路保護和散熱器過(guò)溫關(guān)機等保護功能。

 

圖3 開(kāi)關(guān)整流器基本工作原理框圖

 

2）監控器技術(shù)要求

① 控制器面板布局

系統主菜單液晶屏顯示當前日歷時(shí)間、系統狀態(tài)。液晶屏的周?chē)溆屑t、綠指示燈。綠燈亮，表示系統工作正常；紅燈亮，表示系統（告警）故障。在面板上同時(shí)配置有操作鍵。操作鍵在不同的菜單中的功能不同。

② 控制器的主要功能

a.運行信息：檢測系統電池狀態(tài)、故障狀態(tài)、交流供電狀態(tài)和模塊狀態(tài)。

b.參數設置：交流參數、電池參數、系統參數和節能參數。

c.控制輸出：系統控制、分路控制、模塊控制和干節點(diǎn)控制。

d.告警記錄：控制運行狀態(tài)中發(fā)生的故障告警記錄。

e.系統配置：按訂單技術(shù)要求出廠(chǎng)前進(jìn)行系統配置操作（有權限操作）。

③ 控制器的其他功能

a．通過(guò)通信接口RS484（或RS232）與監控中心連接，實(shí)施遙測、遙信、遙控。

b.通過(guò)干節點(diǎn)告警輸出接口，將系統故障輸出。

c.當前告警顯示系統當前故障狀態(tài)。

3）整流器

① 通用技術(shù)指標

a．穩壓精度：不超過(guò)直流輸出電壓整定值的±0.6％。

b．電壓調整率：不超過(guò)直流輸出電壓整定值的±0.1％。

c．電流調整率：不超過(guò)直流輸出電流整定值的±0.5％。

d．均流誤差：當整流器的輸出電流在50％～100％的額定電流范圍內時(shí)，其均分負載電流不平衡度≤±5％額定電流值。

e．可聞噪聲：≤55dB。

f．雜音電壓：電話(huà)衡重雜音電壓：300Hz～3400Hz≤2.0mV。

g．峰一峰值雜音電壓：0MHz～20MHz≤200mV。

h．寬頻雜音電壓：3.4kHz～150kHz≤50mV。

② 絕緣電阻

在正常大氣壓條件下，相對濕度為90％，試驗電壓為直流500V時(shí)，整流器主回路的交流部分和直流部分對地，以及交流部分對直流部分的絕緣電阻均不低于5MΩ。

③ 抗電強度

交流電路對地、交流電路對直流電路能承受50Hz、1500V的交流電壓1min，無(wú)擊穿、無(wú)飛弧現象，漏電流≤30mA。

直流電路對地能承受50Hz、750V的直流電壓1min，無(wú)擊穿、無(wú)飛弧現象，漏電流≤30mA。

交流電路對直流電路能承受50Hz、3000V的交流電壓1min，無(wú)擊穿、無(wú)飛弧現象，漏電流≤30mA。

4）其他保護功能

① 短路保護功能：

當整流器直流輸出電流大于額定輸出電流的110％時(shí)實(shí)施短路保護，降低輸出電壓，限流輸出；故障消除，自動(dòng)恢復正常工作。

② 散熱器過(guò)溫保護：

當散熱器溫度在110℃±10℃范圍時(shí)，整流器實(shí)施過(guò)溫關(guān)機保護；故障消除，自動(dòng)恢復正常工作。

5）主要技術(shù)指標

整流器主要技術(shù)指標見(jiàn)表1。

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