新聞主題	變頻柴油發(fā)電機(jī)組能源系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

 

混合能源系統(tǒng)中的柴油發(fā)電機(jī)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(tǒng)定速柴油發(fā)電機(jī)組，也可采用變頻柴油發(fā)電機(jī)組。傳統(tǒng)的普通柴油發(fā)電機(jī)組因其自身的局限性，如通信行業(yè)的應(yīng)用正被采用變頻柴油發(fā)電機(jī)組的新型混合能源供電產(chǎn)品所替代。

 

一、傳統(tǒng)柴油機(jī)淘汰的原因

 

1、電信基站多地處于偏遠(yuǎn)、交通不便利，市電電網(wǎng)覆蓋不到的地方，只能采用獨(dú)立電源供電系統(tǒng)來(lái)保障基站用電設(shè)備的不間斷供電需求。傳統(tǒng)供電方式為普通柴油發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行和后備鉛酸蓄電池組來(lái)提供基站設(shè)備的用電，這就要求柴油發(fā)電機(jī)組具備運(yùn)行的高可靠性和長(zhǎng)壽命及大容量的電池系統(tǒng)。由于柴油發(fā)電機(jī)的長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(jī)組的使用壽命及供電的可靠性，增加了用戶的運(yùn)行維護(hù)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(dǎo)致基站供電的不可靠性。給用戶帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2、電信移動(dòng)基站負(fù)載設(shè)備的特性決定了普通柴油發(fā)電機(jī)組將處于長(zhǎng)期低載運(yùn)行工況。電信移動(dòng)基站的主要用電設(shè)備均為48V直流用電設(shè)備，而交流用電設(shè)備僅為空調(diào)，且為交流單相負(fù)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(fù)載。這就要求普通柴油發(fā)電機(jī)組具備更大的功率以滿足空調(diào)設(shè)備的啟動(dòng)需求，當(dāng)空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，發(fā)電機(jī)組所帶負(fù)載急劇下降，使得發(fā)電機(jī)組處于長(zhǎng)期低載運(yùn)行狀況，同時(shí)造成發(fā)電機(jī)組三相負(fù)載的極度不均衡。從而降低了柴油發(fā)電機(jī)組的使用壽命，縮短了柴油機(jī)的大修周期。

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

變頻直流發(fā)電機(jī)組，采用現(xiàn)代變頻技術(shù)，永磁發(fā)電機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)，從根本上改變傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(tǒng)由變頻直流發(fā)電機(jī)組，風(fēng)能或太陽(yáng)能，混合能源控制器，鋰電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器等組成，如圖1所示。永磁發(fā)電和新型能源通過混合能源控制器管理控制，DC-DC轉(zhuǎn)換器控制完成發(fā)電系統(tǒng)和鋰電池的充放電。由于變頻直流發(fā)電機(jī)組輸出直流，所以混合能源控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，而且可以同時(shí)設(shè)置幾個(gè)模式；柴油發(fā)發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能與蓄電池；柴油發(fā)電機(jī)組、風(fēng)能與蓄電池等。

 

圖1 變頻混合能源供電系統(tǒng)框圖

 

 

二、變頻直流發(fā)電機(jī)組優(yōu)點(diǎn)

 

變頻柴油發(fā)電機(jī)組包括發(fā)動(dòng)機(jī)、多極永磁發(fā)電機(jī)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制模塊。能根據(jù)負(fù)載功率的變化自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出頻率和功率，使發(fā)電機(jī)組始終工作在最節(jié)能的狀態(tài)。變頻發(fā)動(dòng)機(jī)將機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換為可變頻率和可變電壓的電源，經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（開關(guān)電源整流環(huán)節(jié)）輸出穩(wěn)定的恒壓直流電，即使在非線性負(fù)載和不平衡負(fù)載的情況下，也能輸出持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源。配用轉(zhuǎn)速可調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)后輸出功率可調(diào)，工作轉(zhuǎn)速為1200～3000r/min，與負(fù)載可實(shí)現(xiàn)最佳匹配，功率輸出與轉(zhuǎn)速相關(guān)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)因工作在低負(fù)載區(qū)而造成的積炭等損害，同時(shí)沒有勵(lì)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(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、降低燃油消耗率

通過閉環(huán)控制，使?jié)M負(fù)載時(shí)柴油機(jī)處于額定最高轉(zhuǎn)速；負(fù)載減少時(shí)，柴油機(jī)自動(dòng)降低轉(zhuǎn)速，確保柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速始終與負(fù)載的大小維持同步從而達(dá)到降低燃油耗的目的。理論上，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)間越大，節(jié)油越明顯。其節(jié)油量的模型為

［滿載（額定高速）×運(yùn)行時(shí)間＋低載（額定低速）×運(yùn)行時(shí)間］-［滿載（額定恒速）×

運(yùn)行時(shí)間＋低載（額定恒速）×運(yùn)行時(shí)間］

2、提高柴油機(jī)的輸出功率

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

3、改善柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)載高恒速運(yùn)行對(duì)柴油機(jī)維護(hù)和磨損的問題

4、可以直流輸出，方便接入，提高效率。

變頻直流發(fā)電機(jī)組能跟蹤負(fù)載將輸出功率自動(dòng)調(diào)節(jié)為最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的50／60Hz，據(jù)測(cè)試30kW柴油發(fā)電機(jī)組的能源利用效率只有78％到82％，而變頻直流發(fā)電機(jī)組能達(dá)到93％以上。因此在同樣的工況下，新型的變頻柴油發(fā)電機(jī)組可以節(jié)省15％左右的燃料。傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組在通信基站運(yùn)用時(shí)，長(zhǎng)期處于低負(fù)載狀態(tài)，其平均負(fù)載可以低至30％，相對(duì)能耗較大，效率較低。變頻直流發(fā)電機(jī)組能有效地解決這種矛盾，其發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟蹤負(fù)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(jì)效率、可靠性和穩(wěn)定性。普通基站的主設(shè)備功率在0.5～2kW，為了滿足基站在給電池充電的同時(shí)可以啟動(dòng)大電流負(fù)載，通常配備10～30kW的柴油發(fā)電機(jī)組，而永磁發(fā)電機(jī)的帶載能力強(qiáng)于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)，用10kW以下的小型變速永磁發(fā)電機(jī)組就可以滿足多數(shù)基站的供電要求。

 

三、變頻直流發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)組成

 

變頻直流發(fā)電機(jī)組由發(fā)動(dòng)機(jī)，永磁同步電機(jī)和控制模塊組成。變頻發(fā)動(dòng)機(jī)將機(jī)械動(dòng)力轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可變的電源，經(jīng)過PWM升壓整流環(huán)節(jié)輸出穩(wěn)定的恒壓直流電，即使在非線性負(fù)載和不平衡負(fù)載的情況下，也能輸出持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源。永磁同步電動(dòng)機(jī)采用無(wú)軸承結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)使電動(dòng)機(jī)具有長(zhǎng)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(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，或與PC通信，完全實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)和遙控功能，可讀、寫發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，保證發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)組的體積小、重量輕，滿足通信運(yùn)營(yíng)商搶修和維護(hù)時(shí)便于搬運(yùn)的要求。系統(tǒng)整體方案如圖2所示。

變頻柴油發(fā)電機(jī)組方案框圖

 

1、發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)可根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速不超過3000r/min，調(diào)速區(qū)間不小于1200r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。

發(fā)動(dòng)機(jī)功率選擇需充分考慮發(fā)電機(jī)效率及直流電源整流效率。推薦Perkins400系列工業(yè)機(jī)或3000r/min高轉(zhuǎn)速機(jī)。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，需考慮發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與整機(jī)結(jié)構(gòu)的共振問題，避免或降低振動(dòng)強(qiáng)度。

在正常運(yùn)行情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)間隔不小于200h，即發(fā)動(dòng)機(jī)用機(jī)油、各類濾清器更換間隔不小于200h。

2、發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)采用多極稀土永磁發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子采用無(wú)刷、無(wú)軸承、自然通風(fēng)、與發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)（直接固定在曲軸的一端）。定子采用多極、多電壓繞組結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子隨發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)后，在定子側(cè)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(jī)應(yīng)避免電磁嘯叫聲，保證在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，無(wú)尖銳嘯叫聲。其特性見第3章永磁發(fā)電機(jī)。

3、控制系統(tǒng)

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

發(fā)電機(jī)組自動(dòng)啟動(dòng)后，會(huì)維持在設(shè)定好的開機(jī)轉(zhuǎn)速和100％帶載下運(yùn)行1min，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)中頻輸出電壓、電流、功率等信息，獲取發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載信息?？刂葡到y(tǒng)將輸出負(fù)載的變換轉(zhuǎn)換為可變的電壓信號(hào)，輸出至電子調(diào)速板，對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

為確保發(fā)電機(jī)組工作在最佳轉(zhuǎn)速下，每檔轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)可帶的負(fù)載需匹配，需要充分考慮永磁電機(jī)的效率。不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)功率低于實(shí)際負(fù)載的情況。電子調(diào)速系統(tǒng)的輸入信號(hào)應(yīng)相匹配，控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速區(qū)間范圍：1200～3000r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)可以采取限油門位置的方式，限制發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速。調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方式：設(shè)置10組功率/轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)值，用戶自定義控制調(diào)速曲線，可以將整個(gè)曲率區(qū)間分成10組區(qū)間，每一個(gè)區(qū)間其功率和轉(zhuǎn)速有線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制器可以根據(jù)這種線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系調(diào)整電子調(diào)節(jié)器的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的線性調(diào)整，當(dāng)發(fā)電機(jī)組達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí)，控制器不再調(diào)高發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速。根據(jù)這種自定義的對(duì)應(yīng)關(guān)系，控制器最終實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。調(diào)速設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量避免發(fā)電機(jī)組共振點(diǎn)，以防發(fā)電機(jī)組振幅過大和電機(jī)發(fā)出尖銳的嘯叫聲。

4、高頻開關(guān)電源系統(tǒng)

1）高頻開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和工作原理

開關(guān)整流器主要由輸入濾波電路、整流電路、PFC有源功率因數(shù)校正電路、PWM高頻開關(guān)DC-DC變換電路、軟啟動(dòng)電路、檢測(cè)控制和狀態(tài)檢測(cè)、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)過輸入濾波電路，濾除電網(wǎng)中的高次諧波，同時(shí)也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)入電網(wǎng)。經(jīng)過濾波后的交流電壓經(jīng)工頻整流電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，整流后的直流電壓經(jīng)過功率因數(shù)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(shù)接近于1減少了諧波電流對(duì)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(zhuǎn)換為所需要的直流電壓，經(jīng)輸出濾波電路濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓。

控制電路從主電路輸出進(jìn)行取樣，并與設(shè)定的基準(zhǔn)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(hào)去控制PWM控制器輸出脈沖的寬度，來(lái)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)輸出電壓。

智能開關(guān)電源整流器具有交流輸入過電壓、交流輸入欠電壓、直流輸出過電壓、直流輸出限流與短路保護(hù)和散熱器過溫關(guān)機(jī)等保護(hù)功能。

 

圖3 開關(guān)整流器基本工作原理框圖

 

2）監(jiān)控器技術(shù)要求

① 控制器面板布局

系統(tǒng)主菜單液晶屏顯示當(dāng)前日歷時(shí)間、系統(tǒng)狀態(tài)。液晶屏的周圍配有紅、綠指示燈。綠燈亮，表示系統(tǒng)工作正常；紅燈亮，表示系統(tǒng)（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(yùn)行信息：檢測(cè)系統(tǒng)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(shù)設(shè)置：交流參數(shù)、電池參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)和節(jié)能參數(shù)。

c.控制輸出：系統(tǒng)控制、分路控制、模塊控制和干節(jié)點(diǎn)控制。

d.告警記錄：控制運(yùn)行狀態(tài)中發(fā)生的故障告警記錄。

e.系統(tǒng)配置：按訂單技術(shù)要求出廠前進(jìn)行系統(tǒng)配置操作（有權(quán)限操作）。

③ 控制器的其他功能

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

b.通過干節(jié)點(diǎn)告警輸出接口，將系統(tǒng)故障輸出。

c.當(dāng)前告警顯示系統(tǒng)當(dāng)前故障狀態(tài)。

3）整流器

① 通用技術(shù)指標(biāo)

a．穩(wěn)壓精度：不超過直流輸出電壓整定值的±0.6％。

b．電壓調(diào)整率：不超過直流輸出電壓整定值的±0.1％。

c．電流調(diào)整率：不超過直流輸出電流整定值的±0.5％。

d．均流誤差：當(dāng)整流器的輸出電流在50％～100％的額定電流范圍內(nèi)時(shí)，其均分負(fù)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(duì)濕度為90％，試驗(yàn)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(duì)地，以及交流部分對(duì)直流部分的絕緣電阻均不低于5MΩ。

③ 抗電強(qiáng)度

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

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

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

4）其他保護(hù)功能

① 短路保護(hù)功能：

當(dāng)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(hù)，降低輸出電壓，限流輸出；故障消除，自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

② 散熱器過溫保護(hù)：

當(dāng)散熱器溫度在110℃±10℃范圍時(shí)，整流器實(shí)施過溫關(guān)機(jī)保護(hù)；故障消除，自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

5）主要技術(shù)指標(biāo)

整流器主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

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