新聞主題	未來發(fā)電機新技術(shù)應(yīng)用

 

在過去的三十年間，大型旋轉(zhuǎn)電機的監(jiān)測系統(tǒng)從無到有，形成了現(xiàn)在的復(fù)雜系統(tǒng)，而系統(tǒng)數(shù)據(jù)并不總是帶來最有價值的信息。從R&D(研究與開發(fā))的觀點看，這種做法是有意義的。另一方面，為了滿足客戶的需求，我們必須注意現(xiàn)實中的日常運行約束條件。本文通過一個案例分析，闡明大多數(shù)新技術(shù)所不能檢測出的主要問題，可通過相對簡單的監(jiān)控來避免它的出現(xiàn)。事實上，在操作像發(fā)電機這類的機械時，我們需要區(qū)分這類設(shè)備的保護和維護。用于保護的儀器應(yīng)能夠找出設(shè)備出現(xiàn)的預(yù)兆，而健康分析應(yīng)提供對設(shè)備的診斷發(fā)電機的新技術(shù)和應(yīng)用包括新型的發(fā)電機、勵磁系統(tǒng)、控制技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)。

 

 

 

一、現(xiàn)代發(fā)電機的智能化

 

發(fā)電機技術(shù)的升級換代，傳統(tǒng)的有刷勵磁技術(shù)已經(jīng)被無刷勵磁技術(shù)取代，AVR（AnalogueVoltage Regulator，模擬式自動電壓調(diào)節(jié)器）也有逐漸被DVR（Digital Automatic Voltage Regula-tor，數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器）取代的趨勢，像有些廠家已經(jīng)全系列采用數(shù)字式DVR，甚至出現(xiàn)了發(fā)電機的數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器（DVR）集成了基本的發(fā)電機組控制管理功能，形象地說，即發(fā)電機的數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器（DVR）相當(dāng)于一個簡單的智能發(fā)電機組控制器功能（Control-ler）加上固有的電壓調(diào)節(jié)器功能（Regulator）。發(fā)電機的核心控制技術(shù)向柴油機的EMS（Elec-tronic Management System，電子管理技術(shù)）合并，越來越智能，它帶來的好處是顯而易見的，就是發(fā)電機組成套廠家GOEM在發(fā)電機組成套時，就好像連接柴油機的EMS與智能發(fā)電機組控制器樣，只需要簡單地連接少量的通信線，無需再安裝繁雜的電流互感器CT，電壓互感器PT及溫度檢測RTD等信號，無需安裝發(fā)電機故障等報警信號，也無需再安裝電壓微調(diào)和電壓下垂等控制線，所有的發(fā)電機監(jiān)測控制參數(shù)均可共享發(fā)電機本身的電壓、電流和溫度采集硬件設(shè)備，通過通信線與智能發(fā)電機組控制器進行數(shù)據(jù)交換，由智能發(fā)電機組控制器采集顯示，實現(xiàn)人機交互HMI功能，甚至在控制要求不高的通用應(yīng)用場合，完全可以起到智能發(fā)電機組控制器的功能，只需將柴油機的控制及信號線接入數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器CONTREG，即可實現(xiàn)發(fā)電機組參數(shù)監(jiān)控的目的，為發(fā)電機組成套廠家GOEM節(jié)省大量成本，另外由于元器件更少，整個系統(tǒng)更加簡潔，故障率也大幅下降，可靠性大大提高。

 

無刷發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

 

 

二、云端大數(shù)據(jù)的分析和新產(chǎn)品開發(fā)中的客戶交互

 

發(fā)電機的數(shù)字式自動電壓調(diào)節(jié)器（DVR）已經(jīng)普及采用，其本身已經(jīng)具備RS485 或者J1939智能通信接口，借助于現(xiàn)代化的GPS對時、云監(jiān)控計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，既可實現(xiàn)發(fā)電機實時的云監(jiān)控功能，也能夠?qū)崿F(xiàn)客戶實際運行參數(shù)的精確采集，為售后服務(wù)提供有力工具。另外，通過后臺進行云端數(shù)據(jù)的采集和分析，現(xiàn)代IDC數(shù)據(jù)中心急需的電源、UPS和空調(diào)等設(shè)備的協(xié)同工作問題就解決了。同時，借助云端大數(shù)據(jù)分析，客戶的使用和個性化需求都能夠在設(shè)計階段考慮到，真正做到為各個細(xì)分市場客戶量身定制。

1．效率越來越高

發(fā)電機作為能量轉(zhuǎn)換裝置，本身不產(chǎn)生任何能量，因此能量的轉(zhuǎn)換效率顯得至關(guān)重要。在年運行時間200h以下的備用電站應(yīng)用場合，效率的提升可能不是考慮的首要條件，但在7x24h長行電站應(yīng)用場合，效率提升即意味著相較于低效率發(fā)電機產(chǎn)生同樣的電力時，高效率發(fā)電機可以節(jié)省大量燃油，即節(jié)省較多的發(fā)電運營成本，高效率發(fā)電機多出來的一次性采購成本很快能夠回本，后期節(jié)省的燃油成本就變成了實實在在的利潤。

設(shè)計也是從各種方面提高效率：

1）在20kW以下的小功率發(fā)電機應(yīng)用中，一般采用無刷無軸承的外轉(zhuǎn)子盤式中頻永磁發(fā)電機，由于沒有電刷和軸承的機械摩擦的損耗，也不存在非永磁發(fā)電機那樣的勵磁能量損耗，因此效率能夠從傳統(tǒng)的80％以下提高到90％以上，另外，由于磁極數(shù)從傳統(tǒng)的不超過6個增加到了16個磁極以上，但是中頻輸出電源不能直接接入工頻交流負(fù)載或直流負(fù)載，需要配合現(xiàn)代PWM 高頻開關(guān)整流等電能變換技術(shù)，將發(fā)電機中頻輸出電源轉(zhuǎn)換為工頻交流輸出或直流輸出，像最近比較流行的智能數(shù)碼發(fā)電機、直流發(fā)電機所采用的中頻發(fā)電機，在發(fā)電機和負(fù)載之間均采用了此技術(shù)。

2）在大功率發(fā)電機應(yīng)用中，由于機械極限限制，在小功率發(fā)電機上常見的外轉(zhuǎn)子、無軸承和永磁勵磁的設(shè)計均無法再采用，轉(zhuǎn)而采用優(yōu)化的電路設(shè)計、磁路設(shè)計和冷卻通風(fēng)設(shè)計等方面來提升效率，例如某品牌發(fā)電機通過精確計算定子繞組全工況下所需的散熱量，利用現(xiàn)代先進的溫度監(jiān)控技術(shù)，采用隨定子繞組溫度變化，實時調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的新穎冷卻通風(fēng)設(shè)計，將大功率發(fā)電機的效率提升到98％以上，比傳統(tǒng)發(fā)電機效率高2％左右，節(jié)能效果顯著。

下面以K公司的超高效率（Laminar Cross Flow LCF）層流橫流技術(shù)的高效率發(fā)電機為例說明：功率在1500kW及以上時效率可高達98％以上，是該功率段發(fā)電機世界的最高水平。

創(chuàng)新之處包括取消發(fā)電機軸帶的機械式冷卻風(fēng)扇，取而代之的是由一組電子風(fēng)扇組成的冷卻風(fēng)扇模組，能夠降低50％的發(fā)電機冷卻風(fēng)扇消耗功率。

K公司的LCF高效率發(fā)電機在繞組中產(chǎn)生的熱量其實和KATO公司的傳統(tǒng)發(fā)電機產(chǎn)生的熱量差不多，但是新型的流線型的轉(zhuǎn)子設(shè)計，改善了繞組中的冷卻空氣流體學(xué)路徑，避免了空氣擾流產(chǎn)生的額外功率損耗，保證了發(fā)電機繞組中熱量聚集區(qū)的熱量及時散熱，因此發(fā)電機繞組工作溫較低，保證了繞組的運行壽命。

LCF高效率發(fā)電機目前可提供1000～4000kW，1500～1800r/min。另外，高達15000kW，750r/min的低轉(zhuǎn)速高效率發(fā)電機也在開發(fā)過程中。

LCF 高效率發(fā)電機特別適合燃?xì)獍l(fā)電機和分布式能源等長行或連續(xù)運行工況。

2．功率體積比越來越大

隨著非晶等新材料技術(shù)和多極永磁中頻發(fā)電機技術(shù)的成熟應(yīng)用，現(xiàn)代發(fā)電機在同等功率輸出下，已經(jīng)可以做到體積更小，重量更輕，更加適用于方艙電站、超級靜音發(fā)電機組和便攜等安裝空間受限的應(yīng)用場合。

3．與風(fēng)能、太陽能、儲能等綠色新能源技術(shù)和柴油機的隨輸出功率變化的無級變速節(jié)能等新技術(shù)的配合

風(fēng)能、太陽能等綠色新能源技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)電機和儲能的工作需要配合風(fēng)能、太陽能的輸出，采用先進控制策略，以實現(xiàn)風(fēng)能、太陽能的最大綜合利用，降低能耗，實現(xiàn)TCO（Total Cost of Operation，總運行成本）的降低。這些應(yīng)用特別在偏遠的無人值守基站更加具備優(yōu)勢，采用傳統(tǒng)的發(fā)電機方式，一方面是巨額的燃油成本，另一方面由于勞動力成本不斷上漲，運行維護成本也越來越高，通過多種能源綜合利用的系統(tǒng)化的能量轉(zhuǎn)換和控制邏輯，總體上減少發(fā)電機的運行時間，優(yōu)化發(fā)電機的帶載性能，能夠大大降低油耗和運行維護成本。

（1）康明斯發(fā)電技術(shù)有限公司（CGT）VSIG稀土永磁發(fā)電機（后節(jié)中詳述）

（2）L公司的LSAVS DC48V可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機

L公司的LSAVS DC48V 可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機的外形如圖3-1所示，主要技術(shù)參數(shù)見表3-1。

DC48V可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機能夠在一臺發(fā)電機組上同時實現(xiàn)以下功能：

1）作為備用電源，直接向基站直流設(shè)備供電。

2）在混合能源供電基站，向DC48V通信用蓄電池充電，該技術(shù)比較傳統(tǒng)的僅僅由柴油發(fā)電機組供電的應(yīng)用場合，最高能夠降低油耗達36％。

LSAVS DC48V可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機集成了以下兩個定制元件：

1）定制的R220-VSG型AVR和AC-DC整流電路，確保發(fā)電機在低速和高速兩種運行轉(zhuǎn)速工況下，均可輸出穩(wěn)定的直流電壓。

2）集成的CCM充電控制模塊負(fù)責(zé)管理電池充電功能，借助于EMERSON網(wǎng)絡(luò)能源在電池管理技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗積累，CCM支持市面上主流的蓄電池型號，如OPzV、SBS EON、EXIDE、A600和Evolion等。

其性能參數(shù)見表3-2。

 

圖3-1 可變轉(zhuǎn)速發(fā)電機外形圖

表3-1 可變速發(fā)電機主要技術(shù)參數(shù)

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