新聞主題	變頻柴油發(fā)電機組能源系統(tǒng)的優(yōu)點

 

混合能源系統(tǒng)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才啟動發(fā)電，可選用傳統(tǒng)定速柴油發(fā)電機組，也可采用變頻柴油發(fā)電機組。傳統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)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(tǒng)來保障基站用電設(shè)備的不間斷供電需求。傳統(tǒng)供電方式為普通柴油發(fā)電機組長期運行和后備鉛酸蓄電池組來提供基站設(shè)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壽命及大容量的電池系統(tǒng)。由于柴油發(fā)電機的長期連續(xù)運行必然導(dǎo)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，增加了用戶的運行維護成本。同時，由于普通鉛酸蓄電池組的老化，更換不及時，導(dǎo)致基站供電的不可靠性。給用戶帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

2、電信移動基站負載設(shè)備的特性決定了普通柴油發(fā)電機組將處于長期低載運行工況。電信移動基站的主要用電設(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)，且為交流單相負載，在啟動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足空調(diào)設(shè)備的啟動需求，當(dāng)空調(diào)正常運轉(zhuǎn)后，發(fā)電機組所帶負載急劇下降，使得發(fā)電機組處于長期低載運行狀況，同時造成發(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、石油能源價格的上漲提高了用戶的使用成本。而柴油發(fā)電機組又處于長期低負載連續(xù)運行狀態(tài)，燃油消耗率高。此外機油的價格也不斷攀升，也增加了用戶的使用成本。而發(fā)電機組處于長行工況，維護周期短（基本上每250h進行一次正常的保養(yǎng)），這也直接增加了用戶的使用成本。

變頻直流發(fā)電機組，采用現(xiàn)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(tǒng)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，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)電機組，風(fēng)能或太陽能，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)電機組輸出直流，所以混合能源控制器設(shè)計簡單、成本低，而且可以同時設(shè)置幾個模式；柴油發(fā)發(fā)電機組、太陽能與蓄電池；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(tǒng)框圖

 

 

二、變頻直流發(fā)電機組優(yōu)點

 

變頻柴油發(fā)電機組包括發(fā)動機、多極永磁發(fā)電機、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和控制模塊。能根據(jù)負載功率的變化自動調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)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(jié)能的狀態(tài)。變頻發(fā)動機將機械動力轉(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，即使在非線性負載和不平衡負載的情況下，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)動機后輸出功率可調(diào)，工作轉(zhuǎn)速為1200～3000r/min，與負載可實現(xiàn)最佳匹配，功率輸出與轉(zhuǎn)速相關(guān)，避免發(fā)動機因工作在低負載區(qū)而造成的積炭等損害，同時沒有勵磁繞組、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：

1、降低燃油消耗率

通過閉環(huán)控制，使?jié)M負載時柴油機處于額定最高轉(zhuǎn)速；負載減少時，柴油機自動降低轉(zhuǎn)速，確保柴油機的轉(zhuǎn)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(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）×運行時間＋低載（額定低速）×運行時間］-［滿載（額定恒速）×

運行時間＋低載（額定恒速）×運行時間］

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，同時柴油機的功率大幅度提高，相應(yīng)的也降低發(fā)電機組的成本和重量。

3、改善柴油機長時間低負載高恒速運行對柴油機維護和磨損的問題

4、可以直流輸出，方便接入，提高效率。

變頻直流發(fā)電機組能跟蹤負載將輸出功率自動調(diào)節(jié)為最佳狀態(tài)。傳統(tǒng)的50／60Hz，據(jù)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(jié)省15％左右的燃料。傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機組在通信基站運用時，長期處于低負載狀態(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(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可以啟動大電流負載，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(tǒng)的發(fā)電機，用10kW以下的小型變速永磁發(fā)電機組就可以滿足多數(shù)基站的供電要求。

 

三、變頻直流發(fā)電機組的系統(tǒng)組成

 

變頻直流發(fā)電機組由發(fā)動機，永磁同步電機和控制模塊組成。變頻發(fā)動機將機械動力轉(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，即使在非線性負載和不平衡負載的情況下，也能輸出持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源。永磁同步電動機采用無軸承結(jié)構(gòu)，簡單的機械結(jié)構(gòu)使電動機具有長壽命、高效率和高可靠性。控制器靈活適配RS485、RS232和USB通信口，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，或與PC通信，完全實現(xiàn)遙信、遙測和遙控功能，可讀、寫發(fā)電機組的運行參數(shù)，保證發(fā)電機組的穩(wěn)定運行。發(fā)電機組的體積小、重量輕，滿足通信運營商搶修和維護時便于搬運的要求。系統(tǒng)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)動機

發(fā)動機可根據(jù)負載大小自動調(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)動機輸出功率和轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。

發(fā)動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(zhuǎn)速機。在發(fā)動機正常運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，需考慮發(fā)動機轉(zhuǎn)速與整機結(jié)構(gòu)的共振問題，避免或降低振動強度。

在正常運行情況下，發(fā)動機運行維護間隔不小于200h，即發(fā)動機用機油、各類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(zhuǎn)子采用無刷、無軸承、自然通風(fēng)、與發(fā)動機一體化設(shè)計的結(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)電機的轉(zhuǎn)子隨發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動后，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)電機應(yīng)避免電磁嘯叫聲，保證在發(fā)電機組運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，無尖銳嘯叫聲。其特性見第3章永磁發(fā)電機。

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)電機組在待機狀態(tài)時，應(yīng)處于自動狀態(tài)，等待遠程控制中心干接點啟動信號。發(fā)電機組處于自動狀態(tài)，接收到啟動命令后，發(fā)電機組經(jīng)延時后，自動啟動。

發(fā)電機組自動啟動后，會維持在設(shè)定好的開機轉(zhuǎn)速和100％帶載下運行1min，控制系統(tǒng)實時檢測中頻輸出電壓、電流、功率等信息，獲取發(fā)電機輸出負載信息。控制系統(tǒng)將輸出負載的變換轉(zhuǎn)換為可變的電壓信號，輸出至電子調(diào)速板，對發(fā)電機組轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。

為確保發(fā)電機組工作在最佳轉(zhuǎn)速下，每檔轉(zhuǎn)速對應(yīng)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(xiàn)轉(zhuǎn)速值對應(yīng)功率低于實際負載的情況。電子調(diào)速系統(tǒng)的輸入信號應(yīng)相匹配，控制系統(tǒng)對發(fā)動機的調(diào)速區(qū)間范圍：1200～3000r/min，發(fā)動機可以采取限油門位置的方式，限制發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速。調(diào)速的實現(xiàn)方式：設(shè)置10組功率/轉(zhuǎn)速的對應(yīng)值，用戶自定義控制調(diào)速曲線，可以將整個曲率區(qū)間分成10組區(qū)間，每一個區(qū)間其功率和轉(zhuǎn)速有線性的對應(yīng)關(guān)系，控制器可以根據(jù)這種線性的對應(yīng)關(guān)系調(diào)整電子調(diào)節(jié)器的輸出電壓，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的線性調(diào)整，當(dāng)發(fā)電機組達到最大轉(zhuǎn)速時，控制器不再調(diào)高發(fā)電機組轉(zhuǎn)速。根據(jù)這種自定義的對應(yīng)關(guān)系，控制器最終實現(xiàn)對發(fā)動機的無級調(diào)速。調(diào)速設(shè)置時應(yīng)盡量避免發(fā)電機組共振點，以防發(fā)電機組振幅過大和電機發(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)過輸入濾波電路，濾除電網(wǎng)中的高次諧波，同時也防止開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波進入電網(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減少了諧波電流對電網(wǎng)的污染和無功損耗，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行取樣，并與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進行比較，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和散熱器過溫關(guān)機等保護功能。

 

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(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(tǒng)配置：按訂單技術(shù)要求出廠前進行系統(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，實施遙測、遙信、遙控。

b.通過干節(jié)點告警輸出接口，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，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，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，無擊穿、無飛弧現(xiàn)象，漏電流≤30mA。

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

4）其他保護功能

① 短路保護功能：

當(dāng)整流器直流輸出電流大于額定輸出電流的110％時實施短路保護，降低輸出電壓，限流輸出；故障消除，自動恢復(fù)正常工作。

② 散熱器過溫保護：

當(dāng)散熱器溫度在110℃±10℃范圍時，整流器實施過溫關(guān)機保護；故障消除，自動恢復(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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