CN102928777A - 一种柴油发电机组负载试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油发电机组负载试验系统，用于柴油发电机组负载试验时将电能供负载使用，降低能源消耗，该系统包括：依次相连的输入隔离变压装置、PWM整流装置、直流斩波装置、PWM逆变装置、滤波装置和输出隔离变压装置；输入隔离变压装置，用于对柴油发电机组与PWM整流装置进行隔离；PWM整流装置，用于将柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；直流斩波装置，用于对直流电压进行直流保护；PWM逆变装置，用于将直流电压转换为三相交流电压；滤波装置，用于降低三相交流电压中的谐波含量；输出隔离变压装置，用于对PWM逆变装置与负载进行隔离，并将三相交流电压供负载使用。本发明还公开了一种柴油发电机组负载试验方法。

Description

一种柴油发电机组负载试验系统及方法

技术领域

本发明涉及柴油发电机组技术领域，具体涉及一种柴油发电机组负载试验系统及方法。

背景技术

柴油发电机组在船舶上的应用越来越多，除了作为常规的提供船电的机组外，还越来越广泛地用于电力推进。由于其独特的优点，采用全或半电力推进已成为数千吨以上的船舶，特别是军用舰船推进系统的发展趋势。对于柴油发电机组，在其应用在具体船舶上之前，需要通过多种试验进行性能的检测。

在现有技术中，可以有能耗型试验装置、发电机组并网试验装置以及发电机组并网试验装置等多种试验方式进行柴油发电机组性能的检测。能耗型试验装置是指采用“柴油发电机组+水电阻”方式进行柴油发电机组负载试验，将试验过程中柴油发电机输出的能量全部通过水电阻消耗掉，这是目前船用柴油发电机组经常采用的试验方法。发电机组并网试验装置是指采用“柴油发电机组+不可控整流装置+直流电动机+同步发电机+并网开关柜”方式进行试验，属于节能型试验方法。晶闸管并网试验装置是指采用“柴油发电机组+不可控整流装置+晶闸管有源逆变器”方式进行试验，此种方法可以将电能回馈电网。

但是，能耗型试验装置柴油发电机组发出的电能完全通过电阻消耗，浪费能源严重，不符合国家提出的节能环保要求。发电机组并网试验装置在试验电机容量较大时，由于涉及到大容量直流发电机和同步发电机，体积庞大且维护繁琐；并网时何时送电依赖于操作人员的人工判断，可靠性较低。晶闸管并网试验装置由于采用的开关器件晶闸管为半控器件，在向电网馈送能量时会对电网造成相当大的谐波污染；晶闸管由于逆变器工作时会从电网吸收大量的无功，造成网侧功率因数降低；在实际使用时需配置大容量无功补偿装置及谐波治理装置，设备投入大。因此，在现有技术中柴油发电机组在进行负载试验时存在柴油发电机组试验装置能源消耗及占地面积大、可靠性低、对电网污染严重的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种柴油发电机组负载试验系统及方法，解决现有技术中柴油发电机组试验装置能源消耗及占地面积大、可靠性低、对电网污染严重的问题。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

一种柴油发电机组负载试验系统，所述系统包括：

输入隔离变压装置、PWM整流装置、直流斩波装置、PWM逆变装置、滤波装置以及输出隔离变压装置；

所述输入隔离变压装置的输入端与柴油发电机组相连，所述PWM整流装置的输入端与所述输入隔离变压装置的输出端相连，所述直流斩波装置的输入端与所述PWM整流装置的输出端相连，所述PWM逆变装置的输入端与所述直流斩波装置的输出端相连，所述滤波装置的输入端与所述PWM逆变装置的输出端相连，所述输出隔离变压装置的输入端与所述滤波装置的输出端相连，所述输出隔离变压装置的输出端与负载相连；

所述输入隔离变压装置，用于对所述柴油发电机组与所述PWM整流装置进行隔离；

所述PWM整流装置，用于将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；

所述直流斩波装置，用于对所述直流电压进行直流保护；

所述PWM逆变装置，用于将所述直流电压转换为三相交流电压；

所述滤波装置，用于降低所述三相交流电压中的谐波含量；

所述输出隔离变压装置，用于对PWM逆变装置与所述负载进行隔离，并将所述三相交流电压供所述负载使用。

相应的，所述输入隔离变压装置还包括：

设置于原边侧的多个电压输入档位，用于不同电压等级的所述柴油发电机组进行电压输入。

相应的，所述PWM整流装置包括：

变流器单元，所述变流器单元包括输入交流侧电感、开关器件组、直流支撑电容以及直流支撑电阻。

相应的，所述变流器单元采用PWM四象限电压源型整流方式，实现单位功率因数控制以及电压电流双闭环控制，将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压。

相应的，所述直流斩波装置包括：

斩波单元以及消耗单元；

所述斩波单元包括开关器件、二极管，所述开关器件与所述二极管串联连接；

所述斩波单元用于直流保护以及快速停机；

所述消耗单元包括消耗电阻，所述消耗电阻和所述二极管并联连接；

所述消耗单元用于为所述柴油发电机组输出功率提供消耗支路。

相应的，所述滤波装置包括：

滤波单元，所述滤波单元包括共模滤波电感、差模滤波电感、放电电阻以及滤波电容。

相应的，所述滤波单元采用差模滤波和/或共模滤波方式，对所述三相交流电压进行滤波，降低所述三相交流电压中的谐波含量。

相应的，所述输出隔离变压装置还用于提高所述滤波单元输出的所述三相交流电压的质量供所述负载使用。

一种柴油发电机组负载试验方法，所述方法包括：

输入隔离变压装置对柴油发电机组输出的交流电压进行隔离；

PWM整流装置将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；

直流斩波装置对所述直流电压进行直流保护；

PWM逆变装置将所述直流电压转换为三相交流电压；

滤波装置降低所述三相交流电压中的谐波含量；

输出隔离变压装置对所述三相交流电压与负载进行隔离，并将所述三相交流电压供所述负载使用。

相应的，所述PWM整流装置将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压，包括：

PWM整流装置采用PWM四象限电压源型整流方式，实现单位功率因数控制以及电压电流双闭环控制，将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压。

相应的，所述滤波装置降低所述三相交流电压中的谐波含量，包括：

滤波单元采用差模滤波和/或共模滤波方式，对所述三相交流电压进行滤波，降低所述三相交流电压中的谐波含量。

由此可见，本发明具有如下有益效果：

本发明柴油发电机组负载试验系统及方法在进行柴油发电机组负载试验时，经输入隔离变压装置、PWM整流装置、直流斩波装置、PWM逆变装置、滤波装置以及输出隔离变压装置对柴油发电机组输出的交流电进行依次处理，最终可以将电能传输给负载使用，大大降低了能源消耗，不会对电网造成影响。同时，由于没有过多的旋转设备，大大降低了设备占地面积，提高了系统可靠性。

另外，本发明采用输入隔离变压装置，将柴油发电机组与试验装置进行电气隔离，提高了系统的安全、可靠性。同时，输入隔离变压装置原边侧可设置多个输入档位，大大提高了系统的试验适应性。PWM整流装置采用PWM整流方式，对发电机组输出侧的谐波影响大大降低，并可以保证输入侧的功率因数趋于单位功率因数，减少甚至消除试验装置对发电机组试验结果的影响；同时，采用电压电流双闭环控制，使直流电压稳定。滤波装置采用差模和共模滤波装置，可以对PWM逆变装置的输出电源品质进行改善，使之趋于正弦化，满足负载的试用要求；

本发明柴油发电机组负载试验系统及方法适用于柴油发电机组负载试验，对于中小容量发电机组同样适用，特别对于几十、几百千瓦的常用船舶用柴油发电机组负载试验，同样可以实现能量再利用。

附图说明

图1为本发明柴油发电机组负载试验系统的结构示意图；

图2为本发明PWM整流装置中变流器单元的结构示意图；

图3为本发明滤波装置中的滤波单元的结构示意图；

图4为本发明柴油发电机组负载试验方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。

本发明柴油发电机组负载试验系统，是针对现有技术中柴油发电机组试验装置能源消耗及占地面积大、可靠性低、对电网污染严重的问题，提出在进行柴油发电机组试验时，柴油放电机组发出的频率和幅值变化的交流电经输入隔离变压装置进行隔离，经PWM整流装置整流变为直流电，再依次通过直流斩波装置、PWM逆变装置，经PWM逆变装置逆变为三相交流电，经滤波装置进行波形处理以及经输出隔离变压装置隔离后将柴油发电机组输出的功率输送至负载，供负载使用。

基于上述思想，参见图1所示，本发明柴油发电机组负载试验系统包括：

输入隔离变压装置1、PWM整流装置2、直流斩波装置3、PWM逆变装置4、滤波装置5以及输出隔离变压装置6。

输入隔离变压装置1的输入端与柴油发电机组8相连，PWM整流装置2的输入端与输入隔离变压装置1的输出端相连，直流斩波装置3的输入端与PWM整流装置2的输出端相连，PWM逆变装置4的输入端与直流斩波装置3的输出端相连，滤波装置5的输入端与PWM逆变装置4的输出端相连，输出隔离变压装置6的输入端与滤波装置5的输出端相连，输出隔离变压装置6的输出端与负载7相连；

输入隔离变压装置1，用于对柴油发电机组8与PWM整流装置2进行隔离；

PWM整流装置2，用于将柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；

直流斩波装置3，用于对直流电压进行直流保护；

PWM逆变装置4，用于将直流电压转换为三相交流电压；

滤波装置5，用于降低三相交流电压中的谐波含量；

输出隔离变压装置6，用于对PWM逆变装置5与负载7进行隔离，并将三相交流电压供负载使用。

在上述实施例中，输入隔离变压装置1将柴油发电机组8的输出与PWM整流装置2进行电气隔离，提高系统安全性及可靠性，同时，可以在输入隔离变压装置原边侧设置多个电压输入档位，可以输入不同电压等级的柴油发电机组的电压值，以满足不同电压等级柴油发电机组的试验要求，提高试验适应性。

PWM整流装置2将柴油发电机组8输出的大小、频率变化的交流电压转换为易于处理的直流电压，供后端试验设备使用，并可以利用PWM整流方式的优势稳定直流电压，降低输入侧谐波，减少或消除对柴油发电机组试验的影响。

参见图2所示，PWM整流装置可以包括：变流器单元9，该变流器单元9包括输入交流侧电感L、开关器件组、直流支撑电容C以及直流支撑电阻R L。开关器件组可以由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成。

变流器单元可以采用PWM四象限电压源型整流方式，可以实现单位功率因数控制，同时可以实现电压电流双闭环控制，将柴油发电机组8输出的交流电压转换为直流电压，使直流电压稳定。

直流斩波装置3可以用于直流保护以及快速停机，直流斩波装置可以包括：斩波单元以及消耗单元，斩波单元包括开关器件以及二极管，开关器件与二极管串联连接，开关器件可以使用IGBT。消耗单元包括消耗电阻，消耗电阻和二极管并联连接。消耗单元可以为柴油发电机组输出功率形成耗能支路，主要用于在小试验功率(几千瓦以下)的情况下，为柴油发电机组输出功率提供消耗支路。

PWM逆变装置4将由PWM整流装置整流后转换生成的直流电压再转换为三相交流电压。经PWM逆变装置转换后柴油发电机组输出的功率可以输出至对电能要求不高的负载使用，减少能源消耗，PWM逆变装置并可以将发电机组发出的60Hz电源变换成国内电器设备可以使用的50Hz电源。

PWM逆变装置4输出电压谐波含量高，无法直接给负载使用，需要滤波装置5进行波形处理，以满足负载使用要求。

参见图3所示，滤波装置5可以包括滤波单元10，滤波单元包括共模滤波电感Lcm、差模滤波电感Lr、放电电阻Rr以及滤波电容Cr。

滤波装置5可以采用差模滤波和/或共模滤波方式设计，对所述三相交流电压进行滤波，可以有效的降低系统输出的差模电压谐波，抑制共模电压，降低系统输出谐波含量，提高系统抗干扰性及可靠性。

输出隔离变压装置6将PWM逆变装置5输出与负载7进行隔离，提高系统可靠性，保护负载的安全，同时可以利用输出隔离变压装置本身的电抗性，改善输出电源质量，进一步提高滤波单元输出的三相交流电压的质量供所述负载使用。

在本发明中负载用于接收并使用柴油发电机组负载试验时产生的功率，减少电能损耗及浪费，此负载一般为间歇性、小功率负载，也可以是对电网要求不高的负载。

另外，船用柴油发电机组8为连接好的一体结构，广泛应用于船舶行业，一般为匹配船用设备，采用60Hz电源形式。

本系统的工作原理是：

船用柴油发电机组发出的电能总会存在一定的波动，即柴油发电机组8发出频率和幅值变化的交流电，经输入隔离变压装置1输出至PWM整流装置2，由于采用PWM整流方式，输入网侧谐波含量低，不影响柴油发电机组8正常试验，且PWM整流方式动态响应迅速，对电网的电压及频率波动适应性高，恒定直流电压。同时，PWM整流装置2输入侧带有输入升压电抗器及滤波装置，可在一定程度上抬升输入电压，降低输入侧谐波含量，提高系统的适应性。PWM整流装置2将柴油发电机组8输出的交流电压转换为直流电压，PWM整流采用电压电流双闭环控制来稳定直流电压，提高输出电压的稳定性，降低输出谐波。直流斩波装置3做直流保护及快速停机用。稳定的直流电压经过PWM逆变装置4，输出三相交流电压，此时的电压谐波含量很高，只适用于对电网要求很低的负载，不适合一般民用负载使用，需要经过滤波装置5改善波形质量后，降低所述三相交流电压中的谐波含量，输出至输出隔离变压装置6进行电气隔离及电压变换，给后续负载7使用。

这样，本发明中的试验装置采用输入隔离变压装置1，将柴油发电机组与试验装置进行电气隔离，提高了系统的安全、可靠性；同时，输入隔离变压装置1原边侧可设置多个输入档位，大大提高了系统的试验适应性。

PWM整流装置2采用PWM整流方式，对发电机组输出侧的谐波影响大大降低，并可以保证输入侧的功率因数趋于单位功率因数，减少甚至消除试验装置对发电机组试验结果的影响。同时，采用电压电流双闭环控制，使直流电压稳定。

滤波装置5采用差模和共模滤波装置，可以对PWM逆变装置4的输出电源品质进行改善，使之趋于正弦化，满足负载的使用要求。

在进行柴油发电机组负载试验时，可以将电能传输给负载使用，大大降低了能源消耗，同时，由于没有过多的旋转设备，大大降低了设备占地面积，提高了系统可靠性。

本发明柴油发电机组负载试验系统适用于柴油发电机组负载试验，对于中小容量发电机组同样适用，特别对于几十、几百千瓦的常用船舶用柴油发电机组负载试验，同样可以实现能量再利用。

相应的，本发明还提供一种柴油发电机组负载试验方法，参见图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤101：输入隔离变压装置对柴油发电机组输出的交流电压进行隔离；

步骤102：PWM整流装置将柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；

步骤103：直流斩波装置对直流电压进行直流保护；

步骤104：PWM逆变装置将直流电压转换为三相交流电压；

步骤105：滤波装置降低三相交流电压中的谐波含量；

步骤106：输出隔离变压装置对三相交流电压与负载进行隔离，并将三相交流电压供负载使用。

在上述实施例中，PWM整流装置可以采用PWM四象限电压源型整流方式，实现单位功率因数控制以及电压电流双闭环控制，将柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压。

滤波单元可以采用差模滤波和/或共模滤波方式，对三相交流电压进行滤波，降低三相交流电压中的谐波含量。

这样，本发明柴油发电机组负载试验方法在进行柴油发电机组负载试验时，对柴油发电机组输出的交流电进行依次处理，最终可以将电能传输给负载使用，大大降低了能源消耗，不会对电网造成影响。同时，由于没有过多的旋转设备，大大降低了设备占地面积，提高了系统可靠性。

本发明柴油发电机组负载试验系统及方法适用于柴油发电机组负载试验，对于中小容量发电机组同样适用，特别对于几十、几百千瓦的常用船舶用柴油发电机组负载试验，同样可以实现能量再利用。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种柴油发电机组负载试验系统，其特征在于，所述系统包括：

输入隔离变压装置、PWM整流装置、直流斩波装置、PWM逆变装置、滤波装置以及输出隔离变压装置；

所述输入隔离变压装置的输入端与柴油发电机组相连，所述PWM整流装置的输入端与所述输入隔离变压装置的输出端相连，所述直流斩波装置的输入端与所述PWM整流装置的输出端相连，所述PWM逆变装置的输入端与所述直流斩波装置的输出端相连，所述滤波装置的输入端与所述PWM逆变装置的输出端相连，所述输出隔离变压装置的输入端与所述滤波装置的输出端相连，所述输出隔离变压装置的输出端与负载相连；

所述输入隔离变压装置，用于对所述柴油发电机组与所述PWM整流装置进行隔离；

所述PWM整流装置，用于将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；

所述直流斩波装置，用于对所述直流电压进行直流保护；

所述PWM逆变装置，用于将所述直流电压转换为三相交流电压；

所述滤波装置，用于降低所述三相交流电压中的谐波含量；

所述输出隔离变压装置，用于对PWM逆变装置与所述负载进行隔离，并将所述三相交流电压供所述负载使用。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输入隔离变压装置还包括：

设置于原边侧的多个电压输入档位，用于不同电压等级的所述柴油发电机组进行电压输入。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述PWM整流装置包括：

变流器单元，所述变流器单元包括输入交流侧电感、开关器件组、直流支撑电容以及直流支撑电阻。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述变流器单元采用PWM四象限电压源型整流方式，实现单位功率因数控制以及电压电流双闭环控制，将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流斩波装置包括：

斩波单元以及消耗单元；

所述斩波单元包括开关器件、二极管，所述开关器件与所述二极管串联连接；

所述斩波单元用于直流保护以及快速停机；

所述消耗单元包括消耗电阻，所述消耗电阻和所述二极管并联连接；

所述消耗单元用于为所述柴油发电机组输出功率提供消耗支路。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滤波装置包括：

滤波单元，所述滤波单元包括共模滤波电感、差模滤波电感、放电电阻以及滤波电容。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述滤波单元采用差模滤波和/或共模滤波方式，对所述三相交流电压进行滤波，降低所述三相交流电压中的谐波含量。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述输出隔离变压装置还用于提高所述滤波单元输出的所述三相交流电压的质量供所述负载使用。

9.一种柴油发电机组负载试验方法，其特征在于，所述方法包括：

输入隔离变压装置对柴油发电机组输出的交流电压进行隔离；

PWM整流装置将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压；

直流斩波装置对所述直流电压进行直流保护；

PWM逆变装置将所述直流电压转换为三相交流电压；

滤波装置降低所述三相交流电压中的谐波含量；

输出隔离变压装置对所述三相交流电压与负载进行隔离，并将所述三相交流电压供所述负载使用。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述PWM整流装置将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压，包括：

PWM整流装置采用PWM四象限电压源型整流方式，实现单位功率因数控制以及电压电流双闭环控制，将所述柴油发电机组输出的交流电压转换为直流电压。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述滤波装置降低所述三相交流电压中的谐波含量，包括：

滤波单元采用差模滤波和/或共模滤波方式，对所述三相交流电压进行滤波，降低所述三相交流电压中的谐波含量。

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