CN103398851A - 一种动力设备试验装置、系统及回馈能量调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种动力设备试验装置、系统及回馈能量调节方法。动力设备试验装置包括：发电单元，其用于将动力设备输出的机械能转换为电能进行输出；平滑切换单元，其用于以可调节的方式分流并消耗发电单元输出的电能；以及能量回馈单元，其用于以可调节的方式将发电单元输出的一部分电能回馈电网；其中，平滑切换单元和能量回馈单元分别连接在发电单元的输出端上，构成发电单元输出电能的两条能量流支路，当平滑切换单元调节自身消耗的电能时，能量回馈单元也随之调节回馈电网的电能，反之亦然。基于此装置的系统及回馈能量调节方法，能够在动力设备负载量固定的情况下，对能量流进行分配调节，以满足回馈能量可调的实际应用需求；此外，还能够实现运行模式之间的平滑切换。
Description
技术领域
本发明涉及动力设备试验装置及方法，特别是关于一种可以用于检测动力设备工作性能的动力设备试验装置、系统及回馈能量调节方法。
背景技术
柴油机、汽油机和电动机等动力设备可以为其它设备、机械提供动力。以柴油机组为例，其既可以作为电源设备与发电机配合应用在船舶电源系统、内燃机车供电系统、发电厂备用电源系统等场合，也可以作为动力设备配合直变速箱应用在家用汽车以及矿山车辆驱动中。但是，在将柴油机组应用在上述具体场合前，需要通过多种试验验证其工作的可靠性。以船舶推进用柴油机组为例，国家船舶行业标准CB/T3254就规定了数十项台架试验。在柴油机组的研制过程中以及出厂试验时均要按照其设计曲线在不同的转速下加载对应的功率进行试验（如下表所示），通过试验才能提供给终端用户使用。
| 测试项目 | 转速r/min | 直流电压V | 功率kW |
| 1 | 400 | 299 | 290 |
| 2 | 540 | 395 | 670 |
| 3 | 740 | 482 | 1100 |
| 4 | 900 | 540 | 1480 |
| 5 | 1000 | 624 | 2240 |
| 6 | 1000 | 725 | 2900 |
| 7 | 1000 | 799 | 3700 |
| 8 | 1000 | 891 | 4600 |
表1某型号机车用柴油机出厂负荷试验要求
一般而言，这类试验都需要配备大功率同步发电机以及其他设备，将柴油机输出的机械能转化为电能的形式试验加载。其中，被试柴油机拖陪试发电机发电，陪试发电机发出的电能经过二极管整流器整流后通常采用以下几种方法进行 处理：
采用电阻消耗（系统结构如图1所示），缺点是不节能；
采用大容量直流电动机拖同步发电机并网，也称“机组法”（系统结构如图2所示），缺点是体积庞大，机组维护工作量大，操作复杂；
采用晶阐管有源逆变器回馈到电网（系统结构如图3所示），缺点是回馈电能质量较差；
采用脉宽调制并网逆变器（PWM并网逆变器）回馈电网（系统结构如图4所示），缺点是经过整流后的直流电压不稳定，波动范围较大，不适合PWM并网逆变器工作，实用性较差。
由上述方法可知：在此类试验中，动力设备拖发电机发电，发电机发出电能的同时为动力设备提供负载，发电机发出的电能经过整流后主要通过电阻消耗装置全部消耗用尽，或者通过能量回馈装置全部回馈电网。若动力设备要求负载量P，则电阻消耗装置必须消耗能量P，或者能量回馈装置必须回馈能量P。换句话说，电阻消耗装置消耗的能量或者能量回馈装置回馈的能量在负载一定的情况下不能调节，而且，能量消耗模式与能量回馈模式之间也不能平滑切换。
此外，现有技术中还有采用直流升压（BOOST升压）并将电压稳定在一定范围内，再用PWM逆变回馈电网的方法（系统结构如图5所示）。虽然该方法基本解决了节能和回馈电能质量等问题，但是同上述情况一样，仍存在以下两个问题亟待解决：
1）不能调节回馈能量：当柴油机要求负载量P时，能量回馈装置回馈电网的电能必须也是P（不考虑系统自身消耗），无法做到0～P内可调，不能满足回馈电网能量必须小于P的实际应用需求。
2）不能实现运行模式的平滑切换：当能量回馈装置由于自身原因或者外部原因需要停机，而试验装置又不能中断运行时，试验装置不能从能量回馈模式平滑地切换到能量消耗模式，其间会引发负载冲击；又或者当能量回馈装置恢复正常运行时，试验装置不能从能量消耗模式平滑地切换回能量回馈模式。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种能够实现回馈能量调节的动力设备试验装置、系统及回馈能量调节方法。
本发明提供一种动力设备试验装置，其特征在于，包括：发电单元，其用于将动力设备输出的机械能转换为电能进行输出；平滑切换单元，其用于以可调节的方式分流并消耗发电单元输出的电能；以及能量回馈单元，其用于以可调节的方式将发电单元输出的一部分电能回馈电网；其中，平滑切换单元和能量回馈单元分别连接在发电单元的输出端上，构成发电单元输出电能的两条能量流支路，当平滑切换单元调节自身消耗的电能时，能量回馈单元也随之调节回馈电网的电能，或者当能量回馈单元调节回馈电网的电能时，平滑切换单元也随之调节自身消耗的电能。
具体地，上述平滑切换单元可以包括：能量消耗模块，其用于消耗电能；功率调节模块，其用于调节能量消耗模块消耗的电能；其中，功率调节模块与能量消耗模块串联，并由单重或者多重并联的功率器件构成，可以完成回馈能量调节过程中部分能量的分配和消耗，顺带也省却了以往现有技术中需要根据动力设备负载量要求调整电阻消耗装置的电阻阻值的工作
进一步地，上述平滑切换单元还可以包括开关元件，其并联在功率调节模块两端，用于配合功率调节模块切换运行模式，起到缓冲切换过程的作用。其中，运行模式包括：能量回馈模式，其间开关元件断开，功率调节模块关断，能量消耗模块消耗的电能为零，能量回馈单元回馈电网的电能接近或者等于发电单元输出的电能；能量消耗模式，其间开关元件闭合，能量消耗模块消耗的电能接近或者等于发电单元输出的电能，能量回馈单元回馈电网的电能为零。
具体地，上述能量回馈单元可以包括依次级联的并网变流器、并网变压器，以对发电单元输出的电能进行整流和变压，回馈给电网，其中，回馈给电网的电能由并网变流器进行调节。
根据本发明的实施例，功率器件可以为斩波管、绝缘栅双极型晶体管或者集成门极换流晶闸管。
根据本发明的实施例，开关元件可以为直流断路器、机械开关或者能够导通和截止的功率器件。
另一方面，本发明还提供一种动力设备的回馈能量调节方法，其包括以下步骤：
S101、将动力设备输出的机械能转换为电能进行输出；
S102、将输出的电能以可调节的方式分流并消耗其中的一部分电能；
S103、以可调节的方式将输出的电能的另一部分回馈给电网；
其中，当调节消耗的电能时，回馈给电网的电能也随之调节，或者当调节回馈给电网的电能时，消耗的电能也随之调节。
上述步骤中，调节回馈给电网的电能达到预定值，其间调节消耗的电能，以保持消耗的电能与回馈给电网的电能的和接近或者等于由动力设备的机械能转换的电能。
上述步骤中，当回馈给电网的电能变为零时，调节消耗的电能接近或者达到回馈给电网的电能变为零之前的电能等级。
上述步骤中，调节消耗的电能逐渐为零，其间调节回馈给电网的电能，以保持回馈给电网的电能与消耗的电能的和接近或者等于由动力设备的机械能转换的电能。
另一方面，本发明还提供一种动力设备试验系统，其特征在于，包括动力设备和如权利要求1～6任意一项的动力设备试验装置，动力设备试验装置将动力设备输出的机械能转换为电能回馈给电网。
本发明的有益效果是：本发明在发电单元输出端设置平滑切换单元和能量回馈单元，对发电单元输出的电能进行分流，借助平滑切换单元实现消耗能量和回馈能量的分配调节，以及实现能量消耗模式和能量回馈模式式之间的平滑切换，使动力设备试验过程有更强的连续性，其试验装置有更强的实用性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术电阻消耗方案的系统结构示意图；
图2是现有技术“机组法”方案的系统结构示意图；
图3是现有技术晶阐管回馈方案的系统结构示意图；
图4是现有技术PWM逆变回馈方案的系统结构示意图；
图5是现有技术BOOST升压+PWM逆变回馈方案的系统结构示意图；
图6是本发明的动力设备试验系统结构示意图；
图7是本发明实施例一的动力设备试验系统结构示意图；
图8是本发明实施例一的平滑切换单元结构示意图；
图9是本发明实施例一的能量流分配示意图；
图10是本发明实施例二的平滑切换单元结构示意图。
具体实施方式
如图6所示，本发明提供一种动力设备试验装置10，其包括：
发电单元20，其用于将动力设备100输出的机械能转换为电能进行输出；
平滑切换单元30，其用于以可调节的方式分流并消耗发电单元20输出的电能；以及
能量回馈单元40，其用于以可调节的方式将发电单元20输出的一部分电能回馈电网；其中，
平滑切换单元30和能量回馈单元40分别连接在发电单元20的输出端上，构成发电单元20输出电能的两条能量流支路，当平滑切换单元30调节自身消耗的电能时，能量回馈单元40也随之调节回馈电网的电能，或者当能量回馈单元40调节回馈电网的电能时，平滑切换单元30也随之调节自身消耗的电能。
上述动力设备试验装置10与动力设备100配合工作，就构成了一套动力设备试验系统。借助平滑切换单元30，该系统能够在动力设备100负载量固定的情况下，对两条能量流支路中能量流的大小进行分配调节，从而满足回馈能量可调的实际应用需求；此外，还能够实现运行模式的平滑切换，特别是能量消耗模式与能量回馈模式之间的平滑切换。为使本发明的目的、技术方案和达到的技术效果更加明晰，下面结合附图，以一柴油机试验系统为例对本发明的组成连接和工作原理作进一步的说明。
如图7所示，一柴油机试验系统中，动力设备100为柴油机101。发电单元20包括发电机21和二极管整流器22，其中，发电机21将来自柴油机101的机械能转换成电能输出给二极管整流器22整流，经过整流后的电能分别流入平滑切换单元30和能量回馈单元40。如图8所示，平滑切换单元30消耗来自二极管整流器22的电能，其包括用于消耗电能的能量消耗模块31，以及用于调节能量消耗模块31消耗的电能的功率调节模块32，其中，功率调节模块32由单重或者多重并联的功率器件VT1…VTn构成。具体地，功率器件VT1…VTn相互并联，一端接在二极管整流器22输出端的正极直流母线上，另一端在串联能量消耗模块31后接在二极管整流器22输出端的负极直流母线上。其中，功率器件 VT1…VTn可以是斩波管、绝缘栅双极型晶体管IGBT或者集成门极换流晶闸管IGCT；能量消耗模块41可以是电阻消耗设备或非电阻型的加热设备。本实施例中，功率器件VT1…VTn优选斩波管，通过调节斩波管的开通角度，无极调节流入能量消耗模块31的电能。这也就省却了以往现有技术中需要根据动力设备负载要求调节电阻消耗装置的电阻阻值的工作。能量回馈单元40包括依次级联的并网变流器41、并网变压器42和高压开关43，将来自二极管整流器22的电能整流和变压后，转换成合适的电能回馈电网，其中，可以利用并网变流器41调节回馈电网的电能。
下面介绍在柴油机负载量固定的情况下，上述系统进行试验，调节回馈能量大小的方法：
如图9所示，在能量消耗和回馈并存的运行模式下，当柴油机101的负载量为一固定值P时，可以调节并网变流器41，使通过并网变流器41回馈电网的电能达到预定值P1，其间调节斩波管的开通角度，使通过斩波管流入能量消耗模块31的电能为P2，并保持P1与P2的和接近或者等于发电单元20输出的电能，也即柴油机101的负载量P。如此，柴油机厂家可以根据自身能量消耗情况在0～P内调节回馈电网的能量，无需考虑由此可能对电网产生的影响。
除了上述能量消耗和回馈并存的运行模式之外，系统的运行模式还包括能量回馈模式和能量消耗模式，有由能量回馈模式切换到能量消耗模式，以及由能量消耗模式切换回能量回馈模式的切换过程。下面详细地说明通过平滑切换单元30，系统切换上述两种运行模式的方法：
1）由能量回馈模式切换到能量消耗模式：
在能量回馈模式下，功率调节模块32处于关断状态，流入能量消耗模块31的电能为零，由此平滑切换单元30消耗的电能为零，能量回馈单元40回馈电网的电能接近或者等于发电单元20输出的电能。当电网或者能量回馈单元40发生故障时，能量回馈单元40会紧急停止运行，在能量回馈单元40停止运行时（此过程可以理解为一突变过程），启动功率调节模块32，调节功率器件斩波管的开通角度，使流入能量消耗模块31的电能接近或者达到能量回馈单元40停止运行前回馈电网的电能等级，从而完成能量回馈模式到能量消耗模式的切换过程。
2）由能量消耗模式切换到能量回馈模式：
在能量消耗模式下，平滑切换单元30消耗的电能接近或者等于发电单元20 输出的电能，能量回馈单元40处于关闭状态，回馈电网的电能为零。当电网或者能量回馈单元40的故障排除后，需要切换回能量回馈模式时（此过程可以理解为一渐变过程），调节功率器件斩波管的开通角度，使流入能量消耗模块31的电能逐渐减小，同时还调节并网变流器41，使通过并网变流器41回馈电网的电能逐渐增大，同时保持两者之和接近或者等于发电单元20输出的电能，直至流入能量消耗模块31的电能为零，以及通过并网变流器41回馈电网的电能接近或者等于发电单元20输出的电能，从而完成能量消耗模式到能量回馈模式的切换过程。
在实际操作中，由于从能量回馈模式切换到能量消耗模式是一个突变过程，其间会引发动力设备负载冲击，因此，如图10所示，在本发明的实施例二中，可以在上述平滑切换单元30功率调节模块32的两端并联开关元件33，其中，开关元件33可以是直流断路器、机械开关或者能够导通和截止的功率器件。通过在合适的时间断开开关元件33，配以功率调节模块32调节流入能量消耗模块31的电能，能够实现运行模式的平滑切换。具体的切换方法如下：
1）由能量回馈模式切换到能量消耗模式：
在能量回馈模式下，开关元件33处于断开状态，功率调节模块32处于关断状态，流入能量消耗模块31的电能为零，能量回馈单元40回馈电网的电能接近或者等于发电单元20输出的电能。在能量回馈单元40停止运行时，启动功率调节模块32，调节功率器件斩波管的开通角度，使流入能量消耗模块31的电能接近或者达到能量回馈单元40停止运行前回馈电网的电能等级，然后再闭合开关元件33，由于开关元件33闭合，发电单元20输出给平滑切换单元30的电能直接通过开关元件33流入能量消耗模块31，因此功率器件模块32不再发挥作用，但是为了确保电路工作可靠性，通常在开关元件33确认闭合后，还是会关断功率器件斩波管，从而完成能量回馈模式到能量消耗模式的切换过程。这种切换方式可以有效地保证试验正常平稳地进行。
2）由能量消耗模式切换到能量回馈模式：
在能量消耗模式下，开关元件33处于闭合状态，流入能量消耗模块31的电能接近或者等于发电单元20输出的电能，能量回馈单元40处于关闭状态，回馈电网的电能为零。当电网或者能量回馈单元40的故障排除后，需要切换回能量回馈模式时，首先调节功率器件斩波管的开通角度，使其接近或者达到当前能 量消耗模块41消耗电能的大小，然后断开开关元件33，同时调节功率器件斩波管的开通角度，使能量消耗模块31消耗的电能保持开关元件33断开前的电能等级，然后再启动并网变流器41，同时调节功率器件斩波管的开通角度和并网变流器41，使流入能量消耗模块31的电能逐渐减小，使通过并网变流器41回馈电网的电能逐渐增大，同时保证两者之和接近或者等于发电单元20输出的电能，直至流入能量消耗模块31的电能为零，以及通过并网变流器41回馈电网的电能接近或者等于发电单元20输出的电能，最后关断功率器件斩波管，从而完成能量消耗模式到能量回馈模式的切换过程。这种方式可以有效地杜绝因外界原因导致试验中断的可能。
上述实施例二中，在能量消耗和回馈并存的运行模式下，借助平滑切换单元30进行试验，调节回馈能量的方法与实施例一的方法大致相同，只是在利用功率器件调节流入能量消耗模块31的电能期间，开关元件33必须保持断开状态。
上述是本发明应用于检验动力设备工作可靠性的试验场合，当然本发明还可以应用于其它任何通过直流侧消耗电能和能量回收的场合，在此不作任何限制。扩展到任意一种动力设备的直流侧消耗电能和能量回收的场合，回馈能量调节方法包括以下步骤：
S101、将动力设备输出的机械能转换为电能进行输出；
S102、将输出的电能以可调节的方式分流并消耗其中的一部分电能；
S103、以可调节的方式将输出的电能的另一部分回馈给电网；
其中，当调节消耗的电能时，回馈给电网的电能也随之调节，或者当调节回馈给电网的电能时，消耗的电能也随之调节。
需要说明的是，本领域的技术人员应该明白，上文中所记载的内容只是为了便于理解本发明而采用的具体实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (11)
1.一种动力设备试验装置，其特征在于，包括：
发电单元，其用于将动力设备输出的机械能转换为电能进行输出；
平滑切换单元，其用于以可调节的方式分流并消耗所述发电单元输出的电能；以及
能量回馈单元，其用于以可调节的方式将所述发电单元输出的一部分电能回馈电网；其中，
所述平滑切换单元和所述能量回馈单元分别连接在所述发电单元的输出端上，构成所述发电单元输出电能的两条能量流支路，当所述平滑切换单元调节自身消耗的电能时，所述能量回馈单元也随之调节回馈电网的电能，或者当所述能量回馈单元调节回馈电网的电能时，所述平滑切换单元也随之调节自身消耗的电能。
2.如权利要求1所述的动力设备试验装置，其特征在于，所述平滑切换单元包括：
能量消耗模块，其用于消耗电能；
功率调节模块，其用于调节所述能量消耗模块消耗的电能；其中，
所述功率调节模块与所述能量消耗模块串联，并由单重或者多重并联的功率器件构成。
3.如权利要求2所述的动力设备试验装置，其特征在于，所述平滑切换单元还包括开关元件，其并联在所述功率调节模块两端，用于配合所述功率调节模块切换运行模式，起到缓冲切换过程的作用，所述运行模式包括：
能量回馈模式，其间所述开关元件断开，所述功率调节模块关断，所述能量消耗模块消耗的电能为零，所述能量回馈单元回馈电网的电能接近或者等于所述发电单元输出的电能；
能量消耗模式，其间所述开关元件闭合，所述能量消耗模块消耗的电能接近或者等于所述发电单元输出的电能，所述能量回馈单元回馈电网的电能为零。
4.如权利要求1或2所述的动力设备试验装置，其特征在于，所述能量回馈单元包括依次级联的并网变流器、并网变压器，以对所述发电单元输出的电能进行整流和变压，回馈给电网，其中，回馈给电网的电能由所述并网变流器进行调节。
5.如权利要求2所述的动力设备试验装置，其特征在于：所述功率器件为斩波管、绝缘栅双极型晶体管或者集成门极换流晶闸管。
6.如权利要求3所述的动力设备试验装置，其特征在于：所述开关元件为直流断路器、机械开关或者能够导通和截止的功率器件。
7.一种动力设备的回馈能量调节方法，其包括以下步骤：
S101、将动力设备输出的机械能转换为电能进行输出；
S102、将输出的电能以可调节的方式分流并消耗其中的一部分电能；
S103、以可调节的方式将输出的电能的另一部分回馈给电网；
其中，当调节消耗的电能时，回馈给电网的电能也随之调节，或者当调节回馈给电网的电能时，消耗的电能也随之调节。
8.如权利要求7所述的回馈能量调节方法，其特征在于：调节回馈给电网的电能达到预定值，其间调节消耗的电能，以保持消耗的电能与回馈给电网的电能的和接近或者等于由动力设备的机械能转换的电能。
9.如权利要求7所述的回馈能量调节方法，其特征在于：当回馈给电网的电能变为零时，调节消耗的电能接近或者达到回馈给电网的电能变为零之前的电能等级。
10.如权利要求7所述的回馈能量调节方法，其特征在于：调节消耗的电能逐渐为零，其间调节回馈给电网的电能，以保持回馈给电网的电能与消耗的电能的和接近或者等于由动力设备的机械能转换的电能。
11.一种动力设备试验系统，其特征在于，包括动力设备和如权利要求1～6任意一项所述的动力设备试验装置，所述动力设备试验装置将所述动力设备输出的机械能转换为电能回馈给电网。
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