CN104734141A - 一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，将柴油发电机组与非线性负载结合实验；所述柴油发电机组包括柴油机和同步发电机，所述非线性负载包括整流器和直流开关；研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理时，以同一容量的柴油机组合不同容量的同步发电机，通过改变直流开关的参数实现非线性负载的多种工作模式，以不同组合形式的柴油发电机组向非线性负载供电，研究柴油发电机组与非线性负载之间的相互作用机理。将电源部分与负载部分联合实验，通过此种方案的设计，可以深入研究电源变化或负载变化时电源与负载相互作用机理，以定量的角度解释针对非线性负载增加柴油机容量或是增大同步发电机容量的问题。

Description

一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法

技术领域

本发明涉及一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，主要应用于孤岛运行的微电网中，柴油发电机组作为主电源，向微电网直流母线提供电能。

技术背景

微电网将分布式电源、储能装置、负荷及控制装置等组合，形成一个可控的小容量供电系统，同时向用户供给电能和热能，既可与传统大电网联网运行，又能在电网发生故障时与主电网断开孤岛运行，为大电网提供支撑的同时也提高了对用电单位供电的可靠性。微电网中的电源可以采用燃料电池、光伏电池和微型燃气轮机等排碳量相对较低的新型能源，有利于环保，也可以接入柴油发电机组作为支撑电源。在边防海岛、山区等大电网无法覆盖的地区，微电网以孤岛方式运行，风能、太阳能等新能源发电形式受自然条件影响较大，不能保证供电可靠性，柴油发电机组作为一种技术成熟的电源，仍具有不可替代的作用。

柴油发电机组由柴油机、同步发电机、控制系统组成，具有工作可靠、高效环保的特点，在通信基站、舰船、海上石油钻井平台、武器装备、智能建筑、国防(人防)工程、大型集会活动等供电保障中得到广泛应用。例如2014年俄罗斯索契冬奥会采用了66台柴油发电机组作为备用电源，确保冬奥会可靠供电；我国在2008年北京奥运会、2010年上海世博会也采用柴油发电机组作为后备电源。柴油发电机组作为舰船、海上石油钻井平台、武器装备等移动设备的核心动力，良好的工作状态是保障电力设备正常工作的关键，直接决定系统的效能；柴油发电机组作为应急电源向通信基站供电，无论是2008年我国南方冰雪灾害，还是汶川、雅安大地震，对及时传递灾情信息、保障灾区生产生活具有十分重大的作用和意义；作为国防(人防)工程的战备电源，在战时公用电网被摧毁的情况下，柴油发电机组良好的工作状态将决定战争态势的走向，成为制胜的关键；作为智能建筑物的后备电源，在突发情况下确保电梯、消防系统正常工作，可以挽救更多的生命财产，避免更大的损失。总之，在国民经济建设、人民日常生活和军事应用中，柴油发电机组以其优越的性能正发挥着非常重要的作用。

早期的用电负载大多是线性负载，如白炽灯、电磁炉等，即使是异步电动机，也可通过降压启动的方式避免启动电流的冲击。所以柴油发电机组带线性负载时，工作状态平稳，供电频率和负载电压稳定，电流没有畸变，负载与机组容量的匹配关系也相对简单，柴油发电机组的选型方法已十分成熟。但是随着电力电子技术的发展，负荷结构发生了很大的变化，开关非线性负载逐渐增多，现代雷达、侦察设备、通信装置、自动化智能化系统等信息技术设备广泛应用，这些负载工作模式多、工作状态变化大，采用柴油发电机组供电时，由于机组容量小、内阻抗大，开关非线性负载产生的畸变电流在电机内部产生谐波磁场，造成磁场畸变，一方面影响电磁转矩，并通过机械转矩影响原动机，造成原动机转速变化，引起频率波动；另一方面造成电压畸变，畸变的电压将影响开关非线性负载的运行状态，导致电流畸变更加严重，形成恶性循环，最终可能导致系统无法工作。例如，某装备设计中采用两台150KW的柴油发电机组并联向100KVA的开关电源供电，负载有功功率仅为45KW。对接试验时，系统启动后频率即发生大幅发散振荡，电压也极不稳定，数秒之后机组即保护跳闸，无法正常工作。

针对上述问题，当前工程处理方法通常有两种：一是增大柴油发电机组的容量，如将柴油发电机组容量配置为非线性负载功率的2～3.5倍，采用“大马拉小车”方式，虽然解决了部分问题，但是增大了投资，且机组长期在低功率因数下运行，效率低、震动大、噪音高、机械磨损严重、寿命缩短，而且还不能解决所有功率匹配的问题；二是改变负荷结构，如选用具有多脉波整流环节的负载，但这种方法只适用于新设计系统，对于很多已经模块化的定型设备，其结构很难改变；同时如何改变负荷结构，也没有统一的方法。对此，有的文献提出采用增大同步发电机容量，提高机组视在功率的方法，以增大机组非线性负载能力；而有的文献则提出采用增大柴油机功率以克服非线性负载瞬时大功率影响的方法等，这些方案都有一定道理，但都缺乏深入的理论分析，也没有进行系统的仿真研究和试验验证，所以至今仍然没有可靠的解决方法，不能从根本上解决开关非线性负载的功率匹配问题。

发明内容

本发明的目的是，提出一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，包括对电源的研究方法和对非线性脉冲负载的研究方法，将柴油发电机组拆分为柴油机和同步发电机，以同一容量的柴油机组合不同容量的同步发电机，同时调速器和调压器保持不变；非线性脉冲负载分为整流器和直流开关，通过改变直流开关的导通周期、占空比和功率等参数实现非线性负载的多种工作模式。以不同组合形式的电源向非线性脉冲负载供电，研究电源与负载之间相互作用机理，即随负载的变化电源输出特性和电源结构的变动对负载工作的影响。

本发明的技术方案是：一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，将柴油发电机组与非线性负载结合实验；所述柴油发电机组包括柴油机和同步发电机，所述非线性负载包括整流器和直流开关；研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理时，以同一容量的柴油机组合不同容量的同步发电机，通过改变直流开关的参数实现非线性负载的多种工作模式，以不同组合形式的柴油发电机组向非线性负载供电，研究柴油发电机组与非线性负载之间的相互作用机理。

进一步的，所述直流开关的参数为导通周期、占空比、平均功率和峰值功率。

进一步的，所述同一容量的柴油机组合不同容量的同步发电机，包括：“正常匹配”、“大带小”、“小带大”三种组合类型；所述“正常匹配”指柴油发电机组出厂时的设定匹配；所述“大带小”指柴油机容量不变，减小同步发电机容量；所述“小带大”指柴油机容量不变，增大同步发电机容量。

进一步的，研究方法中不同柴油发电机组的调速器和调压器保持不变。

进一步的，所述改变直流开关的参数实现非线性负载的多种工作模式，包括：固定导通周期和峰值功率，改变占空比和平均功率；或者是固定导通周期和平均功率，改变占空比和峰值功率。

本发明的有益效果是：将电源部分与负载部分联合实验，通过此种方案的设计，可以深入研究电源变化或负载变化时电源与负载相互作用机理，以定量的角度解释针对非线性负载增加柴油机容量或是增大同步发电机容量的问题。使用本发明所述的柴油发电机组功率传输特性研究方法，可以深入研究柴油发电机组电气特性和非线性负载电气特性，对研究微电网的稳定性十分有益。

附图说明

图1离网型直流微电网结构图；

图2离网型直流微电网电路模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

离网型直流微电网，结构如附图1所示，考虑因自然条件限制，新能源发电无法提供电能，柴油发电机组作为主电源运行并向微电网提供电能，通过整流器、变流器等电力变换装置向负载供电，此时供电结构图可简化为附图2。为研究电源与负载相互作用机理，对电源部分的处理是：柴油机(36kW)功率固定不变，同步发电机的功率分别为25kVA、37.5kVA、62.5kVA，以实现柴油机与同步发电机匹配方式为“大带小”、“正常匹配”、“小带大”三种类型，且调速器和调压器保持不变。

表1 电源部分处理方案

对负载部分的处理是：保持峰值功率不变(50kW，可根据电源情况调整)，改变占空比，由0.1增大到1.0，如表2所示，测量电源输出电压、电流、功率等电气信号和震动信号；保持平均功率不变，改变峰值功率，由10kW增大到60kW(根据机组工作状态选择)，如表3所示，测量电源输出电压、电流、功率等电气信号和震动信号。

表2 负载部分处理方案一

表3 负载部分处理方案二

1、“正常匹配”型柴油发电机组

柴油发电机组一般出厂时是“正常匹配”形式，即36kW的柴油机和37.5kVA的同步发电机，向非线性脉冲负载供电，通过改变负载的导通周期、占空比、平均功率和峰值功率等参数，实现负载的多种工作模式。通过这种实验设计，可详细研究负载变化时对“正常匹配”形式的电源影响情况。

表4 “正常匹配”型柴油发电机组实验方案

2、“大带小”型柴油发电机组

将正常匹配机组的柴油机和同步发电机拆分，保持柴油机及调速系统不变，改变同步发电机的容量，即36kW的柴油机和25kVA的同步发电机，向非线性脉冲负载供电，通过改变负载的导通周期、占空比、平均功率和峰值功率等参数，实现负载的多种工作模式。通过这种实验设计，可详细研究负载变化时对“大带小”形式的电源影响情况。

表4 “大带小”型柴油发电机组实验方案

3、“小带大”型柴油发电机组

将正常匹配机组的柴油机和同步发电机拆分，保持柴油机及调速系统不变，改变同步发电机的容量，即36kW的柴油机和62.5kVA的同步发电机，向非线性脉冲负载供电，通过改变负载的导通周期、占空比、平均功率和峰值功率等参数，实现负载的多种工作模式。通过这种实验设计，可详细研究负载变化时对“小带大”形式的电源影响情况。

表5 “小带大”型柴油发电机组实验方案

在负载条件一定时，通过对比分析不同电源形式对负载工作状态的影响。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改变和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，其特征在于：将柴油发电机组与非线性负载结合实验；所述柴油发电机组包括柴油机和同步发电机，所述非线性负载包括整流器和直流开关；研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理时，以同一容量的柴油机组合不同容量的同步发电机，通过改变直流开关的参数实现非线性负载的多种工作模式，以不同组合形式的柴油发电机组向非线性负载供电，研究柴油发电机组与非线性负载之间的相互作用机理。

2.根据权利要求1所述的一种研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，其特征在于：所述直流开关的参数为导通周期、占空比、平均功率和峰值功率。

3.根据权利要求1所述的研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，其特征是：所述同一容量的柴油机组合不同容量的同步发电机，包括：“正常匹配”、“大带小”、“小带大”三种组合类型；所述“正常匹配”指柴油发电机组出厂时的设定匹配；所述“大带小”指柴油机容量不变，减小同步发电机容量；所述“小带大”指柴油机容量不变，增大同步发电机容量。

4.根据权利要求1所述的研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，其特征是：研究方法中不同柴油发电机组的调速器和调压器保持不变。

5.根据权利要求1所述的研究柴油发电机组与非线性负载相互作用机理的方法，其特征是：所述改变直流开关的参数实现非线性负载的多种工作模式，包括：固定导通周期和峰值功率，改变占空比和平均功率；或者是固定导通周期和平均功率，改变占空比和峰值功率。